自结炉衬电熔窑调质过程数值模拟.pdf

第 51卷第 2 期 2020 年 2 月 中南大学学报自然科学版 Journal of Central South University Science and Technology Vol.51No.2 Feb. 2020 自结炉衬电熔窑调质过程数值模拟 宋锐，苏福永，温治 北京科技大学 能源与环境工程学院，北京，100083 摘要建立电炉窑内炉渣调质过程的电磁场和温度场数学模型，利用ANSYS有限元软件分析自结炉壁结渣 过程，考虑电极柱插入深度对系统电流密度、磁感应强度、焦耳热、温度和熔池深度的影响，并分析不同 电极插入深度下熔池形状。研究结果表明随着电极柱插入深度增加，电流在渣池中流经区域增加，系统 的等效电阻增加，电流减小，系统温度极值减小，实际熔融区域增加，有利于调质过程的进行；由于熔池 中焦耳热减小，自结炉衬厚度逐渐增大，且最大自结炉衬厚度与最小自结炉衬厚度差值逐渐增大；熔池形 状同时受电极柱产生的焦耳热以及水冷壁温度的影响，由于底端离电极较远，电极柱影响较小，温度梯度 较大，熔池深度较深；随着电极柱插入深度增加，结渣高度和凝固区高度逐渐减小。 关键词电熔窑；调质过程；自结炉壁；数值模拟 中图分类号TF806文献标志码A开放科学资源服务标识码OSID 文章编号1672-7207 （2020） 02-0287-07 Numerical simulation on qualification process of self-jointing wall electric furnace SONG Rui, SU Fuyong, WEN Zhi School of Energy and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China Abstract The mathematical model of electromagnetic field and temperature field of slag tempering process in electric furnace was established. Slagging process of the self-jointing furnace wall was analyzed by ANSYS finite element software. The effects of insertion depth of electrode column on current density, magnetic induction intensity, Joule heat, temperature and bath depth were considered, and the shape of molten pool at different insertion depths of electrode was also analyzed. The results show that with the increase of the insertion depth of the electrode column, the current flowing through the slag pool increases, and the equivalent resistance of the system increases. With the increase of slag layer thickness, the system extreme temperature decreases and the actual melting area increases, which is conducive to the quenching and tempering process. The thickness of the self-made furnace lining increases gradually due to the reduction of Joule heat in the molten pool, and the DOI 10.11817/j.issn.1672-7207.2020.02.002 收稿日期2019−09−06；修回日期2019−11−11 基金项目Foundation item国家重点研发计划项目2018YFB0605900 Project2018YFB0605900 supported by National Key Research qualification process; self-jointing furnace wall; numerical simulation 随着我国钢铁产业的发展，固体废弃物排放 越来越多，对于其资源化利用的需求也日益迫切。 将炼钢产生的高炉渣作为炼制微晶玻璃的原材料， 既能充分利用炼钢产生的余热，也能实现废物资 源化利用，减少环境污染[1−3]。但传统的电熔窑调 质方式存在一定缺陷传统电熔窑内壁材料为耐 火砖，在高温下会改变熔渣成分，降低微晶玻璃 质量。因此，本文创新性地提出用熔渣自结炉衬 的形式代替耐火砖，保护外侧金属炉壳。在电熔 窑研究方面，因为炉渣熔化过程的高温特性，对 其进行实验研究非常困难，所以，国内外学者大 多采用数值模拟进行研究。