側(cè)吹爐銅水套冷卻強度的仿真研究

劉 濤，黃文華

（中國瑞林工程技術(shù)有限公司，江西 南昌 330031）

1 引言

銅冶煉技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了漫長的過程，但至今仍以火法冶煉為主。而火法冶煉，歸納起來有兩大類:一類是閃速熔煉，另一類是熔池熔煉，如側(cè)吹熔池熔煉（即瓦紐科夫法）、白銀爐熔池熔煉等［1-2］。這些方法的一個共同之處是運用高氧技術(shù)，強化熔煉過程，充分利用爐料氧化反應(yīng)熱的能量，在自熱或者接近自熱的條件下進行熔煉。由于使用了高的富氧濃度，在高投料量和高品位冰銅的作業(yè)條件下，大幅提升了爐體的熱負(fù)荷［3］，這對冶金爐窯冷卻系統(tǒng)的設(shè)計也提出了越來越高的要求。為了獲得一個穩(wěn)定的、高強度的爐體冷卻系統(tǒng)，必須要進行合理的銅水套選型和布置。對于側(cè)吹爐而言，風(fēng)口區(qū)的銅水套作為核心部件，其熱面直接與熔體接觸。而且風(fēng)口水套所在區(qū)域為反應(yīng)的核心區(qū)和高溫區(qū)，該部位銅水套應(yīng)保證有足夠冷卻強度，在其熱面形成掛渣保護［4］。目前銅水套的設(shè)計基本上還是經(jīng)驗性的，銅水套內(nèi)部參數(shù)的取得主要是對冷卻壁進行解體調(diào)查后得出的，缺乏理論依據(jù)和預(yù)見性。本文以某側(cè)吹爐為例，利用FLUENT軟件對銅水套冷卻水水溫、銅水套本體溫度場及銅水套的冷卻強度進行仿真研究。

2 側(cè)吹爐結(jié)構(gòu)介紹

隨著熔池熔煉工藝的發(fā)展，目前側(cè)吹爐已成熟的應(yīng)用在高鉛渣還原、銅精礦冶煉和一些其它原料的處理領(lǐng)域［5］。由于側(cè)吹爐具有工藝成熟、能耗低、環(huán)境保護好、投資省、運行成本低等優(yōu)點，側(cè)吹熔煉工藝已逐漸擴展到垃圾焚燒、尾渣綜合利用及含銅危廢多金屬資源綜合回收等領(lǐng)域［6］。

以某側(cè)吹爐為例，爐體自下而上分為爐缸、爐身和爐頂。爐缸為耐火材料砌筑而成，爐身為主要反應(yīng)區(qū)，由銅水套合圍而成。爐料從爐頂加料口落入熔池中，在高溫還原氣氛下，完成氧化或還原反應(yīng)，并在爐缸下部完成金屬熔體和渣的分離。其主要的反應(yīng)集中在爐身銅水套部位，其正常操作溫度在1300℃以上，最高可達1600℃（圖1中紅色區(qū)域），圖1為側(cè)吹爐結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 側(cè)吹爐結(jié)構(gòu)示意圖

爐身水套采用純銅澆鑄而成，內(nèi)部預(yù)埋銅管，管內(nèi)通水冷卻，水套靠熔體側(cè)開有一定寬度和深度的燕尾槽，用于掛渣保護水套，圖2為側(cè)吹爐銅水套簡圖。

圖2 水套結(jié)構(gòu)簡圖

由于爐身水套位于反應(yīng)區(qū)，該水套內(nèi)側(cè)與高溫熔體直接接觸，其正常操作溫度在1300℃以上，最高反應(yīng)溫度甚至高達1600℃。若該部位水套冷卻強度達不到設(shè)計要求，可能導(dǎo)致水套回水溫度過高而汽化，從而銅水套存在被熔體熔穿和熔體泄漏的風(fēng)險。

3 側(cè)吹爐銅水套仿真

利用FLUENT軟件對銅水套內(nèi)冷卻水流動及銅水套傳熱進行數(shù)值模擬，通常包括以下步驟：

（1）建立數(shù)學(xué)模型，具體地說就是要建立反映問題各個量之間的微分方程及相應(yīng)的定解條件。

（2）編制程序進行計算。這部分工作包括計算網(wǎng)格劃分、初始條件和邊界條件的輸入、控制參數(shù)的設(shè)定等。這是整個工作中花時間最多的部分。

（3）計算結(jié)果后處理。以側(cè)吹爐為例，其爐身水套采用的是鋸齒型鑲磚水套，熱面加工有溝槽，來保證有一定厚度的搗打或是凝固的掛渣，如圖2所示。

本節(jié)在理論分析水套傳熱的基礎(chǔ)上，利用CFD軟件對其爐身水套進行仿真分析，主要內(nèi)容包括3個方面：冷卻水回水溫度、水套內(nèi)部溫度場和冷卻強度分析。

3.1 銅水套傳熱分析

側(cè)吹爐內(nèi)熱熔體熱量主要通過對流、熱傳導(dǎo)兩種方式，傳遞到銅水套，最后通過水套內(nèi)冷卻水帶走，從而使銅水套內(nèi)部達到熱量平衡。

