鎳鐵冶煉還原過(guò)程及多相流行為數(shù)值模擬

摘" " " 要：提出了一種模擬工業(yè)埋弧爐內(nèi)冶煉還原和多相流行為的瞬態(tài)三維模型，分析了礦熱爐冶煉過(guò)程中多相傳質(zhì)和鎳鐵還原反應(yīng)。該模型通過(guò)對(duì)電流連續(xù)性方程、麥克斯韋方程、質(zhì)量運(yùn)輸方程和多相流體積分?jǐn)?shù)方程進(jìn)行耦合求解。結(jié)果表明：隨著電極插入深度的增加，氧化鎳比氧化鐵更容易被還原，且還原區(qū)域主要集中在電極下方至爐膛底部區(qū)域，當(dāng)冶煉40 min時(shí)，三電極下方區(qū)域的氧化鎳基本被完全還原，氧化鐵在電極插入2.1 m時(shí)，氧化鐵還原量基本保持穩(wěn)定，考慮到高溫對(duì)爐膛底部的影響，建議電極插入深度為2.1 m更適合鎳鐵冶煉還原。

關(guān)" 鍵" 詞：鎳鐵還原；多相流；多物理場(chǎng)；數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：TF806.7" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號(hào)：1004-0935（2025）01-0051-04

在我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的關(guān)鍵時(shí)期，鎳基不銹鋼因其良好的耐熱性和耐腐蝕性，成為我國(guó)戰(zhàn)略發(fā)展的重要保障。但鎳鐵冶煉過(guò)程能耗大，空氣污染嚴(yán)重，不符合現(xiàn)階段低碳發(fā)展的潮流。預(yù)熱還原-礦熱爐工藝因其適應(yīng)力強(qiáng)[1]、爐內(nèi)溫度易控、有利于氧化鐵碳還原過(guò)程、通過(guò)控制碳含量可提高鎳鐵品位、使合金中硫和磷等有害元素含量較低等優(yōu)點(diǎn)，成了現(xiàn)階段最普遍的冶煉方式之一。冶煉工藝主要包括電弧起弧、爐料升溫、穩(wěn)定熔煉和合金導(dǎo)出階段[2]。電流通過(guò)電極引入至熔池內(nèi)部，在電極底部發(fā)生電離形成電弧，起弧過(guò)程產(chǎn)生的電弧熱[3]，在熱輻射、熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流的作用下使?fàn)t膛內(nèi)物料和爐襯溫度逐漸提高。伴隨著物料溫度的提升鎳鐵還原過(guò)程也逐漸進(jìn)行，生成的爐渣和合金形成液滴掉落至爐膛底部。由于爐內(nèi)的高溫環(huán)境難以對(duì)爐內(nèi)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，限制了鎳鐵冶煉工藝的改進(jìn)，數(shù)值模擬的快速發(fā)展為冶煉過(guò)程提供了重要手段[4]。

現(xiàn)階段關(guān)于鎳鐵礦熱爐的數(shù)值研究主要集中在交流電和直流電的起弧過(guò)程、工業(yè)運(yùn)行控制和合金狀態(tài)的研究。為了捕捉瞬態(tài)冶煉過(guò)程，SCHEEPERS等[5]提出了一個(gè)簡(jiǎn)化的爐模型，描述了具有反應(yīng)和傳熱的填充床區(qū)域。在爐膛材料方面，明確地考慮了相關(guān)的材料性能。在模型中忽略了由礦渣相和磷鐵相組成的固定層。WANG等[6]建立了一個(gè)考慮電磁流場(chǎng)、熱流場(chǎng)和流體流場(chǎng)的三維模型，研究了氧化鎂生產(chǎn)過(guò)程中的穩(wěn)態(tài)。同時(shí)也考慮了熔融槽的形狀，并在爐膛運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。KARALIS等[7]模擬了鎳鐵的加熱過(guò)程，提出了一個(gè)二維模型，其中包括電勢(shì)、動(dòng)量和傳熱量的方程。KADKHODABEIGI等[8]采用了三維兩相流模型來(lái)捕獲硅和鉻鐵在SAF中的氣液流動(dòng)特性及其對(duì)攻絲過(guò)程的影響。XIA等[9]通過(guò)模擬研究了鎳液滴在電爐中的沉降行為，但液滴沉降行為是根據(jù)液滴體積分?jǐn)?shù)分布和液滴軌跡來(lái)設(shè)定的。

