內(nèi)熱式煉鎂爐的溫度場模擬及分析

高 波,牛立斌,王曉剛,張 騰

(1.榆林職業(yè)技術學院,陜西 榆林 719000;2.西安科技大學 材料科學與工程學院,陜西 西安 710055)

皮江法煉鎂采用的是外部加熱方式,由于工藝簡單,成為當前我國金屬鎂冶煉的主要方法,這種工藝是要將還原罐內(nèi)的球團料加熱到還原溫度(1150～1250℃),存在加熱時間長、熱利用率低、能耗大、污染嚴重、工人的勞動強度高等問題[1-2]。而內(nèi)熱式煉鎂爐在較大程度上能夠解決上述問題,但是在內(nèi)熱式煉鎂過程中,爐內(nèi)及結晶桶的溫度場分布對還原效率和金屬鎂的質(zhì)量非常重要,因此需對內(nèi)熱式煉鎂爐的溫度場進行研究[3]。

為了較快的探討和確定出內(nèi)加熱爐的還原鎂時間,提高還原效率和減少能耗,本文在前期內(nèi)熱式煉鎂爐提取鎂的試驗基礎上,采用ANSYS軟件對新型的內(nèi)熱式煉鎂爐結晶桶及系統(tǒng)還原爐的溫度場進行了模擬與分析,以期對實際工作有一定的指導意義。

1 模型建立與反應料物性參數(shù)設定

1.1 模型的建立

幾何模型是以試驗爐的尺寸、裝料量、球團料的物性參數(shù)等為依據(jù),采用Pro/e軟件建模,然后轉(zhuǎn)換為＊.STL文件的格式導入到deform軟件中(由于涉及到知識產(chǎn)權的問題,相關尺寸略去),如圖1所示。

圖1 還原爐的模型示意圖

在金屬鎂還原過程中,結晶鎂的品質(zhì)極大程度上取決于結晶桶的溫度場分布[4],故首先須分析結晶桶底部輸入能量為穩(wěn)態(tài)時,獲得結晶桶在長度方向上溫度梯度較為穩(wěn)定的作用時間。在此基礎上,再對由結晶桶與還原爐組成的還原系統(tǒng)進行溫度場模擬,以求獲得與實際更接近的信息。

1.2 模型假設與分析

由于實際工業(yè)生產(chǎn)時爐體較大,爐內(nèi)熱量有傳導、對流與輻射,同時還存在結晶潛熱以及結晶桶與外界的能量交換等,條件較為復雜。對所有可能性進行分析模擬,這將給模型的建立以及網(wǎng)格的劃分帶來巨大困難。因此在模擬時,須將傳熱過程的參數(shù)進行適當?shù)睾喕图僭O。

(1) 作為熱源的電極位于爐體中心,熱流傳遞方向垂直于爐芯通電方向。

(2) 忽略還原反應過程因生成物及中間產(chǎn)物而引起的物性參數(shù)(導熱系數(shù)、密度、比熱容)的變化。

(3) 假定在整個過程中,物料按化學配比混合均勻,反應料是各向同性的。

(4) 忽略反應過程中的副反應。

(5) 反應爐內(nèi)為真空狀態(tài),無空氣存在。

1.3 混合料物性參數(shù)確定

煉鎂的球團料比熱容對爐內(nèi)的熱傳導影響較大,根據(jù)皮江法煉鎂的還原溫度,須對球團料和發(fā)熱體的比熱容、球團料的物性參數(shù)進行選擇[5-6]。球團料密度為1000 kg/m3,熱導率為1.3 W/m·℃,比熱容如表1所示。發(fā)熱體密度為1000 kg/m3,熱導率為35 W/(m·℃),比熱容如表2所示。保溫棉的密度為200 kg/m3,熱導率為0.054 W/(m·℃),比熱容為1013 J/(kg·℃)。

表1 料球混合區(qū)域比熱容 J/(kg·℃)

表2 發(fā)熱體比熱容 J/(kg·℃)

2 結果與分析

2.1 結晶桶穩(wěn)態(tài)溫度場模擬

將結晶桶模型在DM里建好,并用DM集成的Mesh功能劃分網(wǎng)格,依然采用自由劃分的形式,將材料設置成各向同性的,結晶桶與還原爐相交接處(結晶桶的大端)溫度設置為1000℃,模擬后如圖2所示。

圖2 穩(wěn)態(tài)結晶桶加熱1h的溫度云圖

圖2為穩(wěn)態(tài)1 h后,結晶桶在長度方向上的溫度梯度,底部(大端)溫度恒定在1000℃,桶口(小端)溫度接近室溫,這表明此時溫度梯度較大;加熱2 h后,底部附近的溫度升高較快,較高的溫度區(qū)間迅速增多,但桶口(小端)溫度變化不明顯。穩(wěn)態(tài)到3 h后的溫度分布趨勢與此相似,只是溫度梯度變小,不同溫度的區(qū)域大小越來越相近。

