镁热法生产海绵钛还原过程反应熔池的传热模型.pdf

2 0 1 3 年第1 1 期有色金属 冶炼部分 h t t p n y s y l ．b g r i m m ．c n 1 9 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 3 ．11 ．0 0 7 镁热法生产海绵钛还原过程反应熔池的传热模型 王文豪，吴复忠，金会心，高成涛 贵州大学材料与冶金学院，贵阳5 5 0 0 2 5 摘要利用V O F 多相流模型、能量方程、R N Gk - e 方程及其边界条件，建立镁热法生产海绵钛还原熔池 的传热模型。结果表明，计算得到的温度场分布与实测值吻合较好。 关键词海绵钛；还原；熔池；传热；模拟 中图分类号T F 8 2 3 ；T F 0 6 1文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 3 1 1 0 0 1 9 0 3 H e a tT r a n s f e rM o d e lo fM o l t e nB a t hi nS p o n g eT i t a n i u m P r o d u c t i o nw i t hM a g n e s i o t h e r m i cR e d u c t i o n W A N GW e n h a o ，W UF u z h o n g ，J I NH u i x i n ，G A OC h e n g t a o S c h o o lo fM a t e r i a l sa n dM e t a l l u r g y ，G u i z h o uU n i v e r s i t y ，G u i y a n g5 5 0 0 2 5 ，C h i n a A b s t r a c t H e a tt r a n s f e rm o d e lo fm o l t e nb a t hi ns p o n g et i t a n i u mp r o d u c t i o nb ym a g n e s i o t h e r m i cr e d u c t i o n w a se s t a b l i s h e dw i t hV O Fm u h i p h a s ef l o wm o d e l ，e n e r g ye q u a t i o n ，R N G 肛￡e q u a t i o na n di t sb o u n d a r y c o n d i t i o n s ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h et e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o nb yc a l c u l a t i o np r e f e r a b l yc o i n c i d e s w i t ht h em e a s u r e dv a l u e ． K e yw o r d s s p o n g et i t a n i u m ；r e d u c t i o n ；m o l t e np o o l ；h e a tc o n d u c t i o n ；s i m u l a t i o n 镁热还原一真空蒸馏法在海绵钛工业生产中已 占据主导地位[ 1 ] 。该方法在实现M g - C 1 2 - M g C l 。闭 路循环的同时，由于还原后立即进行真空蒸馏，蒸馏 物仍处于高温状态，达到了节能目的，但是由于还原 过程中，反应釜的散热能力弱，极大地限制了T i C l 。 的加料速度，致使还原过程周期长、电耗高[ 2 伽。国 内对海绵钛还原熔池内传热与流动的方式及机理的 研究还处于空白状态[ 4 ’5 ] 。本文以多相湍流模型为 基础，研究还原过程反应熔池的传热，揭示还原熔池 内部的传热与流动状态，能够为研究和改善反应釜 内的能量传递与质量流动过程提供依据。 1 物理模型 1 ．1 物理模型的简化 镁还原T i C l 。是一个复杂的物理化学过程，液 态T i C l 。经管道加入反应釜后，由于反应釜内温度 较高，T i C l 。迅速气化，气态T i C l 。与液态金属镁液面 接触并发生反应。在模拟研究时需要对实际生产模 型进行合理的简化和假设1 化学反应过程不是整 个生产过程的限制性环节，即T i C l 。加入后迅速与 金属镁发生化学反应，反应区内四氯化钛和金属镁 不可能大量存在；2 不考虑炉内过程沿圆周方向的 变化，即只把海绵钛还原生成过程看成是具有轴对 称的问题来处理。 1 ．2 物理模型 研究涉及到的各物质物性参数见表1 。