KR法攪拌罐內(nèi)自由液面及多相流混合特性數(shù)值模擬.pdf

1、國家經(jīng)濟建設的快速發(fā)展對高品質(zhì)鋼種的需求與日俱增，而鋼材中含硫量高會降低其韌性、塑性和疲勞壽命等機械性能。由于KR(Kanbara Reactor)法機械攪拌脫硫具有脫硫效率高效和脫硫成本低廉等優(yōu)勢，被普遍用于鐵水脫硫預處理工藝中。在實際生產(chǎn)中，KR法脫硫處理涉及自由液面卷吸脫硫劑及其與高溫鐵水混合等復雜過程，對鐵水罐內(nèi)流速場的探究是分析眾多復雜過程的重要基礎。隨著CFD(Computational Fluid Dynamics)技術(shù)飛

2、躍性的發(fā)展，數(shù)值模擬方法不僅可以克服實驗研究成本高、條件苛刻等問題，也能直觀成像和直接測量流場參數(shù)，故被普遍用于分析攪拌罐內(nèi)多相流的混合效果。
　　目前，關于KR法脫硫的數(shù)值研究多不計及自由液面對脫硫劑顆粒的卷吸作用，且將脫硫劑顆粒視為擬流體，這與實際工況下的脫硫過程有一定偏差。開展各工藝參數(shù)對攪拌罐內(nèi)液面變化、流場特性及脫硫劑擴散規(guī)律影響的數(shù)值研究，對增強固-液混合效果與改善脫硫效率具有顯著的實際價值。本文借助商用CFD軟件FL

3、UENT，一方面在水模實驗的基礎上，利用數(shù)值模擬方法研究計及自由液面波動的攪拌罐內(nèi)流場變化過程，并探究了主要結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)對自由液面及流速場變化的影響;另一方面采用歐拉-歐拉模型和聯(lián)合仿真條件下的歐拉-拉格朗日模型，分析脫硫劑顆粒受自由液面卷吸進入罐內(nèi)流場的運動過程和分散效果。主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)建立基于相似性準則的水模實驗模型，得到不同攪拌器轉(zhuǎn)速和浸沒深度下的自由液面漩渦深度及高度測量結(jié)果。隨后基于標準κ-ε湍流模型描

4、述流場的湍流特性，采用多重坐標系法(Multi Reference Frame，MRF)和VOF(Volume of Fluid)法建立氣液兩相流模型，通過仿真方法分析鐵水罐內(nèi)流速場和自由液面的變化。為了驗證仿真方法的準確性，將仿真得到的液面漩渦深度及漩渦高度同水模實驗結(jié)果進行對比。基于該數(shù)值模型進一步探究了攪拌器轉(zhuǎn)速、浸沒深度、葉輪直徑和葉片數(shù)目等主要參數(shù)與攪拌罐內(nèi)自由液面和流速場變化的關系。
　　(2)針對脫硫劑均勻和平鋪兩種

5、初始布料方式，開展攪拌罐內(nèi)多相流混合特性的數(shù)值研究，采用歐拉-歐拉法將脫硫劑顆粒視為擬流體，研究攪拌過程中計及液面效應的脫硫劑、水和空氣濃度分布的變化，進一步探究了攪拌器轉(zhuǎn)速和浸沒深度與擬流體脫硫劑分布的關系。
　　(3)通過EDEM和FLUENT兩軟件的聯(lián)合使用，采用離散元法和有限體積法相耦合的建模方法，建立KR法脫硫固-液-氣三相流數(shù)值模型，其中脫硫劑固體顆粒采用離散元法建模，水和空氣采用連續(xù)流體相建模，進行計及自由液面變化的