礦熱爐電/磁/熱多物理場耦合熱應力場分析

杜錦奇 劉鵬 孫昊 栗亞奇 張越 王翠華

摘????? 要： 為了探究交流電礦熱爐在穩(wěn)定工作時爐體熱應力分布情況，建立了一種大型礦熱爐??? 電/磁/熱多物理場耦合多相流傳熱傳質和熱應力計算模型，采用Fluent軟件用戶自定義函數(shù)（UDFs），實現(xiàn)爐內電熱轉化現(xiàn)象（電弧熱和電阻熱）、礦料熔化傳熱、電/磁/熱多物理場耦合仿真分析，探究交流礦熱爐在多物理場耦合工況下礦料/熔渣/合金液/爐襯多相間的傳熱傳質機理，并結合熱-結構耦合法，開展大型礦熱爐工作狀態(tài)下爐襯熱應力仿真計算，精確預測爐襯變形位置和變形量。結果表明：隨著電極插入深度的增加，爐膛內的壓力與爐體形變量都會降低。

關? 鍵? 詞：礦熱爐；熱應力場；爐襯變形；仿真模擬

中圖分類號：TF806.7???? 文獻標識碼： A???? 文章編號： 1004-0935（2024）06-0833-04

礦熱爐又稱電弧爐或電阻爐，通過添加碳質還原劑及溶劑等原料可高溫還原冶煉鐵礦石。礦熱爐可生產硅鐵、錳鐵、鉻鐵、鎢鐵、硅錳合金等鐵合金，是冶金工業(yè)中重要的生產設備[1]。

本研究建立了一種大型礦熱爐電/磁/熱多物理場耦合多相流傳熱傳質和熱應力計算模型。相較于傳統(tǒng)熱應力計算模型，本研究基于大型礦熱爐多物理場耦合多相流工況，采用Fluent軟件二次開發(fā)，實現(xiàn)爐內電熱轉化現(xiàn)象（電弧熱和電阻熱）、礦料熔化傳熱、電/磁/熱多物理場耦合仿真分析，探究交流礦熱爐在多物理場耦合工況下礦料/熔渣/合金液/爐襯多相間的傳熱傳質機理，合理預測熔池區(qū)和爐襯的溫度分布。基于上述結果，并結合熱-結構耦合理論，開展大型礦熱爐工作狀態(tài)下爐襯熱應力仿真計算，精確預測爐襯變形位置和變形量。

Fluent專門求解磁場的MHD模塊不能滿足求解電弧電磁場的需要。因此，本模型利用Fluent用戶自定義函數(shù)（UDFs），進行軟件的二次開發(fā)，精確求解電磁場。在磁場的基礎上按照動量方程和能量方程的不同將整個模型分為3個子模型進行模擬，分別是電弧子模型、礦料子模型和爐體模型。電弧子模型主要為礦料的升溫熔化提供熱量，其能量源項主要包括焦耳熱、電子運輸焓和輻射損失。礦料子模型主要為礦料的還原反應提供反應條件，其能量源項主要包括焦耳熱、熔化潛熱和反應熱。電弧子模型與礦料子模型通過傳熱機制進行耦合，主要由對流換熱、輻射傳熱、湯普森效應和電子凝結4部分組成。而爐體子模型在此基礎上計算出礦熱爐爐膛內部的溫度場后經熱傳遞至爐襯及爐殼等爐體結構上，進一步建立位于爐體的熱應力熱應變的數(shù)學模型。

KARALIS[2]等建立了二維、穩(wěn)態(tài)計算的工業(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礦渣性能的依賴關系。MOGHADAM[3]等建立了一個二維數(shù)學模型，用來描述硅鐵交流礦熱爐電弧區(qū)傳熱和流體流動，研究了電流和電弧長度對熔池內流場和溫度分布的影響。劉順娣[4]等建立了爐襯與爐內熔池耦合的三維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型。張官正[5]等研究了礦熱爐爐襯中溫度場的分布情況。礦熱爐大型化是鐵合金行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，但由于生產中超負荷運行、冶煉操作不當以及爐襯結構或耐火材料選擇不合理等原因導致礦熱爐爐襯燒穿、熱膨脹所導致的漏爐及爐襯形變等問題亟待解決。

