工业硅冶炼矿热炉内起弧过程数值模拟
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(1.昆明理工大学冶金与能源工程学院，真空冶金国家工程实验室，昆明650093； 2.昆明理工大学复杂有色金属资源清洁利用省部共建国家重点实验室，昆明650093；
3.云南省硅工业工程研究中心，昆明650093)
摘 要：为研究工业硅矿热炉起弧过程的传热特性，通过建立矿热炉内热一流动一电磁耦合的磁流体动力学模型，利用COMSOL
第11卷第7期 2 0 2 1年7月
有色金属工程 Nonferrous MetalsEngineering
doi：10. 3969/j・ issn. 2095-1744. 2021. 07. 010
Vol. 11, No. 7 July #0#1
工业硅冶炼矿热炉内起弧过程数值模拟
姜文婷魏奎先，吕国强13,马文会，太劲松
电弧应用广泛，在电弧焊接领域，一些学者对电 弧的起弧阶段做了研究。在冶金工业领域，近 年来，众多学者对电弧炉进行了模拟研究。如孙亚 娟等⑷通过计算不同弧长、电流条件下电弧的温度、 速度以及熔池表平面的热通量组成，确定工业硅的 生产采用长电弧低电流高电压的冶炼模式较为适 宜；NEDOPEKIN等曰通过对直流矿热炉不同电极 位置的电涡流及对流流动进行数值模拟 ，得出电磁、 温度和流体动力学分布参数;THOMAS等旧通过 对矿热炉内气相辐射模拟，得出了气相的吸收率、透 射率以及矿热炉内部壁面热流；ALEXSEY等⑴研 究了多电极矿热炉熔体对流换热的特性 ，分析了电 弧区和炉底区形成方位流的特点；PAUNA等间通 过图像分析和测试数据中电弧长度与电压的关系确 定了电弧长度，估计了电弧等离子体的电导率与电 弧长度的关系;HANS-JURGEN等［9］对氧气喷射 引起轻微的震动及熔池内的搅动进行数值模拟研
： ! Abstract Inordertostudytheheattransfercharacteristicsofthearcstartingprocessinindustrialsilicon via ( ! 0 establishingamagneto-hydrodynamic Magneto-hydrodynamic MHD modelofheat-flow-electromagneticcouplingin ! ! theelectricarcfurnace simulatedthearcdischarge thegasflow andthefurnacetemperatureofthearcstarting
processandtheimpactofthediferentcurrentonthearcstartingprocessareexploredusingCOMSOL Multiphysics
： 5.4software.Theresultsshowthat undertheinfluenceofthelargecurrentappliedbetweenthetwoelectrodesin
第7期
姜文婷等：工业硅冶炼矿热炉内起弧过程数值模拟
61
3 610 K and the highest flow velocity rate increased from the initial static state to 1. 45 m/s in 0. 5 s. When the arcing distance between the two electrodes is 15 cm, the applied alternating current increased from 22 109 A to 62 109 A,the maximum temperature in the furnace increased from 794 K to 6 091 K,and the maximum flow velocity
JIANG Wenting/WEI Kuixian,LYU Guoqiang,et al. Numerical Simulation of Arc Starting Process of Industrial Silicon Smelting in Electric Arc Furnace)* Nonferrous Metals Engineering, 2021,11(7) : 60 -67,81.
