考虑冻结衬里形成的电熔炼炉仿真建模框架
使用冷冻衬里保护火法冶金炉免受化学腐蚀性熔渣的影响是工业过程中的一项广泛技术。本研究的主要目标是建立一个考虑流体流动、传热和炉渣凝固的建模框架，以模拟冻结衬里的形成及其对操作条件的依赖性。采用了用于金属合金凝固的混合连续凝固模型。为了更好地理解冶炼过程，已经进行了多项参数研究。结果表明，该模型可以捕获冻结衬里的形成并预测熔炼炉的整体能量平衡和流动行为。冷冻衬里厚度显示取决于过程中的热移除强度和渣浴化学。还观察到耐火材料的平均温度与冻结衬里厚度之间的直接关系。这是炉子操作人员控制炉子运行参数的重要指标。这种改进的知识提供了进一步优化熔炉操作并降低能源成本和环境影响的潜力。讨论了所考虑的不同建模假设和未来可能的模型改进。
使用冷冻衬里来保护熔炉免受熔渣的腐蚀性是工业火法冶金应用中的广泛技术。特别是，它已被用于熔炼炉侧壁，以延长其使用寿命并最大限度地减少耐火材料更换衬里的频率和相应的炉子停工。由于金属需求的增加导致当前的高生产率趋势，充分了解冻结衬里的形成对于优化熔炉设计和操作至关重要。
过去，进行了几项实验室实验来研究冻结衬里形成的基本原理。Guevara 和 Irons在布里奇曼槽中进行了低温实验，以测量炉渣模拟物（即53 wt pct 氯化钙水溶液）的冷冻衬里厚度。方形空腔的每一侧都有不同的加热。在各种过热条件下进行了几个实验。使用数码相机跟踪固体前沿的位置，并使用热电偶测量温度场。速度测量表明，固体晶体的运动仅出现在凝固前沿附近，而主要的冻结衬里核心几乎保持不动。
Verscheure等人。通过将水冷探头浸入液渣浴中同时在电阻炉中连续加热，实验研究了实验室合成渣的凝固微观结构。使用该技术生产了两种工业有色金属矿渣的冻结衬里，并确定了它们的生长、微观结构和成分剖面与浸没时间的函数关系。实验过程中形成的冷冻衬里在靠近水冷的区域主要是无定形的，在离探头表面较远的地方更结晶。在第一个实验中，没有达到完美的平衡，因为在长时间浸没和低炉功率的情况下，观察到镀液完全凝固。在随后的实验中，使用强度较低的气冷探头达到稳态。
Fallah-Mehrjardi等人。进行了一系列实验，其中在受控实验室条件下使用风冷指冷技术研究了含铜渣系统中的冻结衬里。作者重点讨论了熔体化学对沉积物微观结构的影响。在稳态条件下形成的固体熔渣的显微结构检查和温度测量表明，稳态冻结衬里凝固前沿的温度可能低于散装液体的平衡液相线温度。作者还提出了冻结衬里形成的新机制，
使用炉渣流变学实验来确定冻结衬里的厚度。发现浴冷冻衬里界面低于临界粘度温度（固体分数为 41 pct）。此外，从冷冻衬里样品的微观分析来看，冷冻衬里样品热面的固体部分取决于液体熔渣的流体动力学以及界面处晶体和液体熔渣之间的相互作用。
除了从冶金行业收集的实验室实验和数据外，数值模拟也被用于研究冻结衬里的形成。Zietsman 和 Pistorius提出了一种一维壁模型来描述钛铁矿冶炼直流电弧炉的冻结衬里和炉壁中的传热、凝固和熔化。这项研究的主要焦点是冻结衬里和渣池之间的相互作用。建模结果似乎对冻结衬里和渣池的行为产生了一些见解；但是，由于钛铁矿冶炼作业的机密性，没有提供建模细节或工业数据验证。
潘等。模拟了用于冶炼硫化矿的六列电熔炼炉 (ESF) 的传热。该模型仅通过将炉子条件和性能与各种控制和输入参数相关联来考虑传热。该模型的主要特点是其高效性和便携性，可快速预测炉内温度分布、冻结衬里厚度和其他生产率参数。不考虑流体流动。
盛等人。扩展了 Pan等人的工作。并耦合麦克斯韦（电磁搅拌力）、纳维-斯托克斯和传热方程的解。由于大型熔炉，电磁力与自然对流力相比可以忽略不计。在结合实验获得的电极表面电位降数据后，可以准确预测各种条件下的电阻、温度分布和熔渣速度。然而，在这种情况下没有考虑炉渣凝固。
Guevara 和 Irons 提出了冻结衬里形成的两相数值模型，其中包括 Navier-Stokes 和能量守恒方程以及炉渣凝固。在自然对流条件下冷却期间，将模拟与同一作者在布里奇曼电池中的实验结果进行了比较。他们得出结论，当假定炉渣的温度依赖性粘度时，可以更准确地捕捉到炉渣凝固过程中的逐渐速度抑制。同一作者将他们的工作扩展到模拟六列串联 ESF 电极。研究了冷却强度和温度依赖性粘度对速度和温度分布的影响。作者的主要关注点是描述通过冷却系统的全球热传递，而不是冷冻衬里的演变。
本研究的目的是扩展 Guevara的工作并建立一个数值框架，该框架考虑熔炼炉中的整体热通量、多相传输现象和炉渣凝固，以便捕获冻结衬里的形成，如以及它对操作条件的依赖性。引用了相同的六列直列式 ESF；但是，边界条件和传热项已更新。
