新型竖置镁还原罐的设计.pdf

3 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 2 年2 期 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 2 ．0 2 ．0 0 8 新型竖置镁还原罐的设计 任玲，夏德宏，毕寒冰 北京科技大学热能工程系，北京1 0 0 0 8 3 摘要提出了外罐加内罐的竖置套罐结构。应用F I 。U E N T 软件对罐体及内部物料的传热过程进行模 拟分析。结果表明，新型竖置还原罐的加热速率较传统还原罐快。经实际工程应用验证，还原罐的使用 寿命延长到5 个月以上，且实现了机械装出料，提高了球团料加热速率，缩短了还原周期。 关键词镁；竖置还原罐；机械装出料；加热速率 中图分类号T F 8 2 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 2 0 2 一0 0 3 0 0 4 D e s i g no fN e wT y p eO fV e r t i c a lM a g n e s i u mR e d u c t i o nJa r R E NL i n g ，X I AD e _ h o n g ，B IH a n ．b i n g D e p a r t m e n to fT h e m a lE n g i n e er i n g ，U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yB e 幻i n g ，B e 玎i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t An e wv e r t i c a lr e d u c t i o nj a rs t r u c t u r ew a sd e v e l o p e d ，w h i c hc o n t a i n sa ni n n e rj a ra n da no u t e r j a r ，o rn a m e l yaj a rs e t ．T h eh e a tt r a n s f e ro ft h ej a rs e ta n dp e l l e t sw a ss i m u l a t e db yF L U E N Ts o f t w a r e ． T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eh e a t i n gr a t eo ft h en e wj a ri sh i g h e rt h a nt h a to ft h et r a d i t i o n a lo n e ．I na d d i t i o n ， t h ev e r t i c a lj a ri sp u ti n t ot h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o nf o raf u r t h e rv e r i f i c a t i o n ．I ti ss h o w nt h a tt h es e r v i c el i f e o ft h er e d u c t i o nj a ri se x t e n d e dt oa tl e a s t5m o n t h s ，t h em e c h a n i z e dc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gf o rt h er e d u c t i o np r o c e s si sa c h i e v e d ，t h eh e a t i n gr a t eo ft h ep e l l e t si si m p r o v e d ，a n dt h er e d u c t i o nc y c l ei ss h o r t e n e d ． K e yw o r d s m a g n e s i u m ；v e r t i c a lr e d u c t i o nj a r ；m e c h a n i z e dc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n g ；h e a t i n gr a t e 我国镁产量占世界镁总产量的8 5 ％左右，而我 国9 8 ％以上的镁厂则都采用硅热法生产金属镁J 。 