铜闪速炉无砖反应塔内壁挂渣数值模拟

摘要

无砖反应塔是闪速熔炼炉反应塔的最新进展,其特点是采用主动挂渣手段,在反应塔内壁形成一定厚度的挂渣,取代传统的砖质内衬。无砖反应塔塔体由钢板炉壳构成,钢壳内壁焊接钢钉,用于支撑挂渣层;塔外采用喷淋方式进行冷却。无砖反应塔内壁挂渣状况直接影响到炉体寿命的长短、热损失的大小以及生产作业的安全。因此,开展闪速炉无砖反应塔内壁挂渣数模仿真研究,揭示内壁挂渣形成规律,对促进该项国际先进技术的国产化以及推进闪速冶金的节能降耗,具有现实的理论意义和应用价值。
　　论文基于传热学理论,研究建立了闪速炉无砖反应塔内壁挂渣数学模型,并采用COMSOL仿真平台,对闪速炉无砖反应塔内壁挂渣进行仿真,探索了各种工艺参数对内壁挂渣形成的影响。主要研究内容如下:
　　基于质量守恒定律和能量守恒定律,构建了闪速炉无砖反应塔物料衡算和热量衡算模型,根据熔炼物料组成和工艺条件计算闪速炉反应塔烟气温度,并借助COMSOL化学反应工程模块,将其以热源形式添加到无砖反应塔温度场计算模型,为考察物料组成对闪速炉无砖反应塔内壁挂渣的影响奠定基础。
　　基于COMSOL仿真平台,利用传热模块和动网格功能,实现了无砖反应塔炉内烟气、挂渣、炉壁及喷淋冷却水等传热介质之间的热量传递,构建了无砖反应塔热-流-固三场耦合模型,成功实现了闪速炉无砖反应塔温度场和内壁挂渣的实时动态展现。
　　对无砖反应塔内壁挂渣形成规律进行了研究,考察了挂渣熔化温度、烟气温度、物料组成、吨矿氧量、喷淋冷却水温度以及无砖反应塔结构参数(炉壁厚度,钢钉长度、粗细及间距)对内壁挂渣厚度的影响,结果表明:
　　1、内壁挂渣和炉外冷却水喷淋是保护闪速炉无砖反应塔壁不受高温侵蚀的主要举措,具有一定厚度的挂渣和强烈流动的冷却水是无砖反应塔安全生产的重要保障。
　　2、挂渣熔化温度对挂渣厚度的影响显著,在其他条件不变的情况下,挂渣厚度随挂渣熔化温度的升高而增厚。
　　3、配备组成合理的物料、控制合理吨矿氧量,避免反应塔烟气温度过高,对获得一定厚度的挂渣很重要。
　　4、无砖反应塔结构参数对挂渣有一定的影响,尤其钢钉的间距对挂渣影响显著。因此,在设计闪速炉无砖反应塔时,考虑挂渣对钢钉机械作用的同时,还应从热力学角度考虑钢钉的布局。
　　研究成果对闪速炉无砖反应塔内壁挂渣的生产实践和操作优化提供了理论依据。

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第一章 文献综述

1.1 铜熔炼技术的发展

1.2 反应塔技术发展及研究状况

1.3 COMSOL及其在冶金中的应用状况

1.4 论文研究意义及主要内容

第二章 铜闪速炉无砖反应塔物料与热量衡算模型

2.1 模型总体架构

2.2 基本参数计算

2.3 物料衡算模型

2.4 热量衡算模型

2.5 本章小结

第三章 铜闪速炉无砖反应塔内壁挂渣数学模型

3.1 数模整体结构

3.2 物理模型

3.3 热传导数学模型

3.4 网格划分

3.5 边界条件

3.6 材料参数确定

3.7 本章小结

第四章 铜闪速炉无砖反应塔内壁挂渣多因素耦合仿真

4.1 挂渣熔化温度对内壁挂渣厚度的影响研究

4.2 烟气温度对内壁挂渣厚度的影响研究

4.3 物料组成对内壁挂渣厚度的影响研究

4.4 吨矿氧量对内壁挂渣厚度的影响研究

4.5 喷淋冷却水温度对内壁挂渣厚度的影响研究

4.6 无砖反应塔结构参数对挂渣厚度的影响

4.7 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果