Numerical simulation of free surface vortex in 150 t ladle and turbulent model choice
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摘要: 钢包在非稳态浇注过程中易形成旋涡，导致钢渣及空气的大量卷入，严重危害了钢的质量.为了更好的研究旋涡，采用ANSYS CFX软件，分别采用k-ε和RNG k-ε 2种湍流模型对钢包非稳态浇注过程中自由表面旋涡进行数值模拟，得到自由表面从表面旋转到旋涡贯通水口的演化过程，将两者的计算结果与相关文献以及Burgers涡模型进行相互对比，得到：两者计算的旋涡演化过程、旋涡产生临界高度无差别；两者的速度场与相关文献均一致，但RNG k-ε模型更真实的表现了旋涡的剪切流动；将两者的切向速度分布与Burgers涡对比，得到RNG k-ε湍流模型与理论模型更加吻合.综上：用RNG k-ε湍流模型计算自由表面旋涡更加正确合理.Abstract: During the unsteady teeming, it is easy to form vortex in ladle which leads to a large amount of slag and air entrapment resulting in deteriorating the quality of steel. To research the formation of vortex, the numerical simulation of free surface vortex on teeming process in ladle using κ-ε and RNG κ-ε turbulent models are carried out with the commercial software of ANSYS CFX. The process of free surface vortex, which is from rotation of free surface to vortex through the nozzle, is numerically simulated. The calculation results of two kind of turbulent models show no difference between the two of the evolution process of vortex and critical heights. The two velocity profiles are consistent with the relevant literature, but RNG κ-ε demonstrates the shear flow of vortex more authentically. By comparing the two tangential velocity distributions with Burgers vortex model, it is found that RNG κ-ε calculation result is much better consistent with theoretical model than κ-ε model. As a consequence, RNG κ-ε turbulent model is better in calculation of free surface vortex.
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Keywords:
- ladle /
- free surface vortex /
- numerical simulation /
- turbulent model
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0 前言
紫金山金矿位于福建省上杭县境内的紫金山上。紫金山山势崎岖险峻, 地形复杂, 海拔1000多m。紫金山金矿是一个地采转露采的特大型黄金矿山。2003年采剥总量为1698多万m3。采矿总量为590多万m3, 年产黄金约9, 5t, 是全国最大单体黄金矿山。紫金山金矿采用平峒溜井开拓运输方式, 全矿共应用6条溜井溜放矿石, 溜井下口标高皆为520m.井深分别为250~380m。6条溜井自2001年12月至2003年3月陆续投入使用至2003年年底。全矿共发生溜井堵塞301次。一旦发生溜井堵塞, 如何安全快捷进行疏通, 及时恢复生产, 减少溜井堵塞带来的经济损失, 这是个重要问题。认真研究疏通技术, 寻求合理的疏通办法, 对于紫金山金矿生产安全和提高经济效益都有极其重要的意义。
1 溜井堵塞情况
紫金山金矿溜井堵塞, 按堵塞部位分为底部溜口堵塞和井筒堵塞, 井筒堵塞又分为上段和下段堵塞, 至2003年年底, 全矿共发生堵塞301次, 其中溜口、上段、下段堵塞次数分别为204次、51次、46次。所占比例分别为堵塞总次数的68%、17%、15%;按造成堵塞的原因, 可分为大块堵塞、粉矿结拱及其组合的粉矿堆积—大块堵塞三类。三类堵塞次数分别为48次、15次、238次, 所占比例分别为16%, 5%, 79%。
2 堵塞后疏通的工作程序
溜井一旦建成投产, 堵塞是不可避免的。溜井生产管理既要重视堵塞的预防, 更要研究堵塞后的疏通技术, 堵塞后须安全快捷进行疏通, 及时恢复生产。经过反复应用实践, 处理溜井堵塞的工作程序应按以下三个步骤进行。