銅水套熱傳遞過程如下：

（1）通過對流傳熱，熱熔體將熱量傳遞到水套表面或掛渣表面；

（2）通過熱傳導(dǎo)，銅水套熱面將熱量傳遞到銅水套靠冷卻水管側(cè)；

（3）最后通過對流和導(dǎo)熱，冷卻水將銅水套的熱量帶出。

數(shù)學(xué)表示如下：

λ1、λ2分別為爐渣和銅水套的導(dǎo)熱系數(shù)；d1、d2分別為爐渣和銅水套的厚度；

h水為銅水套內(nèi)冷卻水的換熱系數(shù)；為工藝熱通量；h為熱渣的對流換熱系數(shù)；

T液為熱熔體的溫度；T固為熱渣凝固時的溫度。

3.2 幾何建模及網(wǎng)格劃分

通過Solidworks三維設(shè)計軟件，建立水套模型，并導(dǎo)入到Workbench軟件中，利用軟件自帶的Meshing劃分網(wǎng)格工具，進行水套本體、冷卻水、耐火材料等進行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

圖3 水套模型的網(wǎng)格劃分

3.3 仿真結(jié)果分析

由于銅水套的冷卻主要通過冷卻水的循環(huán)來帶走熱量，而冷卻循環(huán)水在銅水套內(nèi)部為湍流流動，因此采用能量守恒模型和湍流模型。銅水套熱面采用對流換熱邊界，熔體溫度1500℃；銅水套與冷卻水接觸面為強制對流換熱面，仿真結(jié)果如圖4～圖7所示。

圖4 銅水套及鑲磚溫度場

圖7 銅水套內(nèi)部冷卻水溫度場

圖4 、圖5、圖6和圖7分別為水套剖面的溫度場、銅水套本體溫度場、銅水套熱面溫度場和冷卻水溫度場。由圖4所示，耐火磚對銅水套的保護較好，高溫區(qū)主要在耐火磚，銅水套的溫度處于450K以下。如圖5所示，銅水套本體的高溫區(qū)主要在鋸齒型伸出段。進一步的，在圖6中銅水套熱面最高溫度為390K，即117℃（遠低于銅水套本體極限工作溫度300℃），最低溫度為337K，即64℃，熱面溫差53℃，最高溫度區(qū)域處于冷卻水管進出水管之間的冷卻薄弱區(qū)，即沒有冷卻水通過的部位，這說明該銅水套雖能滿足使用要求，但其冷卻水管路徑的選擇仍有優(yōu)化的空間。由于冷卻水在銅管中處于湍流狀態(tài)，其冷卻水溫升在截面上不盡相同，圖7分別給出了2個冷卻水回路的溫度分布，其中回路1最高水溫為341K（68℃），回路2最高水溫為343K（70℃），均低于冷卻水沸點。由CFD-POST后處理軟件提取2個冷卻水回路出口的平均溫度：冷卻水回路1為309.6K（36.6℃），冷卻水回路2為312.7K（39.7℃），水套冷卻強度為92kW/m2?；芈?的冷卻水溫升較回路1的冷卻水溫升高，其值分別為9.7℃和6.6℃，這是因為回路2的冷卻水管較回路1的長，換熱面積更大。

圖5 銅水套內(nèi)部溫度場

圖6 銅水套熱面溫度分布

3.4 不同工況下結(jié)果對比分析

在以上分析模型的基礎(chǔ)上，改變邊界條件，對不同工況條件下的冷卻水回路溫度進行了分析。工況1為冷卻水管徑為DN25，冷卻水流速1.5m/s；工況2為冷卻水管徑為DN25，冷卻水流速2m/s；工況1為冷卻水管徑為DN32，冷卻水流速1.5m/s。

表1 為銅水套在工況1和工況2、工況1和工況3的分析結(jié)果對比表，在冷卻水管徑不變的情況下，冷卻水流速由1.5m/s增加到2m/s，冷卻水回水溫度分別降低了1.4℃和2.5℃，冷卻水供回水溫升分別為5.2℃和7.2℃；在冷卻水流速不變的情況下，冷卻水管徑由25mm增加到32mm，冷卻水回水溫度分別降低了2.6℃和3.5℃，冷卻水供回水溫升分別為4℃和6.2℃。增大冷卻水流速或增大冷卻水管徑，均能提高單位時間的冷卻水通量，從而降低冷卻水回水溫度，有效防止回水溫度局部過高而汽化。通過工況2和工況3對比分析可知，相較于增加冷卻水流速，通過擴大冷卻水管徑對回水溫度的降低效果更顯著。

表1 不同工況條件下分析結(jié)果對比表

4 總結(jié)

利用傳熱學(xué)理論對側(cè)吹爐核心部件銅水套的傳熱機理進行了分析，通過FLUENT軟件對側(cè)吹爐銅水套冷卻水水溫、銅水套溫度場進行仿真研究，并得到了銅水套在特定條件下的冷卻強度。仿真結(jié)果如下：

（1）銅水套熱面最高溫度117℃，熱面最低溫度64℃，熱面溫度遠低于銅水套的使用極限溫度；

（2）當(dāng)熔體側(cè)溫度在1500℃時，銅水套采用雙回路冷卻水設(shè)計，冷卻水溫升分別為6.6℃和9.7℃，冷卻水溫升都在設(shè)計要求的10℃以下；

（3）采用雙回路設(shè)計的銅水套，在熔體溫度達到1500℃時，冷卻強度達到92kW/m2；

（4）通過不同工況的對比分析，通過增大冷卻水管徑，更能顯著降低冷卻水回水溫度。