矿热炉是电弧炉的一种，主要利用电极电弧产 生的高温来生产金属的冶炼设备，在冶金行业中得 到了广泛应用(随着光伏、有机硅、铝硅合金等下游 行业的需求增长，工业硅产能也不断增加，随之而来 的设备大型化成为了行业发展的必然趋势 (然而, 设备大型化同样提高了行业生产过程中的操作难 度。其主要原因在于，大型设备中，电炉内部情况难 以观测和调控。在众多电炉操作阶段中，起弧阶段 又是整个冶炼过程的重要启动环节，是整个生产的 起点，对后续冶炼工艺有重要意义。因此，研究工业 硅矿热炉起弧过程是十分必要的 。但是，由于起弧 过程是一个高电流、高温过程，直接观察监测难度 大，实验测量成本高。近年来，随着计算机技术的日 益发展以及等离子体理论的完善，特别是磁流体动 力学(Magneto-hydrodynamic, MHD)模型的不断 发展，利用软件进行模拟仿真成为研究电弧的有效 手段E。
： ( 0& Fund Supportedbythe Major Science and Technology Projectsin Yunnan Province 2019ZE007 The Yunnan Young and Middle-aged ( 0 AcademicandTechnicalLeaderReserveTalentProject 2018HB009
JIANG Wenting12 ,WEI Kuixian 12 ,LYU Guoqiang 13 ,MA Wenhui 123 ,TAI Jinsong 12
( ! ! 1. Faculty of Metal urgy and Energy Engineering Kunming University of Science and Technology
传热 模拟， 分析
内
速
，
冷却水流量可用于控制弯管温度；翟丹等设计了
研究熔池 电 为的模拟 验 ，
程熔池内电流在焦炭层与熔渣两部分之间的分配
关系。
上述学者在矿热炉模拟领域进行了深入研究
并取得了许多成果，但对于矿热炉内起弧方面的
研究尚未有学者涉及了探究起弧过程的温度场等变化规
律，本文根据磁流体动力学(MHD)理论建立矿热
炉二维轴对称有限元模型，对起弧过程电弧扩散
行为进行数值模拟，得出在大电流作用下起弧过
程中温度场、流场等分布规律，并探究了不同电流
大小对起弧过程的影响，对于炉内起弧规律的研
究具有重要现实意义。
1
随着需求增长、产能扩大和环保压力的增加，矿 热炉的自动化和大型化是必然趋势，目前为止， 12.5 MW的矿热炉是普遍使用的炉型，因此探索这 种容量的炉体对指导现实生产有重要意义。根据矿 热炉的生产实际情况，按照实际尺寸与模型尺寸 1 ： 1比例建立模型，最大程度还原炉内的实际情况， 为了减少模型计算量，选取矿热炉单根电极截面。 图1为矿热炉的简化后示意图及尺寸参数,模型主 要包括石墨电极、空气、碳砖、高铝砖和底电极部分, 其几何尺寸如表1所示。
； Kunming 650093 ,China
! 2. State Key Laboratory of Complex Nonferrous Metal Resources Cleaning Utilization in Yunnan Province
! ! ； KunmingUniversityofScienceandTechnology Kunming650093 China ! ! 0 3.ResearchCenterofSilicon MetalurgyandSilicon MaterialsEngineeringTechnology Kunming650093 China
关键词：工业硅；矿热炉；起弧过程;数值模拟；磁流体动力学
中图分类号:TF 89
文献标志码:A
文章编号：2095-1744(2021)07-0060-09
Numerical Simulation of Arc Starting Process of Industrial Silicon Smelting in Electric Arc Furnace
thefurnacearcdischargeoccursinashorttime.Themaximumtemperatureinthefurnaceincreasedfrom300 Kto
收稿日期：2020-12-10 基金项目：云南省重大科技专项(2019ZE007)；云南省中青年学术和技术带头人后备人才(2018HB009)
$ —% 。 作者简介：姜文婷 995 女，硕士研究生，研究方向工业硅电炉模拟 。 通信作者：魏奎先(1981—),男，博士，教授，主要从事硅冶金研究；国强(1972—0,男，博士，教授，主要从事硅材料数值模拟研究
- 引用格式：姜文婷，魏奎先，吕国强，等•工业硅矿热炉内起弧过程数值模拟)*有色金属工程，202111$)：60 67,81