热还原工序是硅热法炼镁的核心工序，需要在真空 热还原罐中完成。还原罐以横置形式居多，还原罐 平卧固定在炉膛中。由于罐内高温、罐体氧化变形 的影响，难以对罐内球团料实现机械装出料，目前还 原罐的装出料主要采用人工方式。一般一次装出料 的时间约为2h ，工人劳动强度大，且生产过程难以 连续，严重影响了生产效率[ 2 ] 。此外，还原罐造价 高[ 3 ] 、内部球团料加热速率低且使用寿命短，一般连 续使用1 ～2 个月左右即失效[ 4 ] 。传统的竖置镁还 原罐采用上装料、下出料方式，操作方便、劳动强度 小L 5 制。但是下出料部位密封不完全时，由于真空生 产工艺的影响，可能会有高温烟气被吸入罐内，导致 罐内镁蒸气极易被氧化，严重影响镁的产出率。 针对传统横置还原罐和竖置还原罐的不足，本 文拟对还原罐的结构进行改进，设计新型竖置还原 罐，延长其使用寿命，保证其球团料加热速率相应地 提高，并实现机械装出料。因此考虑应用F L U E N T 软件对新型竖置还原罐的传热效果进行模拟分析， 并进行工程实际应用的验证。 1新型竖置还原罐的设计 由于传统竖置还原罐上装料、下出料方式受到 真空工艺的严格限制，所以本文考虑采用上出料、上 装料方式。由于需要机械装出料，还原罐在每个还 基金项目中央高校基本科研业务费专项资金资助项目 F R F A s l o ．0 0 5 B 作者简介任玲 1 9 7 7 一 ，女．内蒙古赤峰市人，讲师．博士． 万方数据 2 0 1 2 年2 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 3 1 原周期都需要被取出和送人还原炉，如果只是简单 的单体罐形式，将引起炉体密封不严的问题。此外， 传统的竖置还原罐本身重力大，增大了机械装置所 需功率，进而增大了生产成本。基于此，新型的竖置 还原罐初步定为外罐固定、内罐用于装出料的套罐 形式。并尽量减轻罐体重量，如图1 所示。 图l竖置套罐示意图 F i g ．1 S c h e m a t i cd i a g r 啪o fV e r t i c a lj a rs e t 外罐由于直接接触高温的氧化性烟气，容易发 生氧化性烧损而导致剥落，因此如果外罐壁厚过薄， 会大大降低其自身强度，使用寿命受到严重影响。 本文选取外罐壁厚 。。 3 5m m ，内径d 。。，一3 5 0 m m ，罐外部总长 包括帽部 L 27 0 0m m 。端部采 用半球壳形式，与筒形的罐体相接合。外罐采用 Z G 3 5 C r 2 4 N i 7 S i N 即3 C r 2 4 N i 7 N 离心铸造制成， 罐体与罐帽通过焊接接合。 内罐需要承载球团料，同时也是实现机械装出 料的重要构件。故在保证其本身强度的同时，内罐 自身重量尽量小，即壁厚尽量薄。此外，由于工艺的 影响需要抽真空，为保证镁蒸汽更高效地析出，并被 收集到还原罐端部的冷凝器，可以在内罐的罐壁上 打孔，并且保证内罐与外罐间具有一定的间隙，使镁 蒸气可以从内罐壁的孔中溢出，同时可以进一步减 小内罐的重量，降低机械装出料的能耗。本文选取 内罐壁厚艿m 。， 6m m ，内外罐壁间缝隙r 2 5m m ， 即内罐内径Z 。。。， 2 8 8m m 。内罐罐壁孔隙的内径 d 址 2 0m m ，孔隙随机布置，相邻孔隙圆心之间距 离不小于4 0m m 。内罐端部采用半球壳形式，与筒 形的罐体相接合。内罐同样采用Z G 3 5 C r 2 4 N i 7 S i N 离心铸造制成，罐体与罐帽通过焊接接合。 对于套罐组合形式，为了降低炉墙及炉顶的受 力，外罐将被固定于炉顶的钢结构上。外罐与传统 的横置还原罐相同，抽真空系统、镁结晶器、冷却水 系统和钾钠捕集器等罐口设备与外罐相接。