硅热法炼镁还原罐导热装置的试验和数值模拟.pdf

．1 8 ．有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年4 期 硅热法炼镁还原罐导热装置的试验和数值模拟 苏明1 ，谢水生2 ，闰亮1 ，徐河2 ，杜凤山1 1 ．燕山大学机械工程学院，秦皇岛0 6 6 0 0 4 ；2 ．北京维恩克材料有限公司，北京1 0 0 0 8 8 摘要首先通过分析还原罐中心温度变化曲线，提出了在罐内安装导热装置的必要性，然后设计了导热 装置的形状，通过试验并进行了改进，验证了传热效果和对镁结晶的影响。通过A N S Y S 模拟安装导热 装置后罐内温度场，计算了中心温度达到反应温度所需要的时间，并和没有安装导热装置的温度场进行 比较，从而为缩短了还原时间提供了依据。 关键词导热装置；还原罐；硅热法炼镁；数值模拟 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 0 7 0 4 0 0 1 8 0 3 E x p e r i m e n t a lS t u d yo nC o n d u c t i o nD e v i c ei nS i l i c o t h e r m i c R e d u c t i o nP o ta n dN u m e r i c a lS i m u l a t i o n S UM i n 9 1 ，X I ES h u i s h e n 9 2 ，Y A NL i a n 9 1 ，X UH e 2 ，D UF e n g s h a n l ， 1 ．T h eC o l l e g eo fM e d ．1 a n i e a lE n g i n e d , i n g ，Y a n s h a nU n i v e r s i t y ，Q i n h u a I 】g r t a o0 6 6 0 0 4 ，C h i n a ；2 ．B e i j i n gW m c aC o r p o r a t i o n ，蹦i n g1 0 0 0 8 8 ，C h i n a A b s t r a c t T h et e r n p e r a t u r ec u r v eo ft h ep o i n ti nt h ec e n t r a la x i so fr e d u c t i o np o ti sa n a l y z e d ，t h en e c e s s i t y o ff i x i n gt h ec o n d u c t i o nd e v i c ei nt h ep o ti sb r o u g h tf o r w a r d ．T h e n ，t h em o d eo ft h ed e v i c ei sd e s i g n e d ．I t i si m p r o v e db ye x p e r i m e n t ．T h e r m a lc o n d u c t i o ne f f e c ta n dm a g n e s i u mc r y s t a la r ev e r i f i e db ye x p e r i m e n t T h e r m a lf i e l do ff i x e dt h ec o n d u c t i o nd e v i c ei Ss i m u l a t e db yA N S Y S ，t h et i m eo ft h ec e n t e rt e m p e r a t u r eu p t ot h er e a c t i o nt e m p e r a t u r ei sc a l c u l a t e d ，w h i c hi sc o m p a r e dw i t ht h et h e r m a lf i e l do ft h eu n f i x e d ． K e y w o r d s C o n d u c t i o nd e v i c e ；R e d u c t i o np o t ；S i l i c o t h e r m i c ；N u m e r i c a l s i m u l a t i o n 在工业炼镁中皮江法存在着高能耗、污染严重、 时间长、热效率低等缺点，其中还原效率低的主要原 因是还原罐内导热慢，还原时间长达1 2 小时，因此 改善还原罐内导热，提出有效的传热方法，对于缩短 还原周期，提高能源利用率有着重要的意义。 1 还原罐内中心料球导热的基本过程 图1 所示为试验测量还原罐中心轴线上点温度 的变化曲线。从还原罐中心温度随时间变化试验测 量曲线可以看出当还原罐内中心温度上升到 10 0 0 ℃，这个过程需要2h ，还原罐中大部分料球从 10 0 0 ℃达到反应所需要的11 5 0 ℃以上，这个过程 长达1 0h ，说明还原罐内料球导热是相当慢的。为 基金项目国家自然科学基金重点项目资助 5 0 4 3 5 0 1 0 ，5 0 5 3 4 0 2 作者简介苏明 1 9 8 0 - - ，男，硕士研究生 T i m e ／h 图1 试验测量还原罐中心轴线上点 温度的变化曲线 F i g ．1 T e m p e r a t u r ec u r v eo ft h ep o i n ti nt h e c e n t r a la x i sm e a s u r e db ye x p e r i m e n t p、2暑芒uo巨。卜 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年4 期 1 9 了使还原罐内整体料球的温度能迅速上升至反应温 度 11 5 0 ℃ 以上，就需要在还原罐内安装强化导热 的装置。 2 还原罐内导热装置的设计 2 ．