電極插入深度對(duì)礦熱爐加熱影響的CFD分析

孫昊，劉鵬，張新杰，張?jiān)?，劉?/p>

（沈陽(yáng)化工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110142）

礦熱爐是當(dāng)前重工業(yè)鐵合金冶煉的重要設(shè)備，全球有超過(guò)90%的金屬合金使用礦熱爐設(shè)備生產(chǎn)。在其冶煉過(guò)程中會(huì)涉及復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)化，利用電能所產(chǎn)生的焦耳熱使電極附近的礦料急劇升溫并直至加熱到熔融狀態(tài)[1]。當(dāng)熔池內(nèi)部的溫度滿足反應(yīng)溫度要求時(shí)，礦料會(huì)發(fā)生劇烈的還原反應(yīng)，吸收大量電弧產(chǎn)生的焦耳熱，并產(chǎn)生大量氣態(tài)產(chǎn)物（如一氧化碳等廢氣）。同時(shí)，礦料在高溫下熔化至熔融狀態(tài)甚至轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)合金溶液，會(huì)使熔池內(nèi)部存在固態(tài)礦料顆粒與液態(tài)金屬合金兩相物質(zhì)同時(shí)存在。而熔化成為液態(tài)狀態(tài)的合金溶液則會(huì)在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生一定的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，這會(huì)對(duì)熔池內(nèi)壁的耐火磚與底部的搗打料造成沖蝕與腐蝕磨損。因此，礦熱爐冶煉中除了要關(guān)注礦料的溫度分布、化學(xué)反應(yīng)，還需要對(duì)固液兩相的分布情況進(jìn)行研究。在多物理場(chǎng)耦合作用下，礦料/熔渣/合金液間的傳熱傳質(zhì)規(guī)律和爐內(nèi)溫度的分布情況發(fā)生改變[2]。但由于礦熱爐實(shí)際生產(chǎn)操作過(guò)程中環(huán)境的復(fù)雜性，不利于通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的方法研究礦熱爐多物理場(chǎng)耦合問題。因此目前大部分學(xué)者主要采用計(jì)算流體力學(xué)的商業(yè)仿真軟件，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法研究礦熱爐內(nèi)多物理場(chǎng)耦合，這對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐具有重要意義。

由于工業(yè)行業(yè)對(duì)鐵合金生產(chǎn)的高度關(guān)注，在過(guò)去的40年里已經(jīng)有學(xué)者發(fā)表了大量的計(jì)算研究成果，通過(guò)不同的二維和三維流體計(jì)算模型，研究了礦熱爐中的電磁、傳熱和流體流動(dòng)現(xiàn)象。目前，越來(lái)越多的學(xué)者使用純數(shù)值模擬的方法對(duì)礦熱爐或高爐的電極操作參數(shù)、直/交流電弧特性與洛倫茲力對(duì)電弧行為的影響進(jìn)行了深入研究，并對(duì)爐內(nèi)焦耳熱場(chǎng)、溫度場(chǎng)與電磁場(chǎng)分布、化學(xué)反應(yīng)機(jī)理等問題進(jìn)行了模擬計(jì)算和仿真分析。KARALIS[3]等建立了二維穩(wěn)態(tài)計(jì)算的工業(yè)電弧爐模型，分析考慮了電極的形狀和浸沒深度，以及焦耳加熱對(duì)礦渣性能的依賴關(guān)系。MOGHADAM[4]等建立了一個(gè)二維數(shù)學(xué)模型，用來(lái)描述硅鐵交流礦熱爐電弧區(qū)傳熱和流體流動(dòng)，研究了電流和電弧長(zhǎng)度對(duì)熔池內(nèi)流場(chǎng)和溫度分布的影響。DONG[5]等用ANSYS對(duì)三維模型硅鐵礦熱爐內(nèi)的電流密度、焦耳熱以及溫度場(chǎng)做了多物理場(chǎng)耦合有限元模擬。姜文婷[6]等建立了礦熱爐內(nèi)熱-流動(dòng)-電磁耦合的磁流體動(dòng)力學(xué)模型，探究了電流大小對(duì)礦熱爐內(nèi)起弧過(guò)程的影響。李克忠[7]等則是對(duì)氣化爐內(nèi)襯耐火材料選取及內(nèi)襯施工等提出了相關(guān)建議。但礦熱爐冶煉工藝中存在的熔池內(nèi)部固液共存的兩相溫度場(chǎng)狀態(tài)，相關(guān)研究成果較少，無(wú)法準(zhǔn)確揭示爐內(nèi)熔池的溫度分布以及傳熱傳質(zhì)機(jī)理。

本研究以48 MW鎳鐵礦熱爐為對(duì)象，著重設(shè)計(jì)了礦熱爐的結(jié)構(gòu)與熔池內(nèi)部的3層分布（物料層、渣層、合金層），重點(diǎn)研究其內(nèi)部溫度場(chǎng)與相關(guān)的固液兩相分布的情況，同時(shí)探究了在不同電極插入深度對(duì)于爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布情況的影響。

1 模型建立與網(wǎng)格劃分

本研究以48 MW三相電鎳鐵礦熱爐為原型，采用三電極圓形封閉式礦熱爐，爐襯內(nèi)部用不同材質(zhì)的耐火材料砌筑而成[8]，網(wǎng)格采用ICEM CFD軟件進(jìn)行劃分，網(wǎng)格數(shù)量2 260 000，如圖1所示。

圖1 模型網(wǎng)格示意圖

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 計(jì)算過(guò)程及假設(shè)

