硅包氧化精炼过程气液两相流动行为的分析

硅包氧化精炼过程气液两相流动行为的分析

刘瑞

摘要：本文以某硅生产企业为研究背景，对企业中的一台16500kw矿热炉的炉外精炼硅包展开研究讨论，具体分析其在炉外精炼中的气液两相流动行为，研究期间主要运用了模拟仿真分析法和实验分析法，并对硅包进行了优化分析，经过优化，选用11孔进气方案，有效改善了模型流场以及气泡的分布均匀性。

关键词：硅包；氧化精炼；气液两相流动行为

在有机硅、合金及光伏材料的制备原料中都要用到工业硅，工业硅的生产与应用规模受我国经济发展形势的影响也在不断扩大。与大部分国家相比，我国的工业硅与有机硅生产规模相对较大。但是，中国虽为硅材料的主要供应商，却并未在硅行业占据有利地位。在硅行业，面对全球顶尖企业，我国在技术层次、市场竞争以及产量控制等方面仍需提升。因此，优化生产工艺、加强技术水平，是硅行业目前亟待解决的问题。本文主要分析了工业硅氧化精炼过程中的气液两相流动行为，并提出了对应的优化方案，希望能够对业内相关人士有所启发。

一、工业硅炉外精炼简介

工业硅炉外底吹气精炼可以通过氯化、氧化精炼方式实现。前者对硅包中的钙、铝杂质的去除率较高，但是造成的环境污染情况严重，需要进行净化处理，这不但增加了精炼的复杂度，且成本控制效果不佳，现多采用氧化精炼，这种精炼方法可以去除铝、钙、磷和钛等杂质，但是无法去除铁杂质。由于铁杂质会影响工业硅品质，因此需要在精炼中应用造渣工艺。硅包氧化精炼要求合理控制硅水温度（1480℃-1550℃），通氧[（99.999）：80Nm3±20Nm3]，精炼时间不少于半个小时。利用这一方法可以使铝、钙、硼、钛的去除率分别达到90%、95%、20%、10%以上。但是需要注意的是，这项技术要用到氧气与空气，要求对气体的压力及流量进行严格控制，按照规范化流程进行操作。同时，还要加大对出炉硅水的温度控制力度。若是硅水温度偏低，要加大氧气供应量，并添加适量的造渣剂以促使其升温；而当温度过高时，则要增加空气流量，辅以回包硅来降低温度。在硅水温度达到理想状态时，添加回包硅，并隔5分钟加入造渣剂。

二、建立数学模型

（一）研究对象及操作参数

本文围绕16500kW矿热炉的炉外精炼硅包展开模拟、实验分析，其剖面图可见图1。已知条件：氧气与空气的流量比为9:1；气体密度是1.292kg·m-3；粘度是1.919×10-5Pa·s。硅密度是2420kg·m-3；粘度是0.6×10-3Pa·s；表面张力（硅液/富氧）是0.705N·m-1。

图1 硅包尺寸剖面图

（二）网格划分

为保证计算精度和收敛速度符合要求，在网格划分时，要求对模型分块画六面体网格，同时采取局部加密措施，将抬包分为壁面、硅液、空气以及进口四个区域。局部加密方法主要用于壁面和进口区域，总计划分为80万个网格，数值模拟工作用FLUENT15.0软件完成。

（三）数学模型

1.模型假设

第一，气液交界面由自由液面进行处理；第二，硅液初始为1800℃，计算时忽略化学反应、温度改变、能量变化；第三，硅液初始高度为1200mm，忽略渣；第四，底吹进口直径为14mm，气体为空氧混合物。

2.数学模型

描述VOF两相流模型的基本控制方程如下：

连续性方程：

动量方程：

ρ是压力，g为重力加速度，F为控制容积的体积力，v为流体速度，μ为动力粘度。

体积分数：

、分别表示由p相到q相、由q相到p相的质量输送，为q相的体积分数，为第q相的速度，为第q相的密度，为源相，一般设为0。

本文应用RNGk-ε湍流模型对底吹氧化精炼硅包进行分析，该模型不但包含k-ε湍流模型的功能，并且还能在复杂情形下模拟水流问题。应用面函数法或低雷诺数k-ε模型对近壁区及低雷诺数的流动情况进行模拟。