模拟计 算采用单孔加料，加料孔直径2 0m m ，反应釜熔池 液面上部为气相，采用氩气填充 图1 。 收稿日期2 0 1 3 0 5 0 8 基金项目教育部重点项目 教技袁q [ 2 0 1 2 1 7 6 号 ；贵州省科技厅社会发展攻关项且 黔科合S Y [ 2 0 1 0 1 3 0 1 1 号 ；贵州省科技厅工业攻关项目 黔科合G Z 字[ 2 0 1 1 3 3 0 1 3 号 ；贵州省教育厅重点项目 黔教科 2 0 1 1 0 3 3 号 ；贵州大学研究生刨新基金 理2 E [ 2 0 1 2 0 2 6 ] 作者简介王文豪 1 9 8 9 一 ，男，安徽蒙城人，硕士研究生． 万方数据 2 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年第1 1 期 表1 不同物质的物性参数 “ I h b l e1 P h y s i c a lp r o p e r t yp a r a m e t e r so fm a t e r i a l s 图1海绵钛还原计算模型 统 E F C ，它不但能准确描述复杂的几何边界，还可 以利用很密的网格求解而不占用计算机过多的内 存嘲。经A N S Y S 软件的M E S H 模块划分网格后 的反应釜如图2 所示。 图2划分网格后的物理模型 F i g ．2 M e s h e dp h y s i c a lm o d e l 3 数学模型 选取图1 中的坐标系来描述整个过程，考虑 V O F 多相流模型、能量方程、R N Gk - e 方程。 3 ．1 化学反应模型 镁还原四氯化钛化学反应模型建立的基础是流 体流动的湍流模型，采用混合模型，具体如下 障嬲微黑黧黧黧耄需篙端譬效监黼撇； 竺懋塞三婴笔釜耋妻 望翌过望竺竺鍪罂篓嚣≤㈦川1 ～ 霎凳皂妾慧兰鹜黧撬曼黧霉“‘差嚣朵磊描述反应釜内传输现象的三维 冬耋熬黧盥矍懋黧不可黼淼帚粼_ 卅”⋯”“一4 也就是说，必须在流动变量梯度大的区域分布足够 。。～”“～⋯～““。’。1 “‘ 方程名称 O 连续性方程 1 轴向动量方程 “ 径向动量方程 ” 湍动能方程h S 0 丢 M 凳 导 m ∥舅 甲，g 一薯 丢 M 舅 导 m 吖舅 P ∥芳一箬 阳{ z [ 差 2 雾 2 手 2 ] 等 凳 2 一严 三。晰 Ⅵ警 万方数据 2 0 1 3 年第1 1 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m 。c n 2 1 4 传热模型模拟结果分析 4 ．1 还原反应熔池温度场 图3 给出不同T i C l 。加料速度下，还原熔池中部 温度场的计算结果。 a 5 8 5k g ／h ■●} } 2 j ■墨8 7 3 口c 2 5 曩■9 ．5 图3 不同T i C i 。加料速度下反应 釜熔池的温度分布 F i g ．3T e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fm o l t e nb a t h u n d e rd i f f e r e n tf e e d i n gs p e e do fT i C l 4 由图3 可以看出，还原熔池在2 种加料速度下 的温度场分布基本一致，由于氯化镁的导热性差，海 绵钛的导热性也差，致使整个反应体系的温度从上 到下、从中心向圆周方向依次递减。反应区域中心 温度比较稳定，在反应的液面中心部位温度最高，为 9 5 0 ℃，还原温度由反应液面至反应釜底部逐渐降 低，反应釜底部温度为8 1 5 ℃。核心反应区域传热 与流动条件好，温度梯度小；熔池下部传热与流动的 条件相对较差，温度梯度较大。 比较图3 a 和图3 b 可以看出，加料速度快，对还 原熔池的冲击较大，从而改善了熔池传热与流动的 条件，化学反应产生的热量能够充分向熔池边界传 递。因此，图3 a 较图3 b 中高温区域的分布范围更 广，核心区温度梯度更小。 4 ．2 反应釜表面温度分析 图4 给出了反应釜表面不同位置的温度模拟值 与计算值的比较。 从图4 可以看出，在 ／H 一0 ．5 5 处的温度比 h ／H 0 ．4 0 处高出约7 0 ～8 0 ℃。主要是由于 ／H 一0 ．5 5 位置大概处于核心反应区，在海绵钛还原反 应过程中，核心反应区的化学反应能够迅速完成，并 且在核心反应区熔池的传质条件好，化学反应产生 p 、 蜊 廷 巨 懈 { 6 i | 铡 怄 图4 反应釜外表面温度随时间的变化 F i g ．4R e l a t i o n s h i pb e t w e e nt e m p e r a t u r eo f r e a c t o ro u t s i d es u r f a c ea n dt i m e 的热量能够很快向外传递。而在远离核心反应区的 区域，传质传热条件较差，温度场温度梯度大，因此 导致h ／H 0 ．