面向金属冶炼的扒渣机系统扒渣铲与锌液流体仿真研究开题报告

 2020-02-18 07:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

1目的及意义(含国内外的研究现状分析)

1.1研究背景

随着近30年来经济的高速增长,中国的铅锌冶炼行业也得到了迅速发展,中国铅锌消费也在迅速增加,成为世界第一大锌消费国,第二大铅消费国,铅消费量仅次于美国。据统计,2004年中国锌消费量大于产量,首次成为进口量大于出口量的国家,这些都体现出锌在生活中的巨大作用。如今锌这种金属材料在人们日常生活中随处可见,成为第四“常见”金属,仅次于铁、铝、铜。

由于其广泛的用途和巨大的消费量使得工业上对于锌锭的生产率以及纯度要求更加严格。但由于锌锭在浇铸过程中会产生氧化物锌皮(锌液表面熔锌与空气直接接触形成的锌渣 ZnO,其密度较小,会浮在锌液表面形成浮渣),必需要在液体状态下进行扒渣处理,否则不仅会影响锌锭的表面质量,降低锌锭的纯度,而且还会由于质量问题产生废品,让企业损失巨大。

然而目前国内铅锌行业的浇铸环节的的扒渣主要采用人工形式,不仅效率不高,而且由于工作时间长,劳动强度大,扒渣现场环境恶劣,严重影响工人的身心健康,使得愿意从事此行业的工人极为短缺,而且不正确的除渣动作还会在捞渣时不可避免地带走大量的锌,降低锌锭的生产率。截止2016年11月调研结束时为止,国内尚无自动扒铅锌渣皮装置。本研究主要针对自动扒渣系统中扒渣铲与锌液相会作用进行分析,从流体的角度分析其相互运动的状态。

前人在对锌锭模中流场进行研究时, 早期多采用实验设备模拟的方法。但这种方法因需要忽略如温度场和浓度场在内的诸多因素,而在准确性上有很大的局限性。不过近年来,数值模拟在研究中的应用使人们对锌锭模内锌液的状态有了直观的认识。而且数值模拟成本低、数据全和精确度高,已经使其成为了科研和实际应用里最常用且较可靠的手段。而在所有计算流体分析软件中,FLUENT以其优越的性能为众人所知。其优点有:

(1)适用面广

包括各种优化物理模型,如计算流体流动和热传导模型 (包括自然对流、定常和非定常流动,层流,湍流,紊流,不可压缩和可压缩流动,周期流,旋转流及时间相关流等 ) ;辐射模型,相变模型,离散相变模型,多相流模型及化学组分输运和反应流模型等。

适用范围广,FLUENT含有多种传热燃烧模型及多相流模型,可应用于从可压到不可压、从低速到高超音速、从单相流到多相流、化学反应、燃烧、气固混合等几乎所有与流体相关的领域;

(2)高效省时

Fluent将不同领域的计算软件组合起来,成为CFD计算机软件群,软件之间可以方便地进行数值交换,并采用统一的前、后处理工具,这就省却了科研工作者在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动,而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上。

(3)稳定性好精度高

对每一种物理问题的流动特点,有适合它的数值解法,用户可对显式或隐式差分格式进行选择,以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。经过大量算例考核,同实验符合较好,可达二阶精度。

基于FLUENT的优点,所以在本研究中使用fluent进行流体分析。

图1为近年来出现的与锌锭模类似的铝锭模的自动扒渣装置简图。


1 自动扒渣装置简图


1.2研究目的

通过使用仿真分析软件FLUENT研究锌液在锌盘中的流动状态,锌液表面及其氧化物在不同几何尺寸、形貌特征、表面状态、运动位置状态的扒渣铲作用下的流动状态,从而为去除锌锭在浇铸中产生的氧化锌渣皮提供改进的方案,提高企业经济效益。

1.3研究意义

1)可以减少工作人员的劳动强度

目前国内铅锌行业的冶炼方法已经趋于成熟,但是在处理在浇铸过程(例如锌锭)中产生的氧化物锌皮上,国内铅锌行业浇铸环节的扒渣主要还是采用人工形式,工人工作时间长,劳动强度大,这不仅严重影响了工人的身心健康,使得愿意从事此项工作的工人极为短缺,所以采用自动化装置来进行扒渣是十分有必要的。

2)有利于提高锌锭生产率,降低成本

由于不正确的除渣动作和捞渣次数会在捞渣时不可避免地带走大量的锌,还会造成锌渣的生成,而自动化的扒渣装置可以保证捞渣动作、扒渣次数、扒渣速度等因素的正确,可以将自身的错误率降至最低,有利于提高锌锭生产率。

3)促进锌锭生产机械化,填补研究空白

目前锌锭浇铸环节的扒渣主要还是采用人工形式,且国内关于这方面的研究很少,所以该项目对于扒渣铲与锌液的仿真研究,为自动扒渣皮装置的研究与设计,提供了一份力量,有利于提高我国在冶金领域中的国际竞争力。

1.4国内外研究现状

由于国内外对锌锭模自动扒渣皮装置研究较少,而对于热镀锌锅的除渣设备研究较多,而这两种设备之间具有相似性,可以互相借鉴。

1.4.1国外研究现状

在欧美日韩一些镀锌企业,利用探入锌锅中的自动除渣装置捞取炉鼻附近和 V 形区的浮渣,这是最直接有效的一项措施,例如: 韩国浦项制铁已经在使用 LIEBE 公司开发的机器人除渣设备,日本新日制铁采用 NACHI 研发的机器人进行除渣,但都存在除渣效率不高、夹具易损坏等技术问题,因此,除渣设备技术没能得到推广。