importantpracticalsignificanceforunderstandingthearcstartinglawinthefurnace. Key words: industrial silicon； electric arc furnace；arc starting process；numerical simulation；magneto-hydrodynamic
内的最高温度由794 K升高到6 091 K,最高流速由0. 81 z/s增加到1.71 z/s。流体速度变化相对较为集中，电弧局部产生强烈
热对流，大量热量向炉内传递，利于烘炉的进行。通过将阳极表面温度与文献中的数据进行对比验证，建立的数学模型可以准确
地反映矿热炉内起弧过程，对于了解炉内起弧规律具有重要现实意义。
/ / increasedfrom0.91 m sto1.71 m safter0.5s.Thefluidvelocitychangeisrelativelyconcentratedthearclocaly ! generates strong heat convection and a large amount of heat is transferred to the furnace which is beneficial to dry ! thefurnace.Bycomparingtheanodesurfacetemperature withthedataintheliterature the mathematical model ! establishedinthispapercanaccuratelyreflectthearcstarting processintheelectricarcfurnace which hasan
究，得出了熔体区域的瞬时速度和温度分布;
JOSUE等)0*研究了矿热炉壁面的冷却系统的传
热，得出了面板的温度和散热能力与初始流量和几
何形状高度的关系&ESUS等u分析了矿热炉内废
料密度和燃料流速的变化对氧燃料火焰与固体废料
之间的热交换的影响，得出了矿热炉内能量的分布
情况。EBRAHIM等对矿热炉内管道内流动与
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有色金属工程
第11卷
(a)Graphite electrode； (b) Air ； (c) Carbon brick； (d) High alumina brick； (e)Bottom electrode 图1矿热炉模型简化示意图
Multiphysics 5. 4软件模拟了起弧过程电弧放电、气体流动及炉内温度，并探究了电流大小对矿热炉内起弧过程的影响。结果表
明，炉内两电极间受大电流的影响，短时间内发生电弧放电现象,0.5 s内炉内的最高温度由300 K升高到3 610 K,最高流速由初
始的静止状态增加到1-45 z/s。当保持两电极间起弧距离为15 cm时，施加交流电大小从22 108 A升高到62 108 A,0.5，后炉
3.云南省硅工业工程研究中心，昆明650093)
摘 要：为研究工业硅矿热炉起弧过程的传热特性，通过建立矿热炉内热一流动一电磁耦合的磁流体动力学模型，利用COMSOL
第11卷第7期 2 0 2 1年7月
有色金属工程 Nonferrous MetalsEngineering
doi：10. 3969/j・ issn. 2095-1744. 2021. 07. 010
Vol. 11, No. 7 July #0#1
工业硅冶炼矿热炉内起弧过程数值模拟
姜文婷魏奎先，吕国强13,马文会，太劲松
电弧应用广泛，在电弧焊接领域，一些学者对电 弧的起弧阶段做了研究。在冶金工业领域，近 年来，众多学者对电弧炉进行了模拟研究。如孙亚 娟等⑷通过计算不同弧长、电流条件下电弧的温度、 速度以及熔池表平面的热通量组成，确定工业硅的 生产采用长电弧低电流高电压的冶炼模式较为适 宜；NEDOPEKIN等曰通过对直流矿热炉不同电极 位置的电涡流及对流流动进行数值模拟 ，得出电磁、 温度和流体动力学分布参数;THOMAS等旧通过 对矿热炉内气相辐射模拟，得出了气相的吸收率、透 射率以及矿热炉内部壁面热流；ALEXSEY等⑴研 究了多电极矿热炉熔体对流换热的特性 ，分析了电 弧区和炉底区形成方位流的特点；PAUNA等间通 过图像分析和测试数据中电弧长度与电压的关系确 定了电弧长度，估计了电弧等离子体的电导率与电 弧长度的关系;HANS-JURGEN等［9］对氧气喷射 引起轻微的震动及熔池内的搅动进行数值模拟研
： ! Abstract Inordertostudytheheattransfercharacteristicsofthearcstartingprocessinindustrialsilicon via ( ! 0 establishingamagneto-hydrodynamic Magneto-hydrodynamic MHD modelofheat-flow-electromagneticcouplingin ! ! theelectricarcfurnace simulatedthearcdischarge thegasflow andthefurnacetemperatureofthearcstarting
