渣浴熔融还原炼铁工艺可直接使用非焦煤粉和铁矿粉冶炼铁水,具有工艺流程短、生产投资少,能源消耗低、环境污染小等优点,是当代钢铁工业的前沿炼铁技术。气体射流行为及其与熔渣的相互作用是影响渣浴熔融还原过程中诸如熔池流动与混合、冲击坑形态、渣-气界面形态、熔渣喷溅等现象的根源之所在,同时又与整个冶炼过程的动量、热量及质量传递密切相关。由此可见,深入研究渣浴熔融还原过程气体射流行为及其与熔渣的相互作用规律对于熔融还原反应器设计、操作参数优化等具有重要的理论意义和实际应用价值。 本文以年产80万吨的HIsmelt熔融还原炉为研究对象,建立了渣浴熔融还原过程气体射流与熔渣相互作用的三维多相VOF模型。研究了顶吹气体流量、顶吹枪位、熔渣粘度、熔渣表面张力对熔池冲击坑尺寸、熔池流动特性以及熔渣喷溅特征的影响;同时研究了侧吹气体流量、侧吹角度、侧枪浸没深度对熔池流动瞬态特征、熔池均混特性以及渣滴喷溅宏观参数特征的影响,依据数值模拟结果修正了侧吹射流轴线轨迹方程并得到关键控制参数的数学表达式。所得主要结论如下: (1)顶吹气体射流作用下,熔池冲击坑深度和直径表现出震荡性和周期性特征。随顶吹气体流量的增加,冲击坑直径和深度增加;随着顶吹枪位的提高和熔渣的粘度的增大,冲击坑深度和直径逐渐减小。此外,熔渣表面张力对冲击坑尺寸无明显影响。 (2)顶吹气体射流作用下,熔渣喷溅具有瞬态特性。增大项吹气体流量和降低枪位,加强了渣-气界面的波动幅度,使得渣滴喷溅剧烈。相较于熔融还原过程的操作参数,熔渣物性参数的变化对熔渣喷溅的影响相对较弱。 (3)侧吹气体射流作用下,增大侧吹气体流量、侧枪角度、侧枪浸没深度均有利于于增加熔池内部环流的面积,改善熔池流动,同时降低熔池均混时间。侧吹气体流量和侧吹角度对渣滴喷溅轨迹的影响显著,随着侧吹流量的增大,渣滴水平喷溅距离增大,垂直喷溅高度增加。侧吹角度的越小,渣滴水平喷溅距离越大,垂直喷溅高度越低。然而,侧枪浸没深度的变化对熔渣喷溅无显著影响。 (4)通过数值模拟方法提取的不同侧吹条件下气体射流的轴线轨迹与理论推导的气体射流轴线轨迹变化趋势一致。依据数值模拟结果修正了侧吹气体射流无量纲轨迹方程如下yr=1/K1Fr''cos2θe[x3r/6+K2x2r/2-sin2θe/2K1Fr''xr]其中,拟合得到方程中关键参数K1和K2的数学函数表达式为K1=[-0.86+(16.09/uecosθe)2]1/1.50,K2=-14.50/(uecosθe)2+0.03。