高 波,牛立斌,王曉剛,張 騰

(1.榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 榆林 719000;2.西安科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)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(jiǎn)單,成為當(dāng)前我國(guó)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(tuán)料加熱到還原溫度(1150～1250℃),存在加熱時(shí)間長(zhǎng)、熱利用率低、能耗大、污染嚴(yán)重、工人的勞動(dòng)強(qiáng)度高等問(wèn)題[1-2]。而內(nèi)熱式煉鎂爐在較大程度上能夠解決上述問(wèn)題,但是在內(nèi)熱式煉鎂過(guò)程中,爐內(nèi)及結(jié)晶桶的溫度場(chǎng)分布對(duì)還原效率和金屬鎂的質(zhì)量非常重要,因此需對(duì)內(nèi)熱式煉鎂爐的溫度場(chǎng)進(jìn)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(shí)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(yàn)基礎(chǔ)上,采用ANSYS軟件對(duì)新型的內(nèi)熱式煉鎂爐結(jié)晶桶及系統(tǒng)還原爐的溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬與分析,以期對(duì)實(shí)際工作有一定的指導(dǎo)意義。

1 模型建立與反應(yīng)料物性參數(shù)設(shè)定

1.1 模型的建立

幾何模型是以試驗(yàn)爐的尺寸、裝料量、球團(tuán)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(dǎo)入到deform軟件中(由于涉及到知識(shí)產(chǎn)權(quán)的問(wèn)題,相關(guān)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(guò)程中,結(jié)晶鎂的品質(zhì)極大程度上取決于結(jié)晶桶的溫度場(chǎng)分布[4],故首先須分析結(jié)晶桶底部輸入能量為穩(wěn)態(tài)時(shí),獲得結(jié)晶桶在長(zhǎng)度方向上溫度梯度較為穩(wěn)定的作用時(shí)間。在此基礎(chǔ)上,再對(duì)由結(jié)晶桶與還原爐組成的還原系統(tǒng)進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬,以求獲得與實(shí)際更接近的信息。

1.2 模型假設(shè)與分析

由于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)時(shí)爐體較大,爐內(nèi)熱量有傳導(dǎo)、對(duì)流與輻射,同時(shí)還存在結(jié)晶潛熱以及結(jié)晶桶與外界的能量交換等,條件較為復(fù)雜。對(duì)所有可能性進(jìn)行分析模擬,這將給模型的建立以及網(wǎng)格的劃分帶來(lái)巨大困難。因此在模擬時(shí),須將傳熱過(guò)程的參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)睾?jiǎn)化和假設(shè)。

(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(yīng)過(guò)程因生成物及中間產(chǎn)物而引起的物性參數(shù)(導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容)的變化。

(3) 假定在整個(gè)過(guò)程中,物料按化學(xué)配比混合均勻,反應(yīng)料是各向同性的。

(4) 忽略反應(yīng)過(guò)程中的副反應(yīng)。

(5) 反應(yīng)爐內(nèi)為真空狀態(tài),無(wú)空氣存在。

1.3 混合料物性參數(shù)確定

煉鎂的球團(tuán)料比熱容對(duì)爐內(nèi)的熱傳導(dǎo)影響較大,根據(jù)皮江法煉鎂的還原溫度,須對(duì)球團(tuán)料和發(fā)熱體的比熱容、球團(tuán)料的物性參數(shù)進(jìn)行選擇[5-6]。球團(tuán)料密度為1000 kg/m3,熱導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(jié)果與分析

2.1 結(jié)晶桶穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)模擬

將結(jié)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(shè)置成各向同性的,結(jié)晶桶與還原爐相交接處(結(jié)晶桶的大端)溫度設(shè)置為1000℃,模擬后如圖2所示。

圖2 穩(wěn)態(tài)結(jié)晶桶加熱1h的溫度云圖

圖2為穩(wěn)態(tài)1 h后,結(jié)晶桶在長(zhǎng)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(shí)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(shì)與此相似,只是溫度梯度變小,不同溫度的區(qū)域大小越來(lái)越相近。

圖3 穩(wěn)態(tài)結(jié)晶桶加熱后的溫度云圖

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

2.2 還原系統(tǒng)溫度場(chǎng)模擬

2.2.1 加熱至1 h及3 h時(shí)的瞬態(tài)溫度場(chǎng)對(duì)比

圖4為還原爐和結(jié)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(shí)間的延長(zhǎng),還原爐內(nèi)溫度逐步升高,并且靠近還原爐的結(jié)晶桶(大端)溫度較高,結(jié)晶桶的小端處溫度依然很低(參見(jiàn)圖4a和圖4b);加熱3 h后的還原爐溫度繼續(xù)升高,連帶結(jié)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(jiàn)圖4c)。

圖4 系統(tǒng)模擬加熱的溫度云圖

從爐內(nèi)球團(tuán)料的溫度變化來(lái)看(參見(jiàn)圖5a),加熱1 h后,70%以上的球團(tuán)料溫度在350～770 K之間,達(dá)到反應(yīng)溫度(>1300 K)的球團(tuán)料占比為10%左右;加熱3 h后(參見(jiàn)圖5b),大約20%的球團(tuán)料溫度低于800 K,70%的球團(tuán)料溫度在1040～1190 K之間,整體上滿(mǎn)足還原反應(yīng)條件溫度的物料較少,故需要延長(zhǎng)加熱時(shí)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(shí)的瞬態(tài)溫度場(chǎng)對(duì)比

圖6為還原爐和結(jié)晶桶組成的還原系統(tǒng)在給定的功率下加熱5 h時(shí),還原爐內(nèi)溫度進(jìn)一步升高,結(jié)晶桶底部(大端)溫度依然較高(參見(jiàn)圖6a),更遠(yuǎn)處的溫度相比加熱1 h時(shí)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(jié)晶桶溫度也有更多的區(qū)域較之前有了不少的提升,結(jié)晶桶口(小端)的溫度升高較為明顯(參見(jiàn)圖6b)。圖6所示為非線(xiàn)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(jié)晶桶部分,此時(shí)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(tuán)料的溫度變化來(lái)看(參見(jiàn)圖7),加熱5 h后, 超過(guò)50%的球團(tuán)料溫度在1390～1580 K之間,而20%球團(tuán)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(guò)75%的球團(tuán)料溫度大于1423 K,表明絕大部分的球團(tuán)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(tuán)料達(dá)到較佳的反應(yīng)溫度,且溫度分布集中,絕大多數(shù)物料都處于合適的反應(yīng)溫度。而加熱5 h時(shí),球團(tuán)料大部分溫度都達(dá)不到反應(yīng)溫度,并且溫度區(qū)間過(guò)于分散,不適合煉鎂還原過(guò)程?？紤]到溫度上升的滯后性,故認(rèn)為系統(tǒng)模擬后,較佳的加熱時(shí)間為5～6 h,此時(shí)能量的損耗較少。

3 結(jié) 論

采用ANSYS軟件對(duì)內(nèi)熱法煉鎂時(shí),穩(wěn)態(tài)結(jié)晶桶及還原系統(tǒng)的溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化進(jìn)行模擬。

(1) 在穩(wěn)態(tài)結(jié)晶桶底端溫度恒定為1000℃時(shí),隨著時(shí)間的推移,溫度梯度逐漸變小,當(dāng)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(jié)晶桶組成系統(tǒng)后模擬得知,當(dāng)加熱6 h后,爐內(nèi)物料大多處于1150～1250℃之間,適宜反應(yīng)的進(jìn)行和利于鎂蒸氣的冷凝,且能量損耗小。