硅热法炼镁工艺中单个球团及球团填充层的传热学分析

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2012 年第 2 期
·镁 钛 工业硅·
硅热法炼镁工艺中单个球团 及球团填充层的传热学分析
1 1， 2 1 1 刘勇 ，游国强 ， 刘榆 ， 黄彦彦
（ 1． 重庆大学材料科学与工程学院， 重庆 400045 ； 2． 国家镁合金材料工程技术研究中心 ， 重庆 400044 ）
摘 要：对球团简化处理， 通过理论计算得到球团的温度分布； 通过类比填充床的传热规律， 分析球团在还原罐内的传 热及还原罐径向传热情况 ， 提出加强罐内的对流传热， 可有效的提高罐内传热效果、 缩短球团的加热时间。 关键词：球团； 传热； 硅热法； 炼镁 1752 （ 2012 ） 02524 中图分类号： TF822 文献标识at transfer in one and multiple pellets in silicothermic process
2 LIU Yong1 ，YOU Guo － qiang1， ， LIU Yu1 and HUANG Yan － yan1
（ 1 ． College of Material Science and Engineering， Chongqing University， Chongqing 400045 ， China； 2 ． National Engineering Research Center for Magnesium Alloys， Chongqing 400044 ， China）
［10 ］
球团的导热为一维不稳态导热； 陈亚凡
［5 ］
“提高重庆市白云岩利用率的炼镁关键 基金项目： 重庆市重大科技攻关项目 （ CSTC009AA4002 ） ； 重庆市国土资源和房屋管理局科技计划项目 技术研究” 项目。 作者简介： 刘勇（ 1985 － ） ， 男， 安徽阜阳人， 硕士研究生， 主要研究方向： 轻金属冶炼。E － mail： 10509liu@ 163． com 收稿日期： 2011 － 08 － 08
设球团初始温度为 t0 ， 在初始瞬间将它置于温 度为 t ∞ 的环境中， 球团表面间的综合换热系数 h 为 常数， 则可列出球团的导热微分方程式及定解条件 ： 1 t 2 t 2 t = + ， （ 0 ＜ r ＜ R， （ 1） τ ＞0 a τ r 2 r r t（ r， 0 ） = t0 ， （ 0 r R） （ 2） t （ r ， τ） | r =0 = 0 （ 3） r t （ r ， τ） | r =0 = h 〔t（ r0 ， （ 4） λ τ） － t ∞ 〕 r 引入过余温度： θ = t（ r， τ） － t ∞ 则以上四式化为： 1 t 2 θ 2 θ = + ， （ 0 ＜ r ＜ R， τ ＞0 a τ r 2 r r （ 5）
图1
球团物理模型
由 式（ 9） 可知， 球团中的无量纲过余温度 Bi 数及无量纲距离 η 有关， θ | θ0 ， 与 F0 数 、 θ t（ η ，τ） － t ∞ = = f （ F0 ， Bi， η） t0 － t ∞ θ0 F0 数 、 Bi 数及无量纲距离 η 只是时间 τ 和位置 r 的关系函数， 因此， 球团在加热过程中球团内的温 即： 度分布只是时间和半径的函数。 ［13 ］ 根据文献 的分析， 为使物体的中心温度及表 面温度按无穷级数计算及按第一项计算所得之值相 差小于 1% ， 对球应使 F0 ≧ 018 （ F0 ≧ 0． 18 时， τ≧ 1487． 6 ） 。 所以当 τ ≧ 1478． 6s 时， 球团正规状况阶段的 ： 分析解的表达式可简化为
考虑罐内的传热情况。本文对单个球团的传热进行 同时结合填充床的传热规律对罐内传 了计算分析， 热进行分析。
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单个球团传热计算分析
建立物理模型 为了明确球团外部环境对球团传热的影响， 本
— —时间， s； 式中： τ— r— — —球团半径， 0． 01115 m； h— — —外部综合给热系数， W·m － 2 ·K － 1 ； t∞ — — —环境温度， 1180 ℃ ； — —导热系数， 3． 26 × 10 － 2 W·m － 1 ·K － 1 ； λ— R— — —球团半径， 0． 01115 m； a— — —热扩散系数， a= 又叫导温系数， m2 ·s － 1 ； — —球团密度， 1800 kg·m － 3 ； ρ— cp — — —球团比热容， 1200 J·kg － 1 ·K － 1 。 以上四式 （ 5 ） ～ （ 8 ） 是研究问题的数学描写， ［11 ， 12 ］ ）， 采用分离变量法（ 求解过程可参见文献 可得 无量纲温度的分析解如下： ∞ 1 θ（ η， τ） = Σ C n exp（ － μ2 sin（ μ n η ） （ 9 ） n F0 ） n =1 θ μn η aτ r 式中： F0 = 2 ，η = ， 系数 C n 应使上述无穷级数 R R 由傅里叶级数理论可得： 在 τ = 0 时满足初始条件， sin（ μ n ） － μ n cos（ μ n ） Cn = 2 ， 式中 μ n 是下列超 μ n － sin（ μ n ） cos（ μ n ） 越方程的正根（ 特征值） ： 1 － μ n cot（ μ n ） = Bi， n = 1， 2， 3， ……， λ ， ρc
