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炼铜闪速炉熔炼过程的数值分析与优化

作　者: 李欣峰
导　师: 梅炽
学　校: 中南大学
专　业: 热能工程
关键词: 闪速熔炼数值仿真预测优化 CFD
分类号: TF811
类　型: 博士论文
年　份: 2001年
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内容摘要

铜闪速熔炼是一种多操作变量、多种过程强耦合的炼铜工艺，在该熔炼过程中，一方面各种原料的物相成份、燃料的化学成份、操作参数都处于变动状态，另一方面，气体或熔体流动、发热和吸热、同相与异相之间的传热以及化学反应等过程都彼此互为条件，互相强烈影响。随着铜闪速熔炼过程指标要求的提高，对铜闪速熔炼过程进行数值分析与优化就显得日趋重要。对铜闪速熔炼过程进行数值分析与优化的具体目的就是提高产量，降低烟尘率与燃料消耗。本文通过对铜闪速熔炼系统与过程的详细研究，针对铜闪速炉内部的冶金过程的特点，利用计算流体力学、计算传热学与计算燃烧学的知识，建立了对铜闪速炉内的气流流动、传热、燃烧、传质和精矿颗粒的轨迹、温度、化学反应以及它与气体的传热、传质进行分析的数学模型，并利用商业软件为基础，开发出了铜闪速熔炼仿真系统。在开发铜闪速熔炼仿真系统过程中，作者对二维铜闪速炉进行了仿真计算，得到了反应塔内部温度、浓度和颗粒轨迹趋势图，并对不同位置、不同粒径颗粒在反应塔内部运动中的温度变化进行了分析，还指出了不同颗粒粒径、位置分布对颗粒温度的影响，同时对计算过程中提高收敛速率提出了多种策略。本文对我国引进的第一台闪速炉——贵溪冶炼厂铜闪速炉进行了仿真分析，通过仿真，得到了一系列的可以用来指导生产的数据，指出了铜闪速炉烧顶的原因，还得到了颗粒分散情况以及对颗粒温度、氧化的影响以及颗粒对壁面的影响；同时，通过仿真计算对比了110t·h^-1与125t·h^-1精矿量在高温区范围上的不同以及对生产的影响，确保了安全高效的将生产能力从110t·h^-1提高到125t·h^-1，并降低了闪速炉的烟尘率。本文还对金隆公司铜闪速炉的现行工况进行了仿真分析与现场测试，测试结果与仿真结果相符，验证了模型的可靠性。同时，针对金隆公司提出的将精矿处理量从65t·h^-1提高80t·h^-1进行了预测，并提出了最佳的工艺风中氧气浓度、分散风速度与中央氧气比例等操作参数。

