通过VOF-DPM与凝固-熔化模型的创新耦合，对气淬熔渣工艺造粒-冷却-凝固多阶段特性的良好模拟

《Powder Technology》：A satisfactory simulation for the granulation-cooling-solidification multistage characteristics of gas-quenching melting slag process via the innovative connectivity between VOF-to-DPM and solidification-melting model

　　

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  实现了气体急冷熔融炉渣粒度化-冷却-凝固过程的集成数值模拟研究。
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  采用VOF-DPM模型对气体急冷熔融炉渣的粒度化和冷却过程进行了捕捉和定量分析。
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  首次提出了一种从VOF-DPM到凝固-熔化模型的数据映射方法。
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  强调了影响粒度化-冷却-凝固性能的关键因素。

引言

高效回收炉渣余热及其资源化利用，是钢铁行业应对能源浪费和环境压力的迫切战略需求。以钢渣为例，中国作为全球最大的粗钢生产国，2025年粗钢产量达9.6亿吨，对应的钢渣总量估计约为5.77亿吨，其显热当量约相当于3500万吨标准煤[1]、[2]、[3]。在目前国内的渣处理方法中，热泼水法和热洒水法等传统湿法工艺仍占主导地位，应用最为广泛。这些方法技术成熟且投资相对较低，但在实际应用中存在处理周期长、冷却速度慢和产品稳定性差等不足[4]、[5]、[6]。相比之下，熔渣气体急冷技术可显著提高冷却速率，有望将炉渣中的亚稳相结构"冻结"，从而抑制C₃S和C₂S等矿物在冷却过程中的完全结晶，这与先前气体急冷实验研究中总结的矿物演变规律相吻合[7]。因此，该方法在钢渣高附加值利用方面显示出巨大潜力[8]、[9]、[10]。干法炉渣粒度化的全生命周期环境评估进一步验证了气体急冷路线在冶金固废回收中的低碳优势[11]。然而，该技术仍面临若干技术挑战：一方面，在多重耦合效应下，难以在安全操作条件下精确调控粒径及其冷却速率；另一方面，颗粒在飞行和沉积后的快速急冷和凝固行为仍未被充分理解[12]、[13]、[14]、[15]。由于极端高温和恶劣的操作环境，物理实验可视化面临严重瓶颈。随着计算流体力学（CFD）的发展，数值模拟已成为克服这些限制的主流方法[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。

早期研究多基于二维物理模型，通过分析气体急冷条件下炉渣射流粒度化过程中相场、流场和温度场的分布，初步揭示了气体急冷过程的若干演变规律。然而，在阐明气体急冷下熔渣的破碎机制并分析其形态演化行为时，二维模拟存在明显局限性，无法反映真实的三维流动和破碎特性[21]、[22]、[23]。一些研究转向三维数值模拟的开发。其中，耦合水平集法和体积流体法（CLSVOF）在熔渣气体急冷过程模拟中的应用，为揭示炉渣破碎机制提供了更精细的分析工具，并能够更真实地再现炉渣粒度化和破碎的关键细节[24]。此外，引入VOF-DPM（体积流体到离散相模型）方法不仅能够有效地表征炉渣破碎和液滴演化，还能为气体急冷炉渣粒度化和急冷性能的定量评价提供重要依据[25]、[26]、[27]。

尽管已开发出各种数值模型来独立描述炉渣的粒度化、冷却和凝固过程，但由于VOF-DPM的输出无法与离散相凝固/熔化模型直接耦合，这些过程的同步模拟仍具挑战性。这一局限性主要源于物理尺度、状态变量和主控机制的不一致。在物理尺度方面，VOF模型在欧拉框架内解析宏观自由面变形和破碎，而凝固/熔化模型则采用焓-孔隙率公式描述单个颗粒内部的相变演化。在状态变量方面，VOF主要提供相体积分率、速度和温度，而转换后的DPM粒子仅保留质量、速度和温度等宏观属性，缺乏相变计算所需的液相率、焓和温度梯度等内部变量[28]、[29]。此外，VOF描述的破碎主要受流体力学不稳定性控制，而凝固则由传热和相变热力学控制，导致两者的特征时间尺度截然不同。这些差异使得两种模型之间无法实现直接且物理一致性的耦合。尽管VOF-DPM转换使破碎后的熔渣能够以离散颗粒的形式表示，并保留了其宏观运动学和热学信息，但颗粒本质上是没有显式解析内部结构或相分布的计算质点[30]、[31]。因此，在现有研究中，颗粒的凝固和相变过程被作为独立对象处理，导致熔渣气体急冷过程在时间和空间尺度上存在一定程度的解耦。更重要的是，弥散相经历的局部冷却环境难以精确传递到后续的凝固和相变分析中，也可能难以完全满足凝固和相变过程所需的简化假设[15]、[32]、[33]。事实上，针对气体急冷熔渣过程的粒度化-冷却-凝固多阶段特征的满意模拟在现有研究中尚未取得科学突破。

以钢渣为例，本研究建立了三维物理数值模型，准确揭示了熔融钢渣（MSS）连续相的粒度化和破碎过程、弥散相的急冷温度演化以及颗粒状固体颗粒的凝固和相变过程，系统分析了不同影响因素对炉渣粒度和急冷特性的影响，并提出了一种自主研发的从VOF-DPM到凝固-熔化模型的Python数据映射方法，将多阶段的粒度化-冷却-凝固过程作为一个整体进行关联。本研究可为改进气体急冷熔渣技术的数值研究框架提供集成化研究思路，增强分析的系统性和严谨性，并为炉渣废弃物的资源化利用和渣处理产业的绿色低碳发展奠定理论基础。

章节摘要

物理模型与网格划分

本研究使用Fluent SpaceClaim构建了一个尺寸为540×300×300 mm的矩形计算域。如图1左侧所示，在粒度化室的左侧设置了速度入口，冷却介质气体由此引入。在粒度化室的上部设置了一个直径为3 mm的圆形质量流量入口，作为熔融钢渣进入室内室的关鍵边界条件。粒度化室底部

熔融钢渣粒度化和破碎的特征及机理分析

图6展示了Case 2条件下高速气流与熔融炉渣射流之间的相互作用。在2.5 ms时，炉渣射流刚注入粒度化室的时间较短，熔融钢渣在高速气流的作用下发生严重变形。从顶视图可以看出，射流下部已在高速气流作用下被拉伸成细丝状，丝状炉渣的尾部已开始从

结论

本研究开发了一种从VOF-DPM到凝固-熔化模型的数据映射方法，实现了对气体急冷熔渣过程粒度化-冷却-凝固多阶段特征的集成数值描述。主要结论如下：

• (1)
  熔融钢渣（MSS）射流经历了一个渐进式破碎过程，包括连续相拉伸、细丝/液膜形成和碎裂，以及二次液滴破碎，完成

CRediT作者贡献声明

张嘉豪：撰写——初稿，可视化，软件，调查，形式分析，数据整理。刘太阳：软件，调查，数据整理。吴红飞：方法学，调查，形式分析。熊浩宇：调查，形式分析。常敬才：撰写——审阅与编辑，资源，项目管理，调查，概念化。魏风华：方法学，调查。

利益冲突声明

作者声明他们不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（22478227）、山东省自然科学基金（ZR2021ME049）和泰山产业领军人才工程（Tscx202306135）的资助。

张嘉豪|刘太阳|吴红飞|熊浩宇|常敬才|伟风华