KHARICHA等[4]运用 VOF模型描述了渣/池界面，在电流随时间变化情 况下构建了炉渣和金属分布的动态模型。王子坤[5] 以非稳态方式模拟了双电极串联、三相三电极以 及三相六电极下电磁场、焦耳热场和温度场。苗 志奇等[6]通过计算得到了电渣重熔过程中不同电极 插入深度、渣量以及炉渣电导率所对应的电阻， 建立了工业电渣重熔过程数学模型。WANG等[7]采 用多相耦合的MHD方法研究了炉渣在交流电流作 用下的熔融及运动过程。YU等[8]通过动态网格技 术描述了熔渣流动过程，研究了电渣重熔过程中 热流分布及渣层的动态形成过程。KELKAR等[9−11] 建立了柱形锭瞬态电渣重熔过程数学模型，分析 了炉渣在电极柱附近熔融及结晶壁附近凝固过程。 REN等[12−15]探究了三电极系统的电渣重熔过程，发 现与单电极系统相比，三电极的渣池中的热源更 加分散。前人对于多电极系统的研究集中在多物 理场耦合下各场量分布[16−19]，但未进一步研究电熔 窑工艺参数对各场量影响。为此，本文基于电磁 场和传热学的基本理论，建立自结炉衬电炉窑内 炉渣熔化过程的电磁场和温度场的数学模型，利 用ANSYS有限元软件分析系统的电磁场，得到炉 渣熔化过程中的电流密度和焦耳热分布，利用有 限元耦合计算得到系统的温度分布及自结炉衬自 结炉衬厚度变化规律；此外，还讨论电极柱插入 深度对系统电流密度、磁感应强度、焦耳热、温 度和自结炉衬厚度的影响。 1数学模型的建立 高炉渣作为制备微晶玻璃原料前，需要在自 结炉衬电熔窑中熔融，同时在液态炉渣中加入硅 砂、纯碱等物质进行调质。自结炉衬电熔窑金属 炉壳外壁采用循环水冷却，金属炉壳内壁通过炉 渣的凝固形成保护炉衬。熔融过程使用交流电， 电极插入熔渣中，并通过短网与结晶器底部相连， 此时，电极、液态熔渣、凝固区、固态熔渣、结 晶器、短网和变压器构成完整回路。外加电流流 过渣池产生大量的焦耳热熔化炉渣，整个流程包 含熔化、精炼和凝固过程，还伴随着电磁场、温 度场和流场等物理场的综合作用。自结炉衬电熔 窑物理模型如图1所示。 炉渣调质过程中电磁场、温度场和流场相互 作用，对渣池内熔渣换热过程影响较复杂。为了 简化计算，本研究进行如下假设1 熔渣和金属 热物性参数视为常数且各向同性；2 由于加入调 质用溶质量较少，忽略其对电磁场及温度场影响； 3 电极和炉渣导磁率等同于真空导磁率；4 炉渣 调质过程处于准稳态，忽略熔池流动对电磁场的 影响。 1.1电磁场模型 描述电磁场的基本方程为Maxwell方程组 288 万方数据 第 2 期宋锐，等自结炉衬电熔窑调质过程数值模拟 ∇H J ∂D ∂t ∇E- ∂B ∂t ∇Dρ ∇B0 Lorentz定律F J B Joule定律ωEJ 1 式中H为磁场强度矢量，A/m；J为总电流密度 矢量，A/m2；D为电通密度矢量，A/m2；t为时间， s；F为洛伦兹力，N；B为磁通密度矢量，T；E 为电场强度矢量，V；ω为发热密度，W/m3。 1.2温度场模型 电熔炉系统主要由钼电极、渣池和结晶壁组 成，各部分之间相互传热，可用热传导控制方程 表示 ρ cp ξ ∂T ∂t 1 r ∂ ∂r λr ∂T ∂r 1 r2 ∂ ∂φ λ ∂T ∂φ ∂ ∂Z λ ∂T ∂Z q 2 式中ρ 为材料密度，kg/m3；cp为材料比热容， J/kgK；T为温度，℃；λ为热导率，W/m∙K；ξ为 等效比热容，J/kgK；r为半径方向距离，m；φ 为熔池周向弧度，rad；Z 为熔池高度方向距离， m；q为内热源，J/m3。 炉渣结晶壁上凝固传热控制方程为 ρcp ∂T ∂t ∇keff∇Tq3 式中keff为有效导热系数，W/m∙K。 渣池表面辐射边界条件为 -k ∂T ∂z σεT 4 -T 4 amb 4 式中σ 为渣池表面黑度，取 0.8；Tamb为环境温 度，℃；ε为辐射角系数。 渣池与结晶壁对流传热边界条件， -λ ∂T ∂r hT -Tw5 式中h为换热系数，W/m2∙K；Tw为冷却水温 度，℃。 1.3模型计算参数 自结炉衬电熔炉系统的具体操作参数如表1所 示。热力学边界条件为设定电极柱温度为300 ℃， 渣池表面发射率为0.8，环境温度为20 ℃，设定初 始熔渣状态为液态且温度为1 300 ℃。 2模拟结果 2.1电磁场及温度场 在电极柱插入深度为 0.133 m 时，渣池中电 流、磁感应、焦耳热和温度场分布如图2所示。由 图2可知电极柱之间电流较大，最大电流出现在 底端尖头处，磁感应强度分布与电流强度分布对 应，电极内侧磁感应强度较大，且下方电极柱由 表1模型所用参数 Table 1Parameters used in the model 参数 电极直径/m 电极高度/m 电极插入深度/m 电熔窑直径/m 电熔窑高度/m 电压/V 电流/A 电流频率/Hz 电极电导率/Ωm−1 炉渣电导率/Ωm−1 电极/炉渣相对磁导率/Hm−1 炉渣固相温度[20]/ ℃ 炉渣液相温度[20]/ ℃ 炉渣比热容/Jkg−1K−1 炉渣密度/kgm−3 水冷壁温度/℃ 数值 0.08 0.20 0.100，0.133，0.166 0.5 0.4 50 4 000 50 4.34106 2102 1 1 250 1 260 837 2 850 50 图1自结炉衬电熔窑物理模型 Fig. 1Physical model of self-jionting furnace lining electric furnace 289 万方数据 第 51 卷中南大学学报自然科学版 于电流密度更大，其磁感应强度更强；渣池中焦 耳热主要集中与3根电极之间，且最大焦耳热位于 电极柱下端尖头处；虽然焦耳热是温度场产生的 基础，但两者云图存在一定差异，在焦耳热分布 云图中，最大焦耳热值在电极柱下端尖头处，但 在温度场分布中最大温度值出现在渣池中心，这 是由于液态炉渣的流动性较好，电极柱附近产生 的热量能够很快传递出去，因此，最大焦耳热值 产生于渣池中心3根电极柱之间。 