金属冶炼过程气泡运动特性研究
摘要： 在金属冶炼过程中，燃料燃烧产生的烟气和过量空气会在熔体中产生气泡，气泡在熔体中的运动特性会对金属的冶炼效果产生重要的影响。冶炼过程中高温、密闭的冶炼条件以及熔体内气泡运动的复杂性给气泡运动的研究带来了巨大的困难。为了进一步研究气泡在熔体中的运动特性，数值模拟的应用显得至关重要，对提高金属冶炼效率提供给了有效的技术支撑。
Abstract： In the process of metal smelting， the smoke and excess air generated by fuel combustion will produce bubbles in the melt，and the movement characteristics of the bubbles in the melt will have an important impact on the smelting effect of the metal. The high temperature， closed smelting conditions and the complexity of bubble motion in the process of smelting bring great difficulties to the study of bubble motion. In order to further study the movement characteristics of bubbles in the melt， the application of numerical simulation technology is very important， which provides a solid technical support for improving the efficiency of metal smelting.
關键词： 金属冶炼；气泡；运动特性；数值模拟
Key words： metal smelting；bubble；motion characteristics；numerical simulation
中图分类号：TF111 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）10-0231-02
0 引言
在金属冶炼过程中，为促进熔炼过程中化学反应的有效进行，加快金属熔体和渣的分离，常常会向熔体内喷入惰性气体，惰性气体与燃料燃烧后产生的烟气相混合在熔体内形成气泡，气泡在熔体中不断运动，对熔体产生搅拌作用，从而优化熔炼的效果，提高熔炼的效率。气泡在金属熔体中的运动特性对冶炼效率和冶炼效果有着十分重要的影响[1]。
熔体中的气泡运动十分复杂，在鼓风翻腾的熔炉中，熔体的流动状态非常剧烈且杂乱无章，加剧了气泡运动的随机性和复杂性[2]。忽略熔体内复杂的化学反应，较常规流体而言，熔体的密度较大，气泡在熔体内受到的压力较大，熔池内不同深度间的压力差也非常大，气泡在上升过程中的压力变化比在常规流体中大得多，加剧了气泡在上升过程中的体积变化，提高了气泡形变的复杂性，同时较大的压力使气泡更容易发生碎裂现象，气泡分散后形成的小气泡继续对熔体进行搅动作用，使其运动现象更加复杂难测[3]。
熔体的粘度比常规流体大得多，在气泡运动过程中熔体对气泡的各种剪切应力较复杂，较气泡在常规流体中的运动而言，气泡更易破碎。由于粘度的影响，气泡的运动轨迹也变得更加难以控制，巨大的粘度以及复杂的形变，使得气泡在上升过程不像在常规流体中那样，基本只在深度方向上有较明显的运动。熔体中的气泡随着形状和深度的不断变化，有三种不同的运动形式：直线型、之字形和螺旋形[4]，不同的运动轨迹对熔体的搅拌效果差异很大，给气泡运动规律的研究带来困难。
由于金属冶炼的特性，需要高温密封的冶炼环境，在密封的冶炼炉外无法直接观测气泡的运动状态和运动轨迹，而炉内高温的环境下，无法安装各种监测设备对气泡的运动进行捕捉，只能根据冶炼的结果来简单推测气泡的搅动效果，无法对气泡的运动规律进行准确的研究与判断。停炉检测和调节试验的经济代价又非常大，对气泡运动的研究构成了严重的阻碍。
冶炼过程的特殊性和复杂性决定了无法依照气泡在常规流体中的运动形式来研究气泡在熔体中的运动规律，冶炼环境的密闭和高温特性又给气泡运动的直接观测带来了困难。
综上所述，为研究气泡对金属熔体的搅拌规律，对金属冶炼工艺过程进行指导，提高冶炼效果和经济性，需要数值模拟的应用。
1 数值模拟的应用
冶炼过程的复杂性与难监测性给气泡运动的研究带来了极大困难，故数值模拟方法就显得尤为重要。数值模拟过程主要分为4个部分：
第一部分为物理模型构建，即根据所研究的工艺过程构建相应的物理模型，运用网格划分软件对物理模型进行相应网格划分。
第二部分为初始条件和边界条件的设置，根据冶炼过程的相关参数设置相关初始条件和边界条件。
第三部分为模拟软件的数值计算过程，根据设置的初始条间与边界条件，利用模拟软件进行复杂的数据计算，得到相应的数据结果。
第四部分为利用简单试验，验证所建模型准确性，为数值模拟计算提供有力验证。
以下为四部分工作的具体操作和方法。
1.1 物理模型的构建
金属冶炼过程十分复杂多变，相应产生了许多冶炼工艺技术，根据冶炼技术的特点，每种冶炼技术都有其对应的炉体结构，合适的炉型结构能够较好地发挥冶炼技术的优势，提高冶炼效率。在物理模型的构建过程中炉型结构是必须考虑的部分，为了保证模型准确性，依照实际冶炼炉的炉型结构构建物理模型，如艾萨炉为圆柱形炉体[5]，需构建圆柱形的物理模型。