还原阶 段开始前，通过机械装置将装满球团料的内罐从炉 顶送入外罐，将罐口设备与外罐连接好后，开始还 原；还原结束后，打开罐口设备，取出镁结晶器，同样 通过机械装置将充满废渣的内罐从炉顶取出，完成 一个还原周期。 2竖置还原罐传热数值模拟 由于竖置还原罐本身的重力和罐内球团料的重 力都不会施加于外罐壁上，因此不会出现横置还原 罐常见的顶部塌陷问题，所以还原罐的寿命得到了 大大的延长。但是，由于内外罐之间的间隙仅2 5 m m ，受到抽真空工艺的影响，缝隙之间的气流量不 定，球团料的加热速率可能会受到影响。因此对于 新型竖置还原罐，有必要进行罐内球团料的加热速 率分析，以验证新型还原罐的合理性。 2 ．1 模型建立与网格划分 本文将忽略竖置还原罐沿罐长方向的温度变 化，即假设沿罐长方向温度梯度为o ，将物理模型简 化为二维沿径向方向的传热；忽略氧化涂层的影响， 只考虑14 7 3K 温度下的材料参数；忽略还原过程 的保温和装出料时间，假设还原罐始终工作于加热 时间段，以常规的还原周期1 0h 计；忽略还原罐与 冷端镁结晶器等设备的换热；不考虑还原罐的反应 过程，球团炉料的升温吸热及反应吸热简化为一个 整体吸热热流。 在高温的热还原罐中以辐射传热为主导，因此 后续的传热分析将主要考虑辐射传热方式，在 F L U E N T 软件中选用离散坐标D 0 辐射模型 D i s c r e t eO r d i n a t e sR a d i a t i o nM o d e l 进行模拟。由于 不再考虑流动问题，故基于能量方程进行数值模拟。 套罐的网格划分如图2 所示，采用三角形结构化网 格，网格数为3 41 0 2 ，经验证该网格数量下可以保证 计算的精度和计算的收敛。 2 ．2 材料参数 计算中，各D 0 模型所需参数涉及到罐体材料、 罐内球团料及内外罐间气体3 种材料的参数。对罐 体材料，其热容量为C 。佃∽ 5 0 2J ／ k g K ，导热 系数为A 。。I 一1 6 ．2 7w ／ m g K 。对罐内球团料， 其热容量为C p f i I k ， 3 7 3J ／ k g K ，有效导热系数 为‰l 。， 1 ．3W ／ m g K 。对内外罐间的气体间 隙，其热容量C p 邮导热系数A 。岬、吸收率、和散 射率均为o 。折射率为1 。 万方数据 3 2 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 2 年2 期 图2 套罐横截面的网格划分 F i g ．2 M 髑h e so fc r o s ss e c t i O nf o r v e r t i c a lj a rs e t 2 ．3 边界条件 本文忽略气体流动，只考虑辐射传热。在外罐 壁面选取定壁温边界条件，温度T m 一14 7 3K 。罐 内球团料为吸热热源，吸热量根据球团料升温吸热 及反应吸热总量确定。考虑到单罐球团料总重为 罕舢．6 3 丢告丌罕 ㈨o 一1 5 9 ．2k g 1 球团料中煅白、硅铁和萤石的质量比为8 0 1 7 3 ，且煅白中M g 与C a 摩尔比为1 1 ，故单罐球 团料含M g 和C a 均为 竺竺兰群兰兰盎⋯2 7 m 。。 2 4 1 。。⋯⋯ 2 故单位时间的反应热为 Q 川。，一垒学一一垒堡』铲 一2 ．9 6 3 1 0 4k J ／h 3 球团料升温所需吸热量为 1E n 9 Q 驯。，一等3 7 3 1 2 0 0 一2 5 一0 ．6 9 8 1 0 4k J ／h 4 故总吸热量为 q 一垒等垫一一6 38 7 3w ／m 3 5 q2 再一2 一b 6 石，JW ／m ” L 3 J y m I e f 3 模拟结果分析 考虑新型竖置还原罐一个还原周期1 0h 内的 传热过程。图3 给出了罐内球团料最低温度随加热 时间的变化趋势。从图3 可以看出，罐内球团料在 还原周期开始的1h 内，温度急速上升，从室温的 2 9 8 ．0K 上升至1h 的13 1 0 ．7K 。图4 显示了罐 内部不同时刻的温度分布。在1 ～6h 内，升温速度 依然很快，从1h 的13 1 0 ．7K 上升至6h 的 14 5 9 ．