1 方案1 2 ．1 ．1 试验装置 图2 所示为强化导热装置。导热装置材质为 7 N i 2 5 C r ，中心管材质为1 C r l 8 N i 。 ] 厂可『] 尸 图2 强化导热装置 F i g ．2I n t e n s i f yc o n d u c t i o nd e v i c e 2 ．1 ．2 试验方法及结果分析 先把强化器安装在套筒里，留一部分在套筒外， 在套筒一侧上有开口，把料球顺着开口倒进套筒内， 然后不断把加强器推进套筒内，并装料球。试验需 要记录装料量，然后把套有强化器的装料筒放进还 原罐，把套筒的一端放进还原罐内，另一端支起，用 力把强化器缓慢推进还原罐内，然后取出套筒。安 装结晶器后封罐，抽真空，通冷却水，开始还原反应。 开罐时，先取出结晶器，2 0r a i n 后 周围的罐先扒 ， 再把加强器从还原罐里拉出来，出镁1 4k g 。 从以上试验可知强化器在还原罐内的导热效 果很明显，但由于强化器离结晶筒比较近，镁蒸气温 度过高，加强器中心管对镁蒸气结晶有很大影响，镁 蒸气在冷端不易冷凝，需要对强化器进行改进。 2 ．2 方案2 2 ．2 ．1 试验装置 图3 所示为改进后的导热装置，其中圆形导热 肯9 肯， ’ 图3 改进后的导热装置 F i g ．3I n t e n s i f yc o n d u c t i o nd e v i c e a f t e rr e c o n s t r u c t i o n 2 ．2 ．2 试验方法及结果分析 按类似与2 ．1 ．2 的方法安装结晶器后封罐、抽 真空、通冷却水、开始还原反应，然后出镁。试验装 料1 5 0k g ，出镁2 0k g 。 从试验结果分析，使用改进后的强化器不仅可 以提高传热的速度，而且对镁的结晶过程没有太大 的影响。但是由于试验还原时间仍然是1 2h ，这样 就需要通过模拟计算出有效的还原时间，这样可以 适当减少实际还原时间，提高热利用率。 3 安装导热装置后硅热还原罐内温度 场的有限元模拟 3 ．1 还原罐内部温度场几何模型的建立 通过以上试验的方案，还原罐内导热装置的结 构改进，还原罐长25 0 0m m ，内径2 9 0m m ，外径 3 3 0r a m 模拟为罐内部分 加强片厚度1 6m m ，加强 真仅9 片。 3 ．2 有限元模拟的热物性参数及边界条件 3 ．2 ．1 热物性参数的确定 由于试验选用同一材料和料球，在同一还原炉 上进行试验，所以热物性参数基本相同。 3 ．2 ．2 边界和初始条件的确定 由于试验是在同一条件下进行的，边界和初始 条件与没有安装强化装置前是一样的。 1 初始条件料球的初始温度1 2 0 ℃； 2 边界条件第一类边界，还原罐长时间放置 在炉内，内壁受热比较均匀，还原罐内壁温度为 12 0 0 ℃。在镁蒸气出口处的边界，由于料球加热一 段时间后反应区温度高于冷凝区，反应区向冷凝区 辐射热量，同时高温镁蒸气不断从出口边界溢出，然 后在冷凝区冷凝，以热流的形式放出热量。在镁蒸 气出口处的边界是这两种情况的叠加。 3 ．3 温度场有限元模型 对有限元模型选择单元类型T h e r m a lS o l i d ， P L A N E 5 5 ，然后进行网格单元划分。每各单元尺寸 为料球的当量直径0 ．0 3 4 2m m 。图4 为安装导热 装置后还原罐内有限元模型。 图4 安装导热装置后还原罐内有限元模型 F i g ．4 F i n i t ee l e m e n tm o d e lo fr e d u c t i o n p o tf i x e dt h ed e v i c e A N S Y S 模拟结果及分析讨论安装强化器后 时间仍为1 2h ，便于与没有强化器时情况作对比分 析。图5 所示为安装导热装置后不同时刻的还原罐 内的温度场的分布。 万方数据 2 0 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年4 期 图5 不同时刻的还原罐内的温度场分布 F i g ．5 T h e r m a lf i e l do ft h er e d u c t i o n p o ti nd i f f e r e n tt i m e 图6 所示为还原罐中心部位整个过程的温度模 拟对比曲线。可以得出安装导热片后温度上升很 快，基本上6h 后，还原罐内中心部分料球的温度就 ■，一一 一● J ，_ _ 一 无导热装置_ ，二 扎 ， Ⅺ l ，| f r 已经达到反应所需要的温度 11 5 0 ℃ 以上，而没有 安装强化器前还原罐内中心部分料球的温度达到反 应所需要的温度 11 5 0 ℃ 需要1 0h ，这样就使还原 罐内的料球迅速升温到反应温度，延长了有效还原 时间，可以把以前1 2h 的还原时间缩短4 ～5h ，在 结晶相同质量的镁的时候，就相应的减少了能源的 消耗，同时提高了生产效率。 4结论 从硅热法炼镁还原罐中心温度试验绘制曲线分 析出发，提出了罐内安装导热装置的必要性。设计 了两种导热装置，改进后的导热装置的传热效果通 过试验得到了验证，应用A N S Y S 模拟了安装导热 装置后的还原罐内温度场，计算了中心温度达到反 应温度 1 1 5 0 ℃ 所需的时间，比没有安装导热装置 升温快4 ～5h ，而且对镁结晶没有大的影响。 参考文献 [ 1 ] 刘宏专，徐日瑶．硅热法炼镁时球团在加热过程中的传 热及温度分布口] ．轻金属，1 9 9 5 ，l o 4 0 4 3 ． [ 2 ] 孔祥谦．限单元法在传热学中的应用[ M ] ．北京科学出 版社，1 9 9 8 ． [ 3 ] 徐日瑶．硅热法炼镁生产工艺学[ M ] ．北京冶金出版 社，2 0 0 3 ． [ 4 ] 唐兴伦，范群波，张朝晖，等．A N S Y S 工程应用教程 一热学篇[ M ] ．北京中国铁道出版社，2 0 0 2 ． 渤瞄㈣ 蠕瑚铋螂l暑垂言|叠 p 、魁赠 万方数据