1? 工藝流程

在預熱還原-礦熱爐工藝中，為了提高熔煉效率一般采用全封閉式礦熱爐，礦熱爐的爐襯為鎂磚（鎂質材料），堵鐵口一般采用綠泥[6]。在礦熱爐工藝中，利用爐料、爐渣的電阻熱和電極弧提供熱量，對礦料進行還原熔煉。爐料在高溫下經過化學反應會發(fā)生分層現(xiàn)象，即生料層、軟熔層、殘?zhí)紝?、熔渣層和液態(tài)合金層[7]。工藝流程如圖 1 所示，生料層是由焙砂（紅土礦、溶劑和還原劑）組成，當溫度逐漸升高至爐料軟熔溫度時，爐料開始軟化。因此，將半熔融狀態(tài)的礦料、爐渣和焦炭顆粒所在這一層稱為軟熔層，軟熔層下部是還原反應的主要部位。在軟熔層中固相還原后，塊礦和精礦粉與殘留下來的焦顆粒經過沉降、聚集形成殘?zhí)紝樱蛱剂：腿墼嬖诿芏炔疃l(fā)生分離，位于熔渣之上。另外，殘?zhí)紝泳哂羞^濾液態(tài)合金產品的作用，并且爐內熱量主要來自殘?zhí)紝酉虏浚瑴囟茸詺執(zhí)紝酉蛏蟼鬟f。爐料在經歷還原、置換和造渣反應的生成物與未反應的殘余礦料形成爐渣，并在高溫作用下呈熔融狀態(tài)，形成熔渣層。被還原出的金屬在高溫下熔化形成金屬液滴[8]。由于金屬與爐渣間有密度差，并在重力作用下穿過熔渣層后，形成液態(tài)金屬層從而實現(xiàn)鎳鐵合金與爐渣分離。由于熔煉過程一般采用封閉式礦熱爐，在還原反應過程中會產生大量一氧化碳，爐氣中一氧化碳的質量分數(shù)最高可達75%，通過收集和凈化工序后，將爐氣引入干燥窯或回轉窯中作為燃料。礦熱爐出渣溫度在1 550～1 600 ℃，爐渣溫度一般會高于鐵水溫度（30～50 ℃）。在礦熱爐生產工藝中，在40～50 min進行一次合金熔液排放，而排渣時間一般控制在30 min[9]。

1? 模型建立與網(wǎng)格劃分

本研究以三相交流電鎳鐵礦熱爐為原型，采用solidworks軟件建立三電極圓形封閉式礦熱爐，如圖2所示。網(wǎng)格采用ICEM CFD軟件進行劃分，見圖3。

2? 數(shù)學模型

熱量傳導模型與爐料子模型一致，熱應力基本方程包括幾何方程（聯(lián)系應變和位移分量的方程）、物理方程、平衡方程、協(xié)調方程等，可根據(jù)動量方程、能量定律求解，其公式如表1所示。

3? 結果與討論

礦熱爐形變量示意圖如圖4所示，不同插入深度下的爐體變形量如圖5所示。由圖4、圖5可知，隨著電極插入深度的增加，礦熱爐爐體的變形量在逐漸降低。變形最大位置位于渣-金層高度的爐殼連接件附近，并呈現(xiàn)環(huán)帶狀分布，也就是實際生產中遇到的脹爐現(xiàn)象。觀察圖4可知，在電極插入1.7 m時，爐體變形量高達19.4 mm。在實際生產中這個變形量將會對爐體的安全性產生影響。而在電極插入2 m深時，爐體變形量降至15.6 mm，脹爐現(xiàn)象得以緩解，降低了安全隱患。由圖5可知，這是由于爐膛內部的溫度隨著電極插入深度的變化而變化，插入越深，內部溫度越低，內部爐膛溫度差距可以在300～400 ℃，而爐體外側的爐殼溫度由于受自然對流換熱的影響溫度始終保持在80～100 ℃，所以電極插入得越深，整個爐襯及爐殼之間的溫度梯度越低，而熱變形與溫度梯度有關，故而插入越深產生的熱變形越小。同時爐體變形量的下降趨勢與爐膛最高溫度的下降趨勢趨于一致，更加契合爐膛溫度對爐體的變形量產生的影響[10]。

礦熱爐爐膛壓力示意圖如圖6所示。由圖6可以看出，隨著電極插入深度的增加爐膛底部中心面所受壓力在逐步減小，而爐襯側壁所受壓力較低。與熱變形的原因一樣，工業(yè)生產中爐體底部會有強風流過起降溫作用，所以在電極插入深度較低時爐膛溫度高，此時的爐膛底部的搗打料層溫度梯度較大，產生的熱應力就會大于電極插入深度較高時的應力大小。在實際生產中爐膛底部中心區(qū)經常會發(fā)生合金溶液的侵蝕產生破損、剝落。而在這一過程中其中心區(qū)所受壓力過大也是加速這一現(xiàn)象的原因之一。