圖3 穩(wěn)態(tài)結晶桶加熱后的溫度云圖

穩(wěn)態(tài)至5 h后(參見圖3a),結晶桶的溫度梯度分布變化不明顯,表明此時由底部輸入的熱量和鎂的結晶潛熱之和,等于結晶桶壁和氣流帶走的熱量之和,處于一個動態(tài)平衡期。若繼續(xù)持續(xù)穩(wěn)態(tài)提供熱量,結晶桶的主要結晶區(qū)域溫度將會過高(參見圖3b和圖3c),尤其是超過500℃后,不利于金屬鎂的冷凝,因此穩(wěn)態(tài)輸入能量的時間在5～6 h之間,此時結晶桶的溫度梯度較為理想。

2.2 還原系統(tǒng)溫度場模擬

2.2.1 加熱至1 h及3 h時的瞬態(tài)溫度場對比

圖4為還原爐和結晶桶組成的還原系統(tǒng)在給定的功率下加熱1～3 h后,系統(tǒng)的溫度云圖。隨時間的延長,還原爐內(nèi)溫度逐步升高,并且靠近還原爐的結晶桶(大端)溫度較高,結晶桶的小端處溫度依然很低(參見圖4a和圖4b);加熱3 h后的還原爐溫度繼續(xù)升高,連帶結晶桶溫度也有更多部分的溫度較之2 h前有了明顯變化(參見圖4c)。

圖4 系統(tǒng)模擬加熱的溫度云圖

從爐內(nèi)球團料的溫度變化來看(參見圖5a),加熱1 h后,70%以上的球團料溫度在350～770 K之間,達到反應溫度(>1300 K)的球團料占比為10%左右;加熱3 h后(參見圖5b),大約20%的球團料溫度低于800 K,70%的球團料溫度在1040～1190 K之間,整體上滿足還原反應條件溫度的物料較少,故需要延長加熱時間。

圖5 還原系統(tǒng)加熱1h及3h后物料區(qū)域溫度分布柱狀圖

2.2.2 加熱至5 h及6 h時的瞬態(tài)溫度場對比

圖6為還原爐和結晶桶組成的還原系統(tǒng)在給定的功率下加熱5 h時,還原爐內(nèi)溫度進一步升高,結晶桶底部(大端)溫度依然較高(參見圖6a),更遠處的溫度相比加熱1 h時已經(jīng)有了明顯變化;加熱6 h后的還原爐溫度繼續(xù)升高,結晶桶溫度也有更多的區(qū)域較之前有了不少的提升,結晶桶口(小端)的溫度升高較為明顯(參見圖6b)。圖6所示為非線性不均勻的緩慢升溫。加熱5 h和6 h的溫度云圖相比之前有了更明顯的變化,尤其體現(xiàn)在結晶桶部分,此時還原爐中溫度變化不是很劇烈。

圖6 還原系統(tǒng)加熱5h和6h的溫度云圖

從球團料的溫度變化來看(參見圖7),加熱5 h后, 超過50%的球團料溫度在1390～1580 K之間,而20%球團料在1200～1390 K之間,僅有20%左右的物料溫度低于1200 K;加熱6 h后,有超過75%的球團料溫度大于1423 K,表明絕大部分的球團料可被還原。

圖7 還原系統(tǒng)加熱5h和6h后物料區(qū)域溫度分布柱狀圖

圖5和圖7顯示,加熱至6 h后,球團料達到較佳的反應溫度,且溫度分布集中,絕大多數(shù)物料都處于合適的反應溫度。而加熱5 h時,球團料大部分溫度都達不到反應溫度,并且溫度區(qū)間過于分散,不適合煉鎂還原過程?？紤]到溫度上升的滯后性,故認為系統(tǒng)模擬后,較佳的加熱時間為5～6 h,此時能量的損耗較少。

3 結 論

采用ANSYS軟件對內(nèi)熱法煉鎂時,穩(wěn)態(tài)結晶桶及還原系統(tǒng)的溫度場隨時間的變化進行模擬。

(1) 在穩(wěn)態(tài)結晶桶底端溫度恒定為1000℃時,隨著時間的推移,溫度梯度逐漸變小,當持續(xù)到5 h后,溫度梯度的變化不再明顯。

(2) 將還原爐和結晶桶組成系統(tǒng)后模擬得知,當加熱6 h后,爐內(nèi)物料大多處于1150～1250℃之間,適宜反應的進行和利于鎂蒸氣的冷凝,且能量損耗小。