processandtheimpactofthediferentcurrentonthearcstartingprocessareexploredusingCOMSOL Multiphysics
： 5.4software.Theresultsshowthat undertheinfluenceofthelargecurrentappliedbetweenthetwoelectrodesin
第7期
姜文婷等：工业硅冶炼矿热炉内起弧过程数值模拟
61
3 610 K and the highest flow velocity rate increased from the initial static state to 1. 45 m/s in 0. 5 s. When the arcing distance between the two electrodes is 15 cm, the applied alternating current increased from 22 109 A to 62 109 A,the maximum temperature in the furnace increased from 794 K to 6 091 K,and the maximum flow velocity
JIANG Wenting/WEI Kuixian,LYU Guoqiang,et al. Numerical Simulation of Arc Starting Process of Industrial Silicon Smelting in Electric Arc Furnace)* Nonferrous Metals Engineering, 2021,11(7) : 60 -67,81.
矿热炉是电弧炉的一种，主要利用电极电弧产 生的高温来生产金属的冶炼设备，在冶金行业中得 到了广泛应用(随着光伏、有机硅、铝硅合金等下游 行业的需求增长，工业硅产能也不断增加，随之而来 的设备大型化成为了行业发展的必然趋势 (然而, 设备大型化同样提高了行业生产过程中的操作难 度。其主要原因在于，大型设备中，电炉内部情况难 以观测和调控。在众多电炉操作阶段中，起弧阶段 又是整个冶炼过程的重要启动环节，是整个生产的 起点，对后续冶炼工艺有重要意义。因此，研究工业 硅矿热炉起弧过程是十分必要的 。但是，由于起弧 过程是一个高电流、高温过程，直接观察监测难度 大，实验测量成本高。近年来，随着计算机技术的日 益发展以及等离子体理论的完善，特别是磁流体动 力学(Magneto-hydrodynamic, MHD)模型的不断 发展，利用软件进行模拟仿真成为研究电弧的有效 手段E。
： ( 0& Fund Supportedbythe Major Science and Technology Projectsin Yunnan Province 2019ZE007 The Yunnan Young and Middle-aged ( 0 AcademicandTechnicalLeaderReserveTalentProject 2018HB009
JIANG Wenting12 ,WEI Kuixian 12 ,LYU Guoqiang 13 ,MA Wenhui 123 ,TAI Jinsong 12
( ! ! 1. Faculty of Metal urgy and Energy Engineering Kunming University of Science and Technology
传热 模拟， 分析
内
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，
冷却水流量可用于控制弯管温度；翟丹等设计了
研究熔池 电 为的模拟 验 ，
程熔池内电流在焦炭层与熔渣两部分之间的分配
关系。
上述学者在矿热炉模拟领域进行了深入研究
并取得了许多成果，但对于矿热炉内起弧方面的
研究尚未有学者涉及了探究起弧过程的温度场等变化规
律，本文根据磁流体动力学(MHD)理论建立矿热
炉二维轴对称有限元模型，对起弧过程电弧扩散
行为进行数值模拟，得出在大电流作用下起弧过
程中温度场、流场等分布规律，并探究了不同电流
大小对起弧过程的影响，对于炉内起弧规律的研
究具有重要现实意义。
1
随着需求增长、产能扩大和环保压力的增加，矿 热炉的自动化和大型化是必然趋势，目前为止， 12.5 MW的矿热炉是普遍使用的炉型，因此探索这 种容量的炉体对指导现实生产有重要意义。根据矿 热炉的生产实际情况，按照实际尺寸与模型尺寸 1 ： 1比例建立模型，最大程度还原炉内的实际情况， 为了减少模型计算量，选取矿热炉单根电极截面。 图1为矿热炉的简化后示意图及尺寸参数,模型主 要包括石墨电极、空气、碳砖、高铝砖和底电极部分, 其几何尺寸如表1所示。