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图2
还原罐中传热形式
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还原罐内球团填充层的径向传热分析
硅热法炼镁是一种外围式加热， 先有 1200℃ 的 高温烟气加热还原罐， 再由还原罐体将热量传递给 物料， 其过程是由外向里逐渐传热。 热力学分析表 明， 还原反应为吸热反应， 为了使反应进行， 必须供 给足够的热量， 但传热速度受到外部给热和罐内传 热速度的约束。采用 ansys 模拟软件模拟还原罐内 图 3 和图 4 给出了罐 不同位置不同时刻的温度场， 内不同位置和不同时刻的温度分布 ， 由图可知， 在罐 加热 1 个小时罐壁处的温度已达 壁处升温 很 快， 1150℃ ， 而中心为 400℃ 左右， 随着加热时间的延长 中心温度逐渐上升。影响热量从外向里传递的因素 分为还原 罐 外 换 热 热 阻 与 罐 内 综 合 热 阻， 根据文 献 ， 当罐外的温度场达到恒定时， 即 h 达到一定 值后， 罐外的换热系数 h 的大小对罐内的温度场影
团的传热和球团及产物层的传热过程， 对反应的进 。 行起着决定性的作用 为了提高硅热法的产镁效 率， 国内一些研究人员对还原罐内的传热进行了研 ［4 ］ 究， 徐日瑶 等分析计算了球团的温度分布， 确定 等理论计 ［6 ］ 算了化学反应生成焓及整个工艺的总能耗； 梁磊 等用数值模拟的方法模拟了还原罐内热量传递规律 ［7 ］ 和温度分布规律； 夏德宏 等研究开发了一种安装 在还原罐中强化罐内径向传热的装置， 可使还原周 ［8 ］ 期缩短 30% ； 苏明 等用 ANSYS 模拟了安装导热 装置后罐内温度场， 提出了在罐内安装导热装置的 ［9 ］ 必要性； Yu 等研究了一种立式还原罐系统的升温 特点， 并分析了其优缺点； 杨康定 等综合分析了 罐内传热过程及化学反应过程， 建立了具有耦合特 征的传热和反应动力学模型。 然而， 上述对还原罐内传热过程的研究 ， 都是建 立在无对流换热的情况下， 仅从热传导和辐射方面
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还原罐内传热分析
sin（ μ1 η ） θ（ η， τ） 2 （ sinμ1 － μ1 cosμ1 ） = exp（ － μ2 （ τ ≧ 1478． 6 ） （ 10 ） 1 F0 ） θ0 μ1 － sinμ1 cosμ μ1 η 罐内升温较快， 但是还 反应。在 1 小时 ～ 4 小时内， 原罐中大部分物料要达到反应所需的 1150℃ 以上， 需要长达 10h 的加热时间， 因此每罐炉料的生产周 期长达 10h ～ 12h。
［3 ］ 12 个小时， 生产效率低。 根据文献 ， 还原罐内的 外部环境对球 传热是影响总反应速率的重要因素，
引言
金属镁冶炼中最具代表性的工艺是硅热法， 即 。 （ L． M． 皮江法 硅热法炼镁是由加拿大科学家皮江 Pidgeon） 教授在 1941 年发明的硅热还原炼镁工艺。 该工艺将煅烧后的白云石与硅铁和萤石按一定比例 配比磨 成 细 粉 混 合， 制 球 后， 送 往 还 原 罐 内， 在 1180℃ ～ 1200℃ 的温度下和 1Pa ～ 13Pa 真空条件下 还原制取粗镁， 经过精炼、 铸锭、 表面处理获得金属 镁锭。该工艺的特点是真空高温条件下的固相反 应， 其反应速度与炉料的细度、 还原温度及体系的剩 余压力有关， 还原效率约为 85% 。 我国自 60 年代 历经 40 余年， 开始皮江法炼镁技术的研究与实践， 皮江法炼镁工艺在我国得到迅猛的发展， 成为中国 ［1 ］ 。 1998 参与世界竞争的优势产业 自 年以来我国 的镁产量已经连续多年居世界首位， 成为全球最大 ［2 ］ 的金属镁生产国， 受到世界镁行业的普遍关注 。 硅热法炼镁工艺生产周期较长， 一般为 10 个 ～
球团在还原罐内的传热分析
球团在还原罐中自然堆装时的传热规律与填充 床极为类似， 其在真空加热过程中的传热有如下几 ： （ 1 ） 球团内的导热； （ 2 ） 球团间通过 接触的传热； （ 3 ） 球团间表面的辐射传热； （ 4 ） 球团 种形式 与罐壁接触处的传热； （ 5 ） 罐壁对罐内的辐射传热。 其中（ 4 ） 和 （ 5 ） 传热方式是外界热量输入方式。 另 外在真空度未达到 10Pa 以前， 即加热的前期， 由于 罐内还存在一定气体， 此时罐内也存在对流传热方 式。在反应时， 由于存在反应面和镁蒸气的逸出 ， 传 热方式有反应面薄膜的导热及固体与镁蒸气的对流 换热， 其传热形式如图 2 所示：
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刘勇，游国强， 刘榆， 黄彦彦：硅热法炼镁 工艺中单个球团及球团填充层的传热学分析 0 ） = θ0 ， （ 0 r R） θ（ r， （ r ， ） θ τ | r =0 = 0 r －λ θ （ r ， τ） | r = R = hθ （ R ， τ） r