除了要考虑整体炉型的构建与设计，冶炼炉中相应的进料口、出料口、排烟口等结构分布和炉内喷枪的排列也要根据实际工艺进行设置。物理模型建立后，需要对物理模型进行精密的网格划分，根据物理模型中各部分部件的复杂程度确定相应的网格尺寸，部件结构越复杂，网格尺寸越小，计算过程越精细准确，模型计算准确性越高。
1.2 初始条件与边界条件的设置
根据实际冶炼工艺的相关参数如：熔体温度、炉膛温度、燃料量和空气量等来设置计算模型的初始条件和边界条件，这部分工作比较复杂，需要大量的资料查阅，对相关工艺的条件与相关参数都要十分清楚。分析研究整个冶炼过程，选择适当的计算模型，如在冶炼过程中传热的主要方式为对流和辐射，需选择湍流模型和辐射模型。除对工艺参数和模型要熟悉外，在熔炼过程中涉及到的相关反应方程以及经验公式也需要进行设置，模拟软件的基本设置往往无法满足冶炼工艺的复杂过程，有时需要人工编译程序代码补全相关公式以及物性参数的需求。在整个数值模拟的过程中，初始条件和边界条件的设置过程对数值模拟的准确性起着关键性作用。
1.3 模拟软件的数值计算
在基本模型、边界条件、初始条件等设置好后，为了得到想要的结果，需要利用模拟软件进行数据计算。设置好计算时间和计算步长，利用模拟软件进行大量的计算，得到整个计算模型中各个时间点的计算数据，对计算数据进行筛选，得到所需时间点的相应数据，如为研究气泡形状变化，导出气泡直径的变化数据以及相分布图，能够清楚准确观察气泡形状以及尺寸的变化。在模拟过程中，冶炼过程中那些复杂的条件都可以运用软件中的经验公式和相应计算模型来实现，相关结果通过导出计算数据的来获得，解决了冶炼过程的复杂性和难检测性，准确度较高，经济性较好。
1.4 建立简单试验，验证模型准确性
在取得相关计算数据后，还要对所建立模型进行检验，将计算模型中一些复杂的设置简化，如将冶炼过程的计算模型中，将物理模型进行简化，建立成简单方便搭建的圆柱形模型，将熔体换成常规流體。利用相似原理，搭建一个小型水槽，向水中喷入空气气泡，使之与数值模拟的计算模型相符合，将简化后的计算结果与相应水模型试验相对比，检验所建模型的准确性，提高数值模型的严谨性与正确性。
2 数值模拟运用实例
通过数值模拟对气泡运动的研究起步较早，刘红等[6]对金属熔体中的气泡进行数值模拟，得到了熔体粘度、气泡尺寸以及气泡分布情况之间的关系。陆奇志等[7]对油滴内气泡行为进行研究分析，观测了微气泡的生长、破碎规律，捕捉到了环境温度为973K时，在直径为1.25mm的燃烧油滴内，微气泡的急剧暴涨和瞬间碎裂现象。唐永刚等[8]对单个三维气泡在近自由面运动进行了数值模拟，测了气泡上升速度变化以及气泡运动对自由液面的影响。娄文涛等[9]采用计算流体力学的VOF模型对水模型内气泡运动进行数值模拟研究，得到气泡频率随着喷枪口处气体量增加而减少。李帅等[10]建立了轴对称和三维上浮气泡边界元模型，讨论了气泡初始条件、表面张力和黏性对气泡上浮过程中动力学行为的影响，提出了一种处理三维上浮气泡融合的数值方法，计算结果与实验现象符合良好。
3 结论
气泡对金属熔体的搅拌作用对金属的冶炼效率和冶炼结果有着重要的影响，对气泡搅动规律的研究能够对实际冶炼过程产生很好的指导作用，促进技术改革，提高经济效益。但冶炼过程的气泡运动十分复杂多变，不能从常规流体中气泡的运动规律上得到很好的借鉴，而高温封闭的冶炼工艺条件给气泡规律的观察带来了困难。故为了更好地研究气泡的运动规律，数值模拟的利用十分有必要。利用模拟软件模拟冶金过程的复杂环境，操作简便且容易实现，通过数据计算直接得出想要的计算结果，方便直观。可以通过简化后的模型进行试验验证，保证计算模型的正确性与严谨性，使计算结果更加准确。通过计算结果优化现实工艺技术，通过现实工艺反过来改善计算模型。数值计算方法在很多领域都已经开始应用，但还需不断强化，对金属冶炼过程进行优化和指导。
参考文献：
[1]解茂昭，韩薇，刘红.液态金属熔体中气泡运动特性数值模拟[J].大连理工大学学报，2006，46（3）：340-344.
[2]宋会玲，解茂昭，刘红.气泡在液态金属搅拌流场中运动与变形的影响因素分析[J].工程热物理学报，2008，29（12）：2053-2056.
[3]梁健国，闫红杰，张家元.高炉下部气固湍流和煤粉燃烧的数值模拟与优化研究[J].钢铁研究，2012，40（4）：14-20.
[4]闫红杰，赵国建，刘柳.静止水中单气泡形状及上升规律的实验研究[J].中南大学学报，2016，47（7）：2513-2520.
[5]王仕博.艾萨炉顶吹熔池流动与传热过程数值模拟研究[D].昆明：昆明理工大学，2013.
[6]刘红，解茂昭，李科.液态金属熔池中气泡-液体两相湍流的数值模拟研究[J].计算力学学报，2007，24（5）：669-673.
[7]陆奇志，龚景松，朴英，等.燃烧油滴内部蒸发的气泡周期性暴涨/碎裂[J].航空动力学报，2017，8：1869-1875.
[8]唐永刚.三维气泡运动的数值模拟[J].南通航运职业技术学院学报，2011，10（3）：37-42.
[9]娄文涛，张邦琪，施哲.艾萨炉水模型内气泡运动的模拟[J].中国有色冶金，2010，1：48-53.
[10]李帅，孙龙泉，张阿漫.水中上浮气泡动态特性研究[J].物理学报，2014，18：291-303.