； Kunming 650093 ,China
! 2. State Key Laboratory of Complex Nonferrous Metal Resources Cleaning Utilization in Yunnan Province
! ! ； KunmingUniversityofScienceandTechnology Kunming650093 China ! ! 0 3.ResearchCenterofSilicon MetalurgyandSilicon MaterialsEngineeringTechnology Kunming650093 China
关键词：工业硅；矿热炉；起弧过程;数值模拟；磁流体动力学
中图分类号:TF 89
文献标志码:A
文章编号：2095-1744(2021)07-0060-09
Numerical Simulation of Arc Starting Process of Industrial Silicon Smelting in Electric Arc Furnace
thefurnacearcdischargeoccursinashorttime.Themaximumtemperatureinthefurnaceincreasedfrom300 Kto
收稿日期：2020-12-10 基金项目：云南省重大科技专项(2019ZE007)；云南省中青年学术和技术带头人后备人才(2018HB009)
$ —% 。 作者简介：姜文婷 995 女，硕士研究生，研究方向工业硅电炉模拟 。 通信作者：魏奎先(1981—),男，博士，教授，主要从事硅冶金研究；国强(1972—0,男，博士，教授，主要从事硅材料数值模拟研究
- 引用格式：姜文婷，魏奎先，吕国强，等•工业硅矿热炉内起弧过程数值模拟)*有色金属工程，202111$)：60 67,81
importantpracticalsignificanceforunderstandingthearcstartinglawinthefurnace. Key words: industrial silicon； electric arc furnace；arc starting process；numerical simulation；magneto-hydrodynamic
内的最高温度由794 K升高到6 091 K,最高流速由0. 81 z/s增加到1.71 z/s。流体速度变化相对较为集中，电弧局部产生强烈
热对流，大量热量向炉内传递，利于烘炉的进行。通过将阳极表面温度与文献中的数据进行对比验证，建立的数学模型可以准确
地反映矿热炉内起弧过程，对于了解炉内起弧规律具有重要现实意义。
/ / increasedfrom0.91 m sto1.71 m safter0.5s.Thefluidvelocitychangeisrelativelyconcentratedthearclocaly ! generates strong heat convection and a large amount of heat is transferred to the furnace which is beneficial to dry ! thefurnace.Bycomparingtheanodesurfacetemperature withthedataintheliterature the mathematical model ! establishedinthispapercanaccuratelyreflectthearcstarting processintheelectricarcfurnace which hasan
究，得出了熔体区域的瞬时速度和温度分布;
JOSUE等)0*研究了矿热炉壁面的冷却系统的传
热，得出了面板的温度和散热能力与初始流量和几
何形状高度的关系&ESUS等u分析了矿热炉内废
料密度和燃料流速的变化对氧燃料火焰与固体废料
之间的热交换的影响，得出了矿热炉内能量的分布
情况。EBRAHIM等对矿热炉内管道内流动与
62
有色金属工程
第11卷
(a)Graphite electrode； (b) Air ； (c) Carbon brick； (d) High alumina brick； (e)Bottom electrode 图1矿热炉模型简化示意图
Multiphysics 5. 4软件模拟了起弧过程电弧放电、气体流动及炉内温度，并探究了电流大小对矿热炉内起弧过程的影响。结果表
明，炉内两电极间受大电流的影响，短时间内发生电弧放电现象,0.5 s内炉内的最高温度由300 K升高到3 610 K,最高流速由初
始的静止状态增加到1-45 z/s。当保持两电极间起弧距离为15 cm时，施加交流电大小从22 108 A升高到62 108 A,0.5，后炉