5 5 处的温度变化率较小，温度比较稳 定，而h ／H 0 ．4 0 处温度的变化较为明显，温度波 动范围大。 4 ．3 还原反应釜中心温度分布 图5 是不同加料速度下，还原熔池中心温度的 计算值和实测值对比。由图5 可看出，随着加料速 度的变化，反应熔池中心温度也随之改变，还原熔池 中心温度的计算值和实测值的吻合度较好。 p 、 越 赠 0 裂 竣 毯 赵 图5 还原熔池中心的温度变化 F i g ．5 C u r v eo ft e m p e r a t u r ei nt h e c e n t e ro fm o l t e nb a t h 5结论 镁热法生产海绵钛还原熔池内传热和流动过程 同时存在。试验建立的传热模型计算结果与实测值 的吻合度较高，一定程度上能够真实的反映出还原 熔池内部温度场的分布和流动状态。 下转第2 8 页 万方数据 2 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年第1 1 期 5 Z 7 3 1 ． [ 5 ] 王非，张一敏，黄晶，等．氟离子促进石煤提钒浸出过程 的热力学研究[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 3 9 4 1 4 4 ． [ 5 ] 王成彦．溶剂萃取过程絮凝物的形成及控制[ J ] ．矿冶， 2 0 0 1 ，1 0 1 6 8 7 1 ． [ 6 ] 宁朋歌，曹宏斌，林晓，等．钒铬萃取分离过程中界面乳 化物的形成行为[ J ] ．中国有色金属学报，2 0 0 9 。1 9 4 7 7 4 7 7 8 ． [ 7 ] 杨桂林，彭福郑，刘志芬，等．稀土萃取分离过程三相乳 化物的研究I 一无机杂质富集沉淀导致的乳化[ J ] ．稀 有金属，2 0 0 7 ，3 1 4 5 4 7 5 5 1 ． [ 8 ] Z H E N GQ i ，R U A NR e n - n l a n ，W E NJ i a n k a n g ，e ta 1 ．I n f l u e n c e so fs o l i dp a r t i c l e sO nt h ef o r m a t i o no ft h et h i r d p h a s e e r u dd u r i n gs o l v e n te x a a e t i o n [ J ] ．R a r eM e t a l s ， 2 0 0 7 ，2 6 1 8 9 9 6 ． [ 9 ] 柳建设，王淀佐，邱冠周，等．铜萃取过程污物的形成机 理研究[ J ] ．矿冶工程，2 0 0 2 ，2 2 2 8 9 9 2 ． [ 1 0 ] 刘晓荣，邱冠周，胡岳华，等．B L s x E w 工艺中萃 取界面乳化现象成因研究[ J - I ．矿冶工程，2 0 0 0 ，2 0 4 3 8 4 1 ． [ 1 1 ] L U C A R S E N R E Y N D E R SEH ．V a nd e nT e m p e lM ． S t a b i l i z a t i o no fw a t e r - i n - o i le m u l s i o n sb ys o l i dp a r t i c l e s I - J ] ．J o u r n a lo fP h y s i c a lC h e m i s t r y ，19 6 3 ，6 7 4 7 3 1 7 3 4 ． 1 - 1 2 - 1 郑清远，张启修，郑蒂基．湿法冶金学[ M ] ．长沙中南 大学出版社，1 9 9 8 ． 上接第1 2 页 参考文献 [ 1 ] 汪立果．铋冶金[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 8 6 9 9 1 3 7 ． [ 2 ] 彭庆奎．成源矿冶铋火法精炼生产实践[ J ] ．中国有色 冶金，2 0 1 2 ，4 1 1 1 7 - 1 9 ． [ 3 ] 杨部正，戴永年，杨斌，等．加锌连续除银[ J ] ．有色金 属，1 9 9 6 ，4 8 3 8 5 8 8 ． [ 4 ] 付砺，牛合体．直接灰吹法测定金泥中的金和银[ J ] ．黄 金，1 9 9 8 ，1 9 5 5 2 5 3 ． [ 5 ] 丘克强，陈启元．金属分步结晶精炼的热力学I - J ] ．有色 金属，1 9 9 9 ，5 l 4 4 3 4 8 ． [ 6 ] 包崇军，蒋文龙，贾著红，等．从银锌渣真空蒸馏回收银 和铋的研究[ J ] ．昆明理工大学学报自然科学版，2 0 1 2 ， 3 7 1 1 6 2 0 ． [ 7 ] 张听红．铋火法精炼中加锌除银工艺的改进i - 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