(1) 摸准堵塞部位。要处理堵塞, 首先要弄清堵在哪里, 具体定位堵塞处的高程范围。弄清堵塞部位的方法主要有五类:①简易测算法—按入井与输出矿量调度记录及溜井断面进行计算, 可大致确定堵在哪里。②实际观察法—有检查天井、检查平巷, 实际进行查看。③测量法—包括井口吊绳线实测、溜井下部施放氢气球实测等。④推算判断法—按溜井有不合理结构处分析判断堵在哪里。⑤排除法—上述方法综合, 逐段排除上段、下段, 可判断得出在中段堵塞。总之, 可采取多种方法量测和确定溜井堵在哪里。
(2) 弄清堵塞原因。在摸准具体的堵塞部位后, 通过分析、判断和生产实际情况记录、气象与降雨记录等, 弄清属大块堵塞、粉矿结拱堵塞还是粉矿堆积一大块复合型堵塞, 不同的堵塞类型用不同的处理方法方可奏效。
(3) 因地制宜地确定处理方法。不同类型的堵塞适用不同的处理方法, 不同方法处理的效果差别很大。判断出堵塞部位后, 要因地制宜、针对性地选用安全、有效的处理方法。
3 堵塞后的疏通方法
国内同类矿山常用溜井堵塞的疏通方法主要有4种[1], 见表 1。
表 1 常用疏通方法对比表
紫金山金矿6条溜井井深分别为250-380m, 段高60~80m, 大都无疏通副井。参考国内同类矿山经验。结合不同堵塞情况, 运用以下几种方法疏通效果明显。
3.1 一般爆破法
用爆破法处理堵塞故障是最常用、最有效的方法。从爆炸力学原理分析, 炸药爆炸产生的地震应力波转化为空气中的冲击波、甚至在炸药本身内的爆轰波都得到不同程度的利用来处理堵塞、疏通溜井。广泛用于处理大块堵塞、粉矿堆积一大块复合型堵塞最有效, 对粉矿结拱类用爆破破坏拱脚亦有效。该矿有5条溜井多次在放矿口进行小药量爆破。对于井筒段堵塞.利用有些原地采时留下的平巷来运送炸药, 条件合适的开掘小段联络巷道运送炸药, 进行爆破处理, 都达到疏通目的。爆破法处理堵塞特别应注意的是防爆破震害, 严格控制用药量.特别是放矿溜15要保护振动放矿机、溜15上眉线和底板等设施不受危害; 同时, 该矿402#, 403#、801#溜井770m标高以上井筒通过地段为软弱松散的工程地质岩组, 应控制药量防爆破引起井壁损坏导致井壁塌方。
3.2 接杆举药爆破法
接杆举药爆破法有3种提杆方式, 见表 2。
表 2 接杆举药法三种不同提杆方式的优缺点
接杆举药爆破法是通过提杆将整体装置上升至爆破点进行固定, 然后用细钢丝通过滑轮将药包提送到位进行爆破。接杆举药爆破法主要运用于溜井中间部位堵塞的疏通。
该矿402#、403#溜井, 井深特别大, 溜井下15标高为520m.上口开始使用时标高分别为892m和900m, 井筒上段共发生26次堵塞, 基本上都是采用接杆举药爆破法进行疏通。如2002年5月上旬和11月下旬.402#溜井730m至750m处及403#溜井760m处, 由于井筒局部断面较小、天气连续降雨和某工程公司入井矿石块度超标等原因, 多次造成大块堵塞。为此, 利用720m巷道为操作平台, 根据堵塞点与720m的距离, 结合考虑安全性, 分别采用人工、机械、杠杆提杆方式举药进行爆破疏通, 都达到目的。
3.3 水冲法
溜井的底部溜口底板、振动给矿机台板因粘结性粉矿堆积而使流通断面减小, 遇到较大块度即产生堵塞。只要条件许可, 采用水冲法处理该部粉矿粘结、平衡拱和堆积死矿堆, 是处理堵塞最有效的方法。比爆破法更快捷、更经济。该矿6条溜井由于溜15设计不够合理, 在底部溜口部位共发生堵塞204次, 占总数68%。早期采用爆破法处理, 为防止溜口设施受爆破震动破坏, 必须控制药量进行爆破, 因此效果较差, 最多时一个班爆破4~5次。后全部改用水冲法进行处理, 效果更好。用高压水冲洗, 尤其是用水枪射流, 压力大, 流量小, 将粉矿堆积物和死矿堆冲洗下来, 跟着平衡拱也自然垮落, 水流直接流出, 效率高, 很干净, 也不会造成跑矿。
3.4 矿用火箭弹处理法
利用专门处理溜井堵塞的矿用火箭弹, 发射后在堵塞段下表面爆破, 达到疏通溜井的目的。该方法仅适用竖井井筒段高位堵塞, 而下方又有发射火箭弹的平巷时使用。该矿301#溜井井筒下段600m左右处曾发生粉矿堆积—大块组合堵塞, 井筒堵塞段属完整坚硬的工程地质岩组。堵塞部位距最近巷道为520m平巷。后在520m平巷发射矿用火箭弹进行爆破处理, 达到疏通溜井目的。但矿用火箭弹单价1万多元, 成本太高。
3.5 压风吹处理堵塞法
用高压风处理结拱和粉矿堆积堵塞也是一种有效方法, 使用条件是粉矿含水率 < 7%, 干燥状态下有效。旱季可用。由于该矿地理位置处于南方多雨地区, 在秋天干燥时期, 对于溜lYl部位发生粉矿堆积堵塞可采用压风吹法进行处理。
4 结语
(1) 溜井建成投产后, 受矿岩物理力学性质和溜井结构先天因素影响[2], 溜井堵塞是不可避免的, 堵塞后要快捷安全有效进行疏通, 就须结合矿山实际, 严格按照工作程序有条不紊进行处理。
(2) 溜井堵塞疏通方法很多, 不同类型堵塞适用不同的疏通方法。就紫金山金矿这类井深高、几乎无疏通副井、堵塞频率较高的溜井而言, 对于大块堵塞, 堵塞部位有送人炸药的通道, 一般爆破法最有效; 对于堵塞部位发生在溜井中间, 无良好送药通道, 采用接杆举药法爆破很有效:对于粉矿结拱堵塞, 用高压水冲法最有效, 也可采用矿用火箭弹和压风吹进行处理。总之, 要因地制宜、针对性地选用安全、有效的疏通方法。
(3) 各种类型的堵塞都有其有效处理办法, 但最好的办法是预防它出现。预防溜井堵塞是复杂的综合性的课题, 归根到底就是降低堵塞出现的概率, 将堵塞消灭于萌芽之中。
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