為了達(dá)到更好的耦合效果，礦熱爐溫度場(chǎng)求解首先要在集成到Workbench平臺(tái)下的Ansoft Maxwell軟件中計(jì)算出給定條件下的電磁場(chǎng)與焦耳熱場(chǎng)，將焦耳熱場(chǎng)作為耦合加載到Fluent中求解溫度場(chǎng)，開啟能量方程與融化凝固模塊，定義材料的物性參數(shù)，求解條件，并使用求解器進(jìn)行求解。

由于本次研究主要針對(duì)溫度場(chǎng)與固液兩相分布情況的關(guān)系，所以針對(duì)礦熱爐溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬，為了方便計(jì)算以及減少工作量，做出了如下基本假設(shè)：忽略化學(xué)反應(yīng)對(duì)溫度場(chǎng)的影響；忽略流體流動(dòng)對(duì)溫度分布的影響；假設(shè)爐內(nèi)物性參數(shù)保持不變。

本次模擬采用的是圓形礦熱爐，且假設(shè)熔池內(nèi)各部分間相對(duì)靜止，因此礦熱爐內(nèi)傳熱的主要方式為導(dǎo)熱[9-11]，可以用柱坐標(biāo)下導(dǎo)熱微分方程來(lái)描述爐內(nèi)傳熱。控制方程為：

式中：T—溫度；

t—時(shí)間；

ξ—熱傳導(dǎo)系數(shù)；

r—徑向坐標(biāo)；

z—軸向坐標(biāo)；

ρ—材料密度；

cp—材料比熱容；

q—內(nèi)熱源；

φ—材料相變潛熱項(xiàng)。

3 結(jié)果與討論

3.1 溫度場(chǎng)與固液兩相的分布

電極插入深度H=2.0 m、電極極心圓半徑為2.6 m的礦熱爐達(dá)到穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的溫度場(chǎng)分布云圖如圖2所示。從圖2中可以看出，礦熱爐內(nèi)溫度最大值主要位于電弧附近的物料層內(nèi)，最高溫度達(dá)到2 175 K，溫度由高溫區(qū)向四周遞減。同時(shí)以三根電極的圓心為中心，形成3個(gè)高溫區(qū)，在礦熱爐中心區(qū)域相互疊加，并在礦熱爐中心組成一個(gè)更大的高溫區(qū)。圖3為熔池內(nèi)部的液體分?jǐn)?shù)分布圖，也可看作為凝固與熔化的相位圖，縱坐標(biāo)數(shù)值1為液體，數(shù)值0為固體，鎳鐵熔點(diǎn)設(shè)為1 723 K[12]。從圖3中可以看出，固液兩相的分布與溫度場(chǎng)分布完全一致，在物料層靠近爐襯的邊緣的地方，由于遠(yuǎn)離熔池中心高溫區(qū)，所以溫度并沒有達(dá)到熔點(diǎn)還處于固體礦料狀態(tài)；而在熔池的底部，受溫度與重力作用影響下，礦料全部熔化為密度更大的金屬溶液并聚集在熔池底，并與還處于固態(tài)狀態(tài)下的礦料之間由一層類似于糊狀區(qū)的物質(zhì)隔絕開來(lái)，進(jìn)而可以發(fā)現(xiàn)爐襯在熔池的底部與側(cè)壁下端區(qū)域受到了最強(qiáng)的高溫腐蝕，極易造成耐火磚的破壞與性能的下降。

圖2 礦熱爐溫度場(chǎng)垂直剖面圖

圖3 熔池內(nèi)液體分?jǐn)?shù)的分布

3.2 電極插入深度對(duì)溫度場(chǎng)的影響

圖4為在2個(gè)不同高度取得橫截面處的4組不同插入深度電極所產(chǎn)生的溫度場(chǎng)分布情況，電極插入深度分別為1.8、 1.9、 2.0、2.1 m。

從圖4中可以看出，當(dāng)熔池內(nèi)高度為0.15 m，也就是合金溶液層中，此時(shí)電極插入1.8 m深的熔池溫度最高，而電極插入2.1 m的熔池內(nèi)溫度最低。而在同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)熔池結(jié)構(gòu)中，每一組參數(shù)的最大溫度值都出現(xiàn)在電極底端坩堝區(qū)部位，并且隨著電極插入深度的增加，最大溫度值會(huì)逐漸下降，在熔池內(nèi)高度為1.6 m位置處，電極插入深度2.1 m的情況下溫度明顯低于其他熔池溫度。這是由于電極插入深度為1.8 m時(shí)，距離渣層較遠(yuǎn)，物料的電阻率高于爐渣層的電阻率，因而產(chǎn)生的焦耳熱較大，會(huì)得到最高的溫度場(chǎng)；而隨著電極插入深度的增加，電極下方的物料越來(lái)越少，產(chǎn)生的焦耳熱也就越來(lái)越小，導(dǎo)致溫度逐漸下降。而由于物料層與渣層中的溫度逐漸降低，進(jìn)而導(dǎo)致合金層的溫度也低于其他電極插入深度的情況，這一趨勢(shì)如圖4（b）所示。

圖4 隨電極插入深度變化的溫度分布

4 結(jié) 論

1）礦熱爐內(nèi)最高溫度出現(xiàn)在物料層靠近電極底部的區(qū)域，呈放射狀向熔池底部遞減，最高溫度達(dá)到2 175 K。

2）熔池內(nèi)部的液體分?jǐn)?shù)分布規(guī)律與溫度場(chǎng)分布趨勢(shì)一致，熔池底部高溫區(qū)礦料全部熔化為合金溶液，在物料層遠(yuǎn)離電極的外圍邊緣由于溫度較低形成了一塊固態(tài)礦料堆積區(qū)。

3）由于電極反應(yīng)區(qū)的重疊效果，物料層中高溫區(qū)面積大于渣層和合金溶液層的高溫區(qū)，且隨著電極深度的增加，最高溫度在逐漸下降。