6K ；但是在6 ～1 0h 内，温度变化则很小。 说明在6 个小时的时间内球团料已经几乎完全达到 反应温度，中心部位的球团料已经可以进行反应。 Z 、 越 赠 邕 略 婪 日 衢 1 X 2 o 3 1 栅 5 r x I “ 0 7 埘l 加热时间，m i n 图3 罐内球团料最低温度随加热时间 的变化趋势 F i g ．3D e p 蚰d e n c eo fm i n i m 啪t e m p e 嗡t u 他o f p e e t s0 nh e a t i n gt i m e 鬲4 套丢丙葫不苘而翔酌i 度夯葡 F i g ．4T e m p e r a t 瑚陀d i s t r i b u t i 佃a tV a r i o u st i m ei nv e r t i c a Ij a rs “ 删训觚㈣跚觚帆洲。 万方数据 2 0 1 2 年2 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 3 3 相应地，图5 给出了罐外壁与罐内球团料最低 温度的差值随时间的变化趋势。由图5 可知，随着 加热的进行，罐内中心球团料与罐外壁的温差越来 越小，温度均匀性越来越好，并且球团料在6h 左右 后温升速度变慢，并达到了球团料的反应温度。 01 0 02 0 03 0 04 0 I J 洲 6 0 07 0 0 加热时间，r I I i n 图5 罐外壁与罐内球团料最低温度差值 随时间的变化趋势 F i g ．5 D i f f e r e n c eb e t w e e nj a r 仙t s i d ew a t e m p e 髓t u r ea n dm j n i m u mt e m p e r a t u 他o f p e I l e t sv e 体u st i m e 此外，传统横置还原罐和新型竖置套罐的内径 分别为d 一2 7 3m m 和d m 。一2 8 8m m ，即有d i n n 。 d ，说明本文所设计的竖置套罐一个周期内还原的 球团料量多于传统横置还原罐，且该竖置套罐的球 团料在6h 内即可达到反应温度。在球团料的加热 和保温周期相同的情况下，即均为1 0h ，新型竖置 套罐的球团料加热速率较传统还原罐有所提高。由 于罐内球团料的传热速率决定了还原效率[ 7 ] ，所以 新型竖置还原罐可以适当地缩短还原周期。 4 新型竖置还原罐的应用效果 本文所设计的新型竖置还原罐已应用于山西五 台云海镁业空煤气双蓄热2 4 支竖罐镁还原炉，图6 为机械出料阶段实际操作。通过实际生产分析得 出，球团料的加热速率得到了大大的提高，缩短了还 原周期。且竖置还原罐可以采用机械自动装料卸 料，相比于横置还原罐布置时工人在高温条件下用 长杆手工装卸物料，大大缩短了操作时间，工作周期 由传统的1 2h 缩短至9 ～1 0h 。同时降低了工人劳 动强度，从而提高了生产效率，降低了人工成本，并 由于减少了装卸物料时间，减少了由此而产生的热 量损失，提高了生产连续性。该炉自建成以来，套罐 的内罐装出料正常，外罐炉内使用未出现大的永久 变形而影响正常使用。此外，竖置还原罐避免了横 置还原罐罐体因重力作用产生弯曲应力，保证了还 原罐在长期高温高真空条件下不易变形，使用寿命 大大延长到超过1 5 0 天。因此，新型竖置还原罐在 使用寿命延长的同时，球团料加热速率提高，且实现 了机械装出料，应用前景广阔。 图6 机械出料阶段实际操作 F i g ．6 F i e l do p e r a t i o no fm e c h a n i z e d d i 驼h a r g i n gp r 眦鹤s 5结论 外罐加内罐的新型竖置还原罐的加热速率较传 统还原罐快。还原罐的使用寿命延长到5 个月以 上，且实现了机械装出料，缩短了还原周期。 参考文献 [ 1 ] 夏德宏，郭梁，张刚，等．硅热炼镁还原炉的用能分析与 节能措施探讨[ J ] ．冶金能源，2 0 0 5 3 3 z 一3 5 ． [ 2 ] 刘兵，曾大本，苏竣．我国镁产业发展政策的分析与评价 [ J ] 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