研究鎳鐵冶煉過(guò)程大都局限于升溫階段，對(duì)冶煉過(guò)程中多物理場(chǎng)變化和多相流現(xiàn)象研究甚少。建立了一個(gè)三維瞬態(tài)模型來(lái)描述工業(yè)礦熱爐內(nèi)復(fù)雜電熱轉(zhuǎn)換、相間傳質(zhì)和熱化學(xué)現(xiàn)象的冶煉過(guò)程，對(duì)電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、流場(chǎng)和反應(yīng)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)場(chǎng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并研究了鉻鐵液滴的性能。通過(guò)改變電極插入深度研究其對(duì)鎳鐵冶煉過(guò)程的影響。

1" 模型建立與網(wǎng)格劃分

通過(guò)SolidWorks對(duì)熔池進(jìn)行建模，利用ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)邊界及溫度梯度較大的區(qū)域進(jìn)行細(xì)化，結(jié)果如圖1所示。

礦熱爐結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。在電極底部施加電壓為264 V交流電壓，頻率為50 Hz，相位差為120°?？紤]到電弧起弧過(guò)程，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-e湍流模型。采用P1輻射模型處理電弧輻射。

2" 數(shù)學(xué)模型

模型框架是通過(guò)耦合電磁、傳熱、還原反應(yīng)和多相流的4個(gè)子模型來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為了減少計(jì)算資源，對(duì)模型提出了如下假設(shè)和簡(jiǎn)化：物料在爐中均勻混合并充滿整個(gè)爐膛；電極的電導(dǎo)率為225 000 S·m-1，電極分壓較小，所以忽略了電極；礦渣和鉻鐵的物理性質(zhì)是不變的。

2.1" 電磁子模型

電磁子模型中方程式如下：

（1）

（2）

（3）

（4）

式中： —磁矢量；

t—時(shí)間步長(zhǎng)；

σ—電導(dǎo)率；

φ—電勢(shì)；

—磁場(chǎng)；

—電磁力；

—電流密度。

2.2" 反應(yīng)子模型

通過(guò)對(duì)紅土鎳礦進(jìn)行非等溫碳熱還原實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)不同加熱速率下還原爐氣進(jìn)行分析，根據(jù)還原過(guò)程中氣體組成變化和各階段還原試樣的物相分析，可以將碳還原過(guò)程分為3個(gè)階段[10]。

初始階段的主要化學(xué)反應(yīng)：

3Fe2O3（s）+C（s）=2Fe3O4（s）+CO（g）" " "（5）

Fe3O4（s）+C（s）=3FeO（s）+CO（g）" " " （6）

NiO（s）+C（s）=Ni（s）+CO（g）" " " " （7）

初始階段的活化能隨著化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行由" 223 kJ·mol-1快速下降到76 kJ·mol-1。

中期階段的主要化學(xué)反應(yīng)：

CO（g）+C（s）=2CO（g） " " " " " "（8）

Fe3O4（s）+C（s）=3FeO（s）+CO（g）" " " （9）

FeO（s）+CO（g）=Fe（s）+CO2（g）" " " （10）

中期階段活化能快速增加，由76 kJ·mol-1增加到184 kJ·mol-1。

衰變階段的主要化學(xué)反應(yīng)：

FeO（s）+CO（g）=Fe（s）+CO2（g）" " " "（11）

2FeO（s）+SiO2（s）=Fe2SiO4（s）" " " "（12）

衰變階段活化能由184 kJ·mol-1緩慢減小到 132 kJ·mol-1，隨后又增加到173 kJ·mol-1，該階段受化學(xué)反應(yīng)控制。

2.3" 傳熱子模型

由于還原反應(yīng)而產(chǎn)生的熱損失也通過(guò)能量源項(xiàng)Qs添加到能量方程中。能量的控制方程為：

（13）

式中：ρ—多相流密度；

λ—導(dǎo)熱系數(shù)；

T—熔池溫度；

cp—比熱容，熔化潛熱等值轉(zhuǎn)化為比熱容。

（14）

（15）

式中：a—吸收系數(shù)；

KB—玻爾茲曼常量；

e—電子電荷；

Mo—摩爾質(zhì)量；

i—還原反應(yīng)類(lèi)型；

q—反應(yīng)吸收熱量；

c—反應(yīng)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

QAR—輻射損失。

2.4" 多相流子模型

礦石顆粒的堆積形成了爐膛的物料，顆粒之間的空隙由爐膛氣體填充，實(shí)驗(yàn)測(cè)得孔隙率為0.4。礦渣和鎳鐵是不混溶的流體，由于密度不同，在冶煉過(guò)程中會(huì)發(fā)生分層，采用流體體積（VOF）模型。當(dāng)還原反應(yīng)發(fā)生時(shí)，合金相產(chǎn)生并沉淀入爐底。相間傳質(zhì)表示為：