（四）边界条件

入口总数为7，均分布在耐火材料中，其中一个分布在硅包底部中心，另外6个分布在圆周上（以中心为原点，半径为10cm的圆）。进口、出口分别设置为速度进口、压力出口边界条件，进口角度和底面保持垂直关系。进口速度为5.95m·s-1，湍流强度为5.4%，壁面处速度为零。

三、模拟分析

（一）单个气泡在水中上升过程中的分析

根据气泡受力情况进行分析，和其他受力相比，重力非常小，因此可忽略不计。气泡的运动行为与其直径d相关。在水中，静止气泡受浮力作用，逐渐从圆形变成底部凹陷的帽子形状。气泡下表面产生射流，在这一过程中，射流前端会向气泡周围前端靠拢，使射流的长度增加，但无法穿透气泡上表面。在射流达到纵向变化上限后，其会开始进行横向变化。当气体达到自由液面后会产生波，并向周围扩散，此时，波幅随径向的改变会持续降低。通过对比本次的数值模拟结果与国内外权威性的实验研究成果，发现其在气泡运动方面得出的结果具有高度一致性，这证实了本文提出的数学建模在分析硅包底吹气的气液相流方面的可行性。

（二）流体动力分析

硅液流动的主要动力为底吹富氧的浮力，在气体动量传递的作用下，周围硅液、硅包底部的硅液都会向上流动，向自由液面靠拢，和壁面相近的硅液则会向下流动。因此，硅包内会出现两个封闭循环区域，且具有对称性特点。

随着高度不断提高，硅包横截面的整体速度也会提高，这主要和气体做功相关。在半径为400mm的截面上，液体翻滚程度最为显著，这和自由液面处的液体流动迹线比较一致。在同一截面中，随着波的径向传播，其会产生流体内摩擦，出现动能和热能的转化过程，在这一能量变化的影响下，速度会持续下降，壁面速度最低。

（三）气体含量分析

在t=5s时，选取包内多个高度的水平截面进行分析。硅包底部包括7个进口，和进口距离较小时，进口气体会出现聚集现象，碎破率较小，多出现在硅包上层。由此看来，在硅包氧化精炼阶段，气相聚集在硅包上层，且该处的熔体搅拌强度最高，硅液的高效反应区也分布于此处。

四、实验及数据分析

（一）实验装置

应用有机玻璃硅包模型进行实验，模型与原型转炉之比为1:3。实验设备示意图如图2所示。

图2 水模型试验装置图

（二）实验条件

空白对照组：水深为414mm，无底吹。实验一组：底吹流量（1.1Nm3/h）、底部供气元件的分布方式（11孔）不变，以液面高度为自变量进行分析。实验二组：底部供气元件的分布方式（11孔）、液面高度（414mm）不变，以底吹流量为自变量进行分析。实验三组：底吹流量（1.2Nm3/h）、液面高度（414mm）不变，以进气位置分布方式为自变量进行分析。每组实验均重复三次，并利用三组数据的平均值进行实验分析。

（四）对比结果分析

根据对比分析发现，底部进气分布方式为11孔，底吹流量为1.2Nm3/h，液面高度为414mm时，模型混合效果最优。

总结

综上所述，本文在分析硅包氧化精炼过程的气液两相流动行为时，综合运用了模拟分析与实验分析方法，总结了气液两相流动行为的相关规律，并提出了优化方案，可以优化模型流程，改善气泡分布效果。

参考文献：

[1]袁建都,冯亮花,郭柄君,王硕,水玺琛.不同侧吹参数下RH内气液两相循环流动模拟研究[J].特殊钢,2023(4).

[2]魏文君.基于低秩表示和RPCA的气液两相流图像中气泡分离及运动过程研究[D].2022.

[3]李吴昊.基于超声多普勒技术的气液两相流流型识别与流速测量[D].2022.