4? 結 論

通過對礦熱爐溫度場與熔池內液體分數(shù)分布的數(shù)值模擬，可得出如下結論：

1）爐體變形量最大位置位于爐膛內底部邊緣處與之相連的爐體外側爐殼，從外部觀察呈水桶狀；變形量隨著電極插入深度逐漸減低，變化趨勢與爐膛溫度變化趨勢一致，在電極插入1.7 m時爐體變形量最大為19.4 mm。

2）爐膛壓力在底部中心區(qū)域最大，最大為 106.8 MPa，且隨著電極插入深度的增加而逐漸變小，與溫度分布趨勢基本一致。

3）在企業(yè)的實際生產過程中，如果應用本研究數(shù)值模擬的結果，礦熱爐的生產壽命與生產效率會增加，脹爐風險會降低，安全性大大加強，既減少了安全事故，又提高了能源的利用率，節(jié)約了能源。

參考文獻：

［1］KADKHODABEIGI M， TVEIT H， JOHANSEN S T. CFD modelling of the effect of furnace crater pressure on the melt and gas flows in the submerged arc furnaces used for silicon production[J]. Progress in Computational Fluid Dynamics An International Journal， 2010， 10（5-6）： 374-383．

［2］KARALIS K T， KARKALOS N， CHEIMARIOS N， et al. A CFD analysis of slag properties， electrode shape and immersion depth effects on electric submerged arc furnace heating in ferronickel processing[J].Applied Mathematical Modelling， 2016， 40（21-22）： 1-15．

［3］MOGHADAM M M， SEYEDEIN S H， ABOUTALEBI M R. Fluid Flow and heat transfer modeling of AC arc in ferrosilicon submerged arc furnace[J]. Journal of Iron & Steel Research， 2010， 17（9）：14-18.

［4］劉順娣，李寶寬，于洋，等.直流礦熱爐熔煉硅錳合金溫度場-電磁場數(shù)值模擬[J].中國冶金，2022，32（1）：104-111.

［5］張官正，段望春，董兵斌，等.礦熱爐爐襯結構的溫度場分析[J].中國冶金，2017，27（11）：68-72.

［6］儲少軍，牛強，劉新宇，等.礦熱爐爐料逾滲結構的冷態(tài)模擬研究[J].鐵合金，2001（1）：5-8．

［7］翟丹，儲少軍，李忠思，等.錳硅鐵合金冶煉電弧爐中焦炭層電流分配行為的模擬[J].過程工程學報，2008（3）：449-452．

［8］姜文婷，魏奎先，呂國強，等.工業(yè)硅冶煉礦熱爐內起弧過程數(shù)值模擬[J].有色金屬工程，2021，11（7）：60-6.

［9］劉鵬. 預熱還原與礦熱爐流程匹配及爐窯熱工特性研究[D]. 沈陽：東北大學，2017.

［10］于洋，李寶寬，韻晨成，等.埋弧礦熱爐溫度場與電磁場數(shù)值模擬研究[J].鐵合金，2020，51（6）：30-3：.

［11］孫昊，劉鵬，張新杰，等.電極插入深度對礦熱爐加熱影響的CFD分析[J].遼寧化工，2022，51（7）：991-993.

Analysis on Electro/Magnetic/Thermal Multiphysics Coupled

Thermal Stress Field of Mine Heat Furnace

DU Jinqi， LIU Peng， SUN Hao， LI Yaqi， ZHANG Yue， WANG Cuihua

（School of Mechanical and Power Engineering， Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang Liaoning 113142， China）

Abstract：? In order to explore the distribution of thermal stress of the furnace body during stable operation， a large-scale ore furnace electrical/magnetic/thermal multiphysics coupled multiphase flow heat transfer mass transfer and thermal stress calculation model was established， and Fluent software user-defined functions （UDFs） were used to realize the electrothermal conversion phenomenon （arc heat and resistance heat）， ore melting heat transfer， electrical/magnetic/thermal multiphysics coupling simulation analysis in the furnace， and the heat and mass transfer mechanism of ore/slag/alloy liquid/furnace lining in AC ore furnace under multi-physical field coupling conditions was explored， combined with the thermal-structure coupling method， the simulation calculation of the thermal stress of the furnace lining under the working condition of the large-scale mine hot furnace was carried out， and the deformation position and deformation amount of the furnace lining were accurately predicted. The results showed that with the increase of electrode insertion depth， the pressure in the furnace and the shape variable of the furnace body decreased.

Key words：? Submerged arc furnace; Temperature field; Furnace Lining deformation; Numerical simulation