（16）

（17）

式中：i—各相態(tài)，i =1為合金相，i=2為爐氣相，i=3為爐渣相；

α—體積分?jǐn)?shù)；

X—化學(xué)反應(yīng)速率，由Arrhenius方程求解，X=Aexp（-Ea/RT）；

A—指前因子；

Ea—活化能；

j—氧化鎳和氧化鐵；

K—反應(yīng)的臨界溫度，由還原反應(yīng)熱力學(xué)決定；

R—空氣動(dòng)力學(xué)常數(shù)；

MR—物料的摩爾質(zhì)量；

Mo—合金的摩爾質(zhì)量；

MCO—爐氣的摩爾質(zhì)量。

3" 結(jié)果與討論

3.1" 礦熱爐內(nèi)合金滴落

爐內(nèi)鎳鐵合金滴落現(xiàn)象如圖2所示。鎳鐵合金體積分?jǐn)?shù)為0.14，由于電弧局部高溫的作用，使得爐內(nèi)高溫主要集中在電極底部附近，生成的鎳鐵合金在重力的作用下滴落至爐膛底部，同時(shí)也會(huì)攜帶一部分熱量，為爐膛底部升溫還原提供了條件。

3.2" 不同電極插入深度下氧化鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

不同電極插入深度下氧化鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著電極插入深度的增加，氧化鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，說(shuō)明氧化鎳的還原程度越高。這是由于隨著電極插入深度的增加，電弧高溫區(qū)隨之下移，使得物料層底部的溫度逐漸增加，氧化鎳的碳還原速率隨溫度的升高而增加，由于氧化鎳在物料中含量較低，所以電極下方區(qū)域的氧化鎳基本被完全還原。

3.3" 不同電極插入深度下氧化鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

不同電極插入深度下氧化鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖4所示。由圖4可以看出，隨著電極插入深度的增加，氧化鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低。相較于氧化鎳，氧化鐵在物料中的含量較高，且還原區(qū)域主要集中在三電極下方位置，說(shuō)明氧化鐵比氧化鎳更穩(wěn)定，更難被還原，對(duì)溫度的要求更高。

4" 結(jié) 論

1）由于電弧局部高溫的影響，合金生成主要集中在電弧附近，并攜帶大量熱量至熔池底部，為爐膛底部冶煉提供了條件。

2）電極插入深度由1.9 m增至2.5 m時(shí)，電極下方至熔池底部的氧化鎳基本被還原，氧化鐵被部分還原，且當(dāng)電極超過(guò)2.1 m時(shí)，氧化鐵的還原量變化很小，分析原因?yàn)檠趸F相較氧化鎳更穩(wěn)定，需要更高溫度才能發(fā)生反應(yīng)，其次氧化鐵在紅土鎳礦中的含量遠(yuǎn)高于氧化鎳。綜合以上因素，為了減少電極插入深度的增加對(duì)爐襯帶來(lái)的影響，建議鎳鐵冶煉過(guò)程中電極插入深度為2.1 m。

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Numerical Simulation of Reduction Process and Multiphase Behavior

in Ferronickel Smelting

LIN Shuhang， LI Maosheng， LIU Peng

（Shenyang University of Chemical Technology， Shengyang Liaoning 110142， China）

Abstract： A transient three-dimensional mathematical model simulating reduction reaction and multiphase flow behavior in an industrial submerged arc furnace was put forward to analyze the multiphase mass transfer and nickel-iron reduction reactions in the smelting process of submerged furnace. The model was solved by coupling the current continuity equations， Maxwell's equations， mass transport equations and volume fraction equations of multiphase flow. The result showed that nickel oxide was more easily reduced than iron oxide as the depth of electrode insertion increased， and the reduction area was mainly concentrated in the region from below the electrode to the bottom of the furnace chamber. When smelting for 40 min， the nickel oxide in the area below the three electrodes was basically completely reduced， and the amount of iron oxide reduction basically remained stable when the electrodes were inserted for 2.1 m. Considering the influence of high temperature on the bottom of the furnace chamber， it was recommended that the electrode insertion depth was 2.1 m， being more suitable for ferronickel smelting reduction.

Key words： Reduction reaction; Multiphase flow; Multiphysics field; Numerical simulation