電極插入深度對礦熱爐加熱影響的CFD分析

孫昊，劉鵬，張新杰，張越，劉偉

（沈陽化工大學 機械與動力工程學院，遼寧 沈陽 110142）

礦熱爐是當前重工業(yè)鐵合金冶煉的重要設備，全球有超過90%的金屬合金使用礦熱爐設備生產(chǎn)。在其冶煉過程中會涉及復雜的能量轉化，利用電能所產(chǎn)生的焦耳熱使電極附近的礦料急劇升溫并直至加熱到熔融狀態(tài)[1]。當熔池內部的溫度滿足反應溫度要求時，礦料會發(fā)生劇烈的還原反應，吸收大量電弧產(chǎn)生的焦耳熱，并產(chǎn)生大量氣態(tài)產(chǎn)物（如一氧化碳等廢氣）。同時，礦料在高溫下熔化至熔融狀態(tài)甚至轉變?yōu)橐簯B(tài)合金溶液，會使熔池內部存在固態(tài)礦料顆粒與液態(tài)金屬合金兩相物質同時存在。而熔化成為液態(tài)狀態(tài)的合金溶液則會在磁場作用下產(chǎn)生一定的旋轉流動，這會對熔池內壁的耐火磚與底部的搗打料造成沖蝕與腐蝕磨損。因此，礦熱爐冶煉中除了要關注礦料的溫度分布、化學反應，還需要對固液兩相的分布情況進行研究。在多物理場耦合作用下，礦料/熔渣/合金液間的傳熱傳質規(guī)律和爐內溫度的分布情況發(fā)生改變[2]。但由于礦熱爐實際生產(chǎn)操作過程中環(huán)境的復雜性，不利于通過現(xiàn)場實驗的方法研究礦熱爐多物理場耦合問題。因此目前大部分學者主要采用計算流體力學的商業(yè)仿真軟件，運用數(shù)值模擬的方法研究礦熱爐內多物理場耦合，這對指導生產(chǎn)實踐具有重要意義。

由于工業(yè)行業(yè)對鐵合金生產(chǎn)的高度關注，在過去的40年里已經(jīng)有學者發(fā)表了大量的計算研究成果，通過不同的二維和三維流體計算模型，研究了礦熱爐中的電磁、傳熱和流體流動現(xiàn)象。目前，越來越多的學者使用純數(shù)值模擬的方法對礦熱爐或高爐的電極操作參數(shù)、直/交流電弧特性與洛倫茲力對電弧行為的影響進行了深入研究，并對爐內焦耳熱場、溫度場與電磁場分布、化學反應機理等問題進行了模擬計算和仿真分析。KARALIS[3]等建立了二維穩(wěn)態(tài)計算的工業(yè)電弧爐模型，分析考慮了電極的形狀和浸沒深度，以及焦耳加熱對礦渣性能的依賴關系。MOGHADAM[4]等建立了一個二維數(shù)學模型，用來描述硅鐵交流礦熱爐電弧區(qū)傳熱和流體流動，研究了電流和電弧長度對熔池內流場和溫度分布的影響。DONG[5]等用ANSYS對三維模型硅鐵礦熱爐內的電流密度、焦耳熱以及溫度場做了多物理場耦合有限元模擬。姜文婷[6]等建立了礦熱爐內熱-流動-電磁耦合的磁流體動力學模型，探究了電流大小對礦熱爐內起弧過程的影響。李克忠[7]等則是對氣化爐內襯耐火材料選取及內襯施工等提出了相關建議。但礦熱爐冶煉工藝中存在的熔池內部固液共存的兩相溫度場狀態(tài)，相關研究成果較少，無法準確揭示爐內熔池的溫度分布以及傳熱傳質機理。

本研究以48 MW鎳鐵礦熱爐為對象，著重設計了礦熱爐的結構與熔池內部的3層分布（物料層、渣層、合金層），重點研究其內部溫度場與相關的固液兩相分布的情況，同時探究了在不同電極插入深度對于爐內溫度場分布情況的影響。

1 模型建立與網(wǎng)格劃分

本研究以48 MW三相電鎳鐵礦熱爐為原型，采用三電極圓形封閉式礦熱爐，爐襯內部用不同材質的耐火材料砌筑而成[8]，網(wǎng)格采用ICEM CFD軟件進行劃分，網(wǎng)格數(shù)量2 260 000，如圖1所示。

圖1 模型網(wǎng)格示意圖

2 數(shù)學模型

2.1 計算過程及假設

為了達到更好的耦合效果，礦熱爐溫度場求解首先要在集成到Workbench平臺下的Ansoft Maxwell軟件中計算出給定條件下的電磁場與焦耳熱場，將焦耳熱場作為耦合加載到Fluent中求解溫度場，開啟能量方程與融化凝固模塊，定義材料的物性參數(shù)，求解條件，并使用求解器進行求解。