在电极柱插入深度为分别为 0.100，0.133 和 0.166 m 时，渣池中的最大电流分别为 321.7， 264.2 和 193.7 kA/m2，最大磁感应强度分别为 2.1610−2，2.0110−2和 0.18910−2T，渣池中的最 大焦耳热分别为 3.92107，3.66107和 1.9107J， 渣池中最高温度分别为3 260，2 680和2 312 ℃。 随着电极柱插入深度增加，渣池中电流逐渐减小， 相应的焦耳热分布也减小，高温区域增加，渣池 中温度极值降低。这是由于系统中电流路径分别 为通过电极柱侧面达到渣池及通过电极柱底端到 达渣池，系统等效电阻为这2种路径电阻并联值， 随着电极柱插入深度增加，通过电极侧面电流经 区域增加电阻增加，通过电极柱底端流经区不变， 电阻不变，因此，其电阻串联值增加，系统电流 分布减小。虽然局部焦耳热减小且温度极值降低， 但产热区域增加，熔池中温度更加均匀，有利于 调质过程的进行。因此，在实际生产中，在保证 加热效果的情况下，可增加电极柱插入深度从而 增大高温区域，提高调质效果。 不同电极柱插入深度下渣池中距电极柱底端 0.08 m 处主要场量分布图如图 3 所示。由图 3 可 见由于渣池电阻较小，不存在趋肤效应，渣池 中电流分布主要受到电极柱的影响。由于左侧电 极柱输入电流较大，其电流分布呈现左侧高于右 侧，且电极柱正下方出现电流陡增的趋势，磁感 应强度分布呈两端高中间低的趋势，且由于电极 柱的影响在电极柱其下方出现陡降，焦耳热分布 呈现左侧高于右侧且在电极柱下方出现陡增的趋 势，温度分布两端低中间高的趋势；随着插入深 度增加，渣池的等效电阻增加，渣池中电流分布 逐渐减小，渣池中磁感应强度降低，且电极柱下 a 电流；b 磁感应；c 焦耳热；d 温度 图2主要场量分布云图 Fig. 2Distribution nephograms of main field quantities 290 万方数据 第 2 期宋锐，等自结炉衬电熔窑调质过程数值模拟 方磁感应强度陡增趋势减弱，电极柱下方焦耳热 陡增趋势减小，温度随之降低；电极柱插入深度 每增加0.033 m，电流、磁感应强度、焦耳热和温 度分别降低16.5，6.8，31.3和10.3。 2.2自结炉衬厚度 不同电极插入深度下熔池形状横截面云图如 图4所示，不同电极柱插入深度下最大及最小自结 炉衬厚度如表2所示。由图4和表2可见随着电 极插入深度增加，由于熔池中焦耳热减小，自结 炉衬厚度逐渐增大，且最大自结炉衬厚度与最小 自结炉衬厚度差值逐渐增大。 不同电极插入深度下熔池形状纵截面云图如 a 电流；b 磁感应；c 焦耳热；d 温度 插入深度/m10.100；20.133；30.166。 图 3主要场量分布云曲线 Fig. 3Cloud curves of main field distribution 电极插入深度/ma 0.100；b 0.133 ；c 0.166 图 4不同电极插入深度下熔池形状横截面云图 Fig. 4Shapes of molten pool cross section at different electrode insertion depths 291 万方数据 第 51 卷中南大学学报自然科学版 图5所示，由图5可见熔池形状与温度场云图对 应，由于固相温度线为1 250 ℃，液相温度线为1 260 ℃，温度相差较小，凝固区范围较小。表3所 示为电极柱插入深度对熔池、结渣层及凝固区高 度的影响，由表3可见熔池高度随电极插入深度 增加而增加，结渣高度随电极插入深度增加而减 小，凝固区高度随电极插入深度增加而减小。熔 池形状同时受电极柱产生的焦耳热以及水冷壁温 度的影响，由于底端离电极较远，电极柱影响较 小，温度梯度较大。由图5可见熔池深度较深，这 是由于主要产热区域为电极柱底端尖头处。随着 电极柱插入深度增加，结渣高度和凝固区高度逐 渐减小。 3结论 1 渣池电阻较大，不存在趋肤效应。渣池中 电流的流动路径为电极柱侧表面及电极柱底端， 其中底端流出的电流大于侧表面流出的电流。受 电极柱影响，在电极柱下方会出现电流陡增现象。 渣池中磁感应强度与电流对应，随着距圆心距离 增大而增大，且随深度增加而减小。 2 渣池中温度呈现两端低中间高的趋势，且 随渣池深度降低而减小。渣池中焦耳热位于电极 柱内侧底端尖头处，但最大温度位于渣池中心。 这是由于液态炉渣的流动性较好，换热效果较强， 在电极柱尖头处产生的热量被很快带走。 3 随着电极柱插入深度增加，电流在渣池中 流经区域增加，系统的等效电阻增加，系统温度 极值减小，实际熔融区域增加，有利于调质过程 的进行。 参考文献 [1]KANGJunfeng,CHENGJinshu, WANGJing,etal. 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