铁合金用摇包反应器内渣金两相运动的基础研究

With the scaling up of submerged arc furnace for ferroalloy, the assorted shaking ladle reactor needs larger volume. At present the design of large shaking ladles and optimization of process of smaller ones remain in pilot and the related theories could not meet the requirements. In this proposal the movement of two-phase flow is investigated about the behavior of emulsification and separation of slag/metal in a shaking ladle. The dependency of size, rotating rate, eccentricity and physical chemical properties of simulating agents on the movement of two-phase flow is determined by room temperature simulating experiments. The time effect for a transitional state of scrolling mix of liquid/liquid phases is studied by laser velocimeter. Thus the required time for homogenization and separation of slag/metal with different equipments and process parameters is determined. Meanwhile, the slag/metal interfacial tension under various conditions is measured by high temperature sessile drop method and the interfacial mass transfer accompanied by Marangoni effect is investigated in order to primarily explore the law of movement of two-phase flow caused by variation of physical properties and interfacial properties of slag/metal. The theoretical guide for the design of ladles and optimization of process is provided according to similarity scaling-up theory and results from simulation experiment and calculation, improving reaction engineering of shaking ladles.

随着铁合金用矿热炉大型化的发展，与此配套的摇包反应器须增大容积。目前，大型摇包设计与中小型摇包工艺优化皆停留在现场试验法阶段，与摇包有关的理论尚不能满足摇包反应器设计与优化的需要。本研究围绕摇包内渣/金"乳化"和"分相"行为，对摇包反应器内两相流体运动规律展开研究。通过冷态模拟试验确定摇包尺寸、转速、偏心距及冷态介质物理化学性质与两相流体运动的关系，并采用激光测速仪研究冷态下摇包内液液两相发生卷混"临界状态"的时间效应，以确定不同设备与工艺参数下渣/金混匀与镇静分离所需的时间。同时，采用高温座滴法测量不同条件下渣金界面张力的变化，建立伴有Marangoni效应的相际传质动力学，以初步探讨渣金物性参数及界面性质变化所引起的渣金两相运动的变化规律。最后，依据摇包反应器的相似放大理论，应用冷态模拟实验结论与数值模拟计算结果为现场摇包设计与工艺优化提供理论指导，完善摇包反应工程学。

随着铁合金用矿热炉大型化的发展，与此配套的摇包反应器须增大容积。目前，大型摇包设计与中小型摇包工艺优化皆停留在现场试验法阶段，与摇包有关的理论尚不能满足摇包反应器设计与优化的需要。本研究通过冷态模拟试验对摇包内流体运动特征尤其是两相流的混合与分离行为进行研究，旨在为铁合金企业提供必要的可供借鉴的理论，并对流体在摇包这一特殊工况条件下运动过程中产生的科学问题进行研究。.研究表明：（1）摇包内单相流体运动表面流型还存在另一种临界状态，即马鞍面旋转阶段。摇包内两相液体流型可以分为三类：界面平摆流型、界面荷叶状流型和界面卷混流型。荷叶状临界转速与卷混临界转速都随着摇包直径、偏心距和重相密度等几个因素的增大而减小，随着重相高度、两相高度差、轻相粘度、重相粘度和两相密度的增大而增大。（2）荷叶状流型中，自由表面波的周期与摇包转动的周期相同，界面波动的周期为摇包转动周期的两倍，可以称为一种由偏心旋转引起的两个液相中的新型的法拉第界面波。（3）使用高频动态压力传感器测量摇包摇动过程中包底压力变化，得到不同工况条件下包底的压力分布图。研究表明：随转速增大，摇包内的流体运动状态从波动旋转转变为流动旋转。运动状态转变后，包底中心压力与转速的关系曲线的斜率会发生突变，可以作为摇包内流体波动旋转与流动旋转转变的判据。(4)提出混合强度判据判定新标准来判断混匀终点。基于混合时间测量，重新定义了混合时间临界转速，并研究了各种工况对混合时间临界转速的影响，发现混合时间临界转速随着熔池深度的增大而增大，随着偏心距的增大而减小。（5）混合液分相实验发现，通过摇包的低速摇动，可以促进渣相中金属液滴的聚集长大，加快重相的沉降，从而比静置分相更快实现“相分离”。(6) 使用P204萃取硫酸钴溶液体系研究传质引发马拉戈尼流动对混合过程影响，发现由传质引起的马拉格尼流动在一定程度上可以加快液液两相流体混合。(7)采用量纲分析得出油水两相发生卷混的临界转速经验公式，该公式可用于小型摇包操作参数放大设计中。