1.4.2国内研究现状

与国外除渣设备类似,国内也有企业将机械装置用于除渣作业,但由于国内对冶金类除渣技术的研究起步较晚,设备大都比较简陋、除渣效率低且需要较多的人工干预,因此,目前在各大中型钢铁厂热镀锌生产线上仍常采用人工定时除渣的方法。人工除渣存在的问题如下:由于环境恶劣、劳动强度大,因此容易造成安全事故,而且不正确的人工除渣动作可能会引起锌液的较大波动,造成镀锌产品质量问题。2016 年宝钢集团借鉴“工业 4.0”和“中国制2025 计划”的理念打造智慧钢铁,决定在几条连续热镀锌生产线上尝试使用除渣设备,但是没有可以借鉴的相关技术。虽然宝钢曾引进日本除渣设备,但由于种种原因未正常投入使用,国内也尚无钢铁企业成功采用机器人除渣的先例,另外,由于国外对中国的技术封锁,因此国内还未有研发成功的案例。为此,宝钢从热镀锌锅内渣体分布规律着手进行研究,开发了连续热镀锌生产线锌锅内除渣设备,并于2016 年开始在宝钢2030热镀锌生产线上进行了应用。从宝钢现场应用效果看,除渣设备的除渣率在80%以上。

宝钢除渣设备的成功研制说明了流体仿真技术在模拟热镀锌锅内渣体分布规律时的准确性,这也为使用流体仿真来研究锌液在锌盘中的流动状态,锌液表面及其氧化物在不同几何尺寸、形貌特征、表面状态、运动位置状态的扒渣铲作用下的流动状态提供了事实依据。


2. 研究的基本内容与方案

2研究的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1研究内容及目标

本课题主要研究内容有:

1)建立数值模拟模型

2)对锌液及其氧化物在扒渣铲作用下的流动状态进行仿真研究

3)对仿真结果进行分析,提出改进方案

2.1.1数值模拟模型的建立

主要工作有:

(1)确立锌锭槽及扒渣铲主要尺寸

(2)根据实际情况对其进行合理的假设和简化

(3)利用建模软件完成其虚拟模型的建立

(4)利用ICEM对模型进行网格的划分

2.1.2 对锌液及其氧化物在扒渣铲作用下的流动状态进行仿真研究

主要工作有:

(1)完成对数值模拟模型中参数的设置

(2)对在初始条件下的模型进行仿真

(3)对在改变了某一条件的环境下的模型进行仿真

2.1.3 分析仿真结果

主要工作有:

(1)对比分析不同条件对扒渣铲除渣能力的影响

(2)对扒渣铲提出改进方案

2.2拟采用技术方案及措施

2.2.1材料特性

锌锅中材料的大致物性参数如图



图2 材料物性参数

2.2.2模型建立

利用CAD或SolidWorks建模软件建立出扒渣铲以及锌槽的大致模型,根据实际情况对其进行合适的简化,将其保存为parasolid格式。然后,将其导入到ICEM进行网格划分,在确认网格质量合格之后,模型建立完毕。

2.2.3流体仿真方案

由于采用实验设备模拟的方法成本比较高,所以采用流体仿真的方法对扒渣过程进行模拟,可以节约人力物力,且仿真结果和实际结果相差不大。

现阶段大致的流体仿真方案为:将其扒渣过程近似处理为固液两相流动,将氧化锌渣皮视为微粒的聚合体,利用fluent中的多相流对其进行模拟,得到锌锅中锌渣的分布情况。

首先按照实际情况进行仿真,得到一份原始数据;然后对在不同几何尺寸、形貌特征、表面状态、运动位置状态的扒渣铲作用下的锌液表面及其氧化物的流动状态进行多组数据仿真。

2.2.4结果分析

将所得的数据与原始数据进行对比分析,得到不同因素对扒渣铲扒渣能力的影响。在将其与实际情况比较,确认结果的正确性。在根据研究结果为扒渣铲的设计提供参考方案。

3. 研究计划与安排

3进度安排

时间

工作内容

第01-03周

1.检索、阅读相关国内外文献;

2.了解项目研究国内外现状;

3.翻译相关英文文献;

4.撰写开题报告

第04-06周

1.制定合适的仿真方案;

2.验证仿真方案的可行性;

3.确定真实可靠的方案

第07-09周

1.根据实际情况对模型进行简化;

2.根据实物进行建模;

3.对模型进行网格划分

第10-12周

1.运用fluent进行多次仿真实验;

2.对实验结果进行分析,得出结果并与实际情况进行比较,确认结论的真实性

第13-15周

1.撰写论文;

2.对论文整体进行排版,查重;

3.制作答辩PPT;

4.准备毕业设计答辩

4. 参考文献(12篇以上)

4参考文献

  1. f. ajersch,f. ilinca and j.-f. heacute;tu,three-dimensional numerical simulation of turbulent flow and heat transfer in a continuous galvanizing bath,numerical heat transfer, part a, 44: 463–482, 2003.

  2. a. pareacute;, c. binet, and f. ajersch, numerical simulation of 3-d flow in a continuou strip galvanizing bath, in iron amp; steel society (ed.), galvatech’95, pp. 695–706,1995.

  3. 刘池.热镀锌锅内流动、传热及组分运输规律研究[d].武汉: 华中科技大学,2013.

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