全文目录

第1章绪论  9-14
  1．1 现代铜熔炼工艺、理论和研究方法  9-10
  1．2 铜闪速炉发展现状和存在问题  10-11
  1．3 数学模拟技术在冶金中的作用  11
  1．4 数学模拟研究技术的发展和现状  11-12
  1．5 本研究工作的内容  12-14
第2章铜精矿的奥托昆普闪速熔炼  14-29
  2．1 概述  14-15
  2．2 奥托昆普闪速炉结构  15-19
    2．2．1 闪速炉的外形结构  15-17
    2．2．2 闪速炉炉体主要部位的结构  17-19
      2．2．2．1 闪速炉反应塔  17
      2．2．2．2 闪速炉沉淀池  17-18
      2．2．2．3 闪速炉上升烟道  18-19
  2．3 奥托昆普闪速熔炼的精矿喷嘴及其发展  19-23
    2．3．1 文丘里型精矿喷嘴  19-20
    2．3．2 中央喷射扩散型精矿喷嘴  20-23
  2．4 奥托昆普闪速熔炼中富氧的应用  23
  2．5 奥托昆普闪速炉熔炼烟气的降温除尘  23-25
    2．5．1 废热锅炉  24-25
    2．5．2 烟气除尘  25
  2．6 奥托昆普闪速熔炼的计算机控制  25-26
  2．7 奥托昆普闪速炉直接炼铜  26-29
第3章闪速炉炼铜中气粒两相湍流流动与燃烧  29-56
  3．1 湍流流动的特点  29-30
  3．2 反应流基本方程和湍流运动时均方程组  30-33
  3．3 湍流流动模型  33-39
    3．3．1 湍流粘性系数模型  33-37
      3．3．1．1 湍流粘性概念  33-34
      3．3．1．2 混合长度模型  34-35
      3．3．1．3 单方程模型  35-36
      3．3．1．4 k~（-ε）双方程模型  36-37
    3．3．2 雷诺应力方程模型  37-39
      3．3．2．1 雷诺应力的微分方程模型（DSM）  37-38
      3．3．2．2 雷诺应力的代数方程模型（ASM）  38-39
  3．4 湍流气固两相流动模型  39-47
    3．4．1 气固两相流动的特点  39-41
      3．4．1．1 流动类型  39
      3．4．1．2 颗粒尺寸及其分布规律  39-40
      3．4．1．3 表观密度和体积分数  40
      3．4．1．4 颗粒阻力、传热传质与反应  40-41
    3．4．2 气固两相流动的基本方程  41-44
    3．4．3 单颗粒动力学模型  44
    3．4．4 小滑移模型  44-45
    3．4．5 无滑移模型（单流体模型）  45-46
    3．4．6 颗粒轨道模型  46-47
  3．5 湍流气相燃烧模型  47-52
    3．5．1 简单化学反应系统和混合分数  48-49
    3．5．2 湍流扩散火焰模型  49-50
    3．5．3 湍流预混火焰模型  50-52
  3．6 铜精矿的燃烧化学反应  52-54
  3．7 辐射  54-56
第4章闪速炉应塔内四场耦合二维仿真  56-73
  4．1 数值仿真模拟的基本过程  56-57
  4．2 铜闪速炉反应塔内部的基本二维模型  57-60
    4．2．1 气粒两相流动动力学模型  57-59
      4．2．1．1 气相方程  57-58
      4．2．1．2 颗粒相传输方程  58-59
    4．2．2 颗粒的化学反应研究  59-60
    4．2．3 气相燃烧反应  60
  4．3 对商业软件CFX的二次开发  60-63
  4．4 铜闪速炉反应塔二维仿真与颗粒群温度变化分析  63-69
    4．4．1 边界条件以及网格划分  63-64
    4．4．2 计算结果及颗粒群温度变化分析  64-69
  4．5 数值计算过程中加速收敛的若干策略  69-72
    4．5．1 欠松驰因子的选用  69-70
    4．5．2 假时间步长因子的设置  70
    4．5．3 网格大小的选择  70-71
    4．5．4 边界条件处理对计算收敛和精度的影响  71
    4．5．5 加速收敛的求解策略  71-72
  4．6 本章小结  72-73
第5章贵溪冶炼厂铜闪速炉三维仿真研究  73-91
  5．1 前言  73
  5．2 计算网格划分  73-76
  5．3 基本方法  76-77
  5．4 基本工况与边界条件  77-79
  5．5 计算结果分析  79-89
    5．5．1 速度矢量场分析  79-80
    5．5．2 温度分布场分析  80-84
    5．5．3 浓度场分析  84-85
    5．5．4 颗粒轨迹分析  85-89
  5．6 计算结果的可靠性验证  89-90
  5．7 本章结论  90-91
第6章金隆冶炼厂铜闪速炉三维仿真、预测与优化试验  91-107
  6．1 金隆公司铜闪速炉特点和仿真必要简化  91-92
  6．2 金隆闪速炉目前工况仿真研究与验证  92-98
    6．2．1 仿真基本方法  92
    6．2．2 边界条件  92-93
    6．2．3 计算结果分析  93-97
    6．2．4 计算结果现场验证  97-98
  6．3 金隆铜闪速炉提高生产能力的预测  98-101
    6．3．1 预计工艺参数与边界条件  98-99
    6．3．2 80t·h~（-1）工况闪速炉内部各场预测  99-101
  6．4 金隆铜闪速炉的仿真寻优试验  101-106
    6．4．1 分散风影响仿真试验  101-103
    6．4．2 中央氧气比例影响仿真试验  103-105
    6．4．3 提高工艺风富氧浓度仿真试验  105-106
  6．5 本章小结  106-107
第7章结论  107-110
参考文献  110-115
攻读博士学位期间发表论文  115-116
致谢  116

炼铜闪速炉熔炼过程的数值分析与优化

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