由于本次研究主要針對溫度場與固液兩相分布情況的關系，所以針對礦熱爐溫度場的數(shù)值模擬，為了方便計算以及減少工作量，做出了如下基本假設：忽略化學反應對溫度場的影響；忽略流體流動對溫度分布的影響；假設爐內物性參數(shù)保持不變。

本次模擬采用的是圓形礦熱爐，且假設熔池內各部分間相對靜止，因此礦熱爐內傳熱的主要方式為導熱[9-11]，可以用柱坐標下導熱微分方程來描述爐內傳熱。控制方程為：

式中：T—溫度；

t—時間；

ξ—熱傳導系數(shù)；

r—徑向坐標；

z—軸向坐標；

ρ—材料密度；

cp—材料比熱容；

q—內熱源；

φ—材料相變潛熱項。

3 結果與討論

3.1 溫度場與固液兩相的分布

電極插入深度H=2.0 m、電極極心圓半徑為2.6 m的礦熱爐達到穩(wěn)態(tài)工作時的溫度場分布云圖如圖2所示。從圖2中可以看出，礦熱爐內溫度最大值主要位于電弧附近的物料層內，最高溫度達到2 175 K，溫度由高溫區(qū)向四周遞減。同時以三根電極的圓心為中心，形成3個高溫區(qū)，在礦熱爐中心區(qū)域相互疊加，并在礦熱爐中心組成一個更大的高溫區(qū)。圖3為熔池內部的液體分數(shù)分布圖，也可看作為凝固與熔化的相位圖，縱坐標數(shù)值1為液體，數(shù)值0為固體，鎳鐵熔點設為1 723 K[12]。從圖3中可以看出，固液兩相的分布與溫度場分布完全一致，在物料層靠近爐襯的邊緣的地方，由于遠離熔池中心高溫區(qū)，所以溫度并沒有達到熔點還處于固體礦料狀態(tài)；而在熔池的底部，受溫度與重力作用影響下，礦料全部熔化為密度更大的金屬溶液并聚集在熔池底，并與還處于固態(tài)狀態(tài)下的礦料之間由一層類似于糊狀區(qū)的物質隔絕開來，進而可以發(fā)現(xiàn)爐襯在熔池的底部與側壁下端區(qū)域受到了最強的高溫腐蝕，極易造成耐火磚的破壞與性能的下降。

圖2 礦熱爐溫度場垂直剖面圖

圖3 熔池內液體分數(shù)的分布

3.2 電極插入深度對溫度場的影響

圖4為在2個不同高度取得橫截面處的4組不同插入深度電極所產(chǎn)生的溫度場分布情況，電極插入深度分別為1.8、 1.9、 2.0、2.1 m。

從圖4中可以看出，當熔池內高度為0.15 m，也就是合金溶液層中，此時電極插入1.8 m深的熔池溫度最高，而電極插入2.1 m的熔池內溫度最低。而在同時還可以發(fā)現(xiàn)，在整個熔池結構中，每一組參數(shù)的最大溫度值都出現(xiàn)在電極底端坩堝區(qū)部位，并且隨著電極插入深度的增加，最大溫度值會逐漸下降，在熔池內高度為1.6 m位置處，電極插入深度2.1 m的情況下溫度明顯低于其他熔池溫度。這是由于電極插入深度為1.8 m時，距離渣層較遠，物料的電阻率高于爐渣層的電阻率，因而產(chǎn)生的焦耳熱較大，會得到最高的溫度場；而隨著電極插入深度的增加，電極下方的物料越來越少，產(chǎn)生的焦耳熱也就越來越小，導致溫度逐漸下降。而由于物料層與渣層中的溫度逐漸降低，進而導致合金層的溫度也低于其他電極插入深度的情況，這一趨勢如圖4（b）所示。

圖4 隨電極插入深度變化的溫度分布

4 結 論

1）礦熱爐內最高溫度出現(xiàn)在物料層靠近電極底部的區(qū)域，呈放射狀向熔池底部遞減，最高溫度達到2 175 K。

2）熔池內部的液體分數(shù)分布規(guī)律與溫度場分布趨勢一致，熔池底部高溫區(qū)礦料全部熔化為合金溶液，在物料層遠離電極的外圍邊緣由于溫度較低形成了一塊固態(tài)礦料堆積區(qū)。

3）由于電極反應區(qū)的重疊效果，物料層中高溫區(qū)面積大于渣層和合金溶液層的高溫區(qū)，且隨著電極深度的增加，最高溫度在逐漸下降。