皮江法炼镁煅烧过程的温度场模拟.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年l 期 皮江法炼镁煅烧过程的温度场模拟 刘金平1 ，杨雪春1 ，徐河2 ，谢水生3 1 ．南昌大学，南昌3 3 0 0 2 9 ；2 北京维恩克材料有限公司，北京1 0 0 0 8 8 3 ．北京有色金属研究总院，北京1 0 0 0 8 8 摘要基于实验室模型，利用D e f o r m3 D 软件传热模块，对皮江法炼镁煅烧工序的温度场进行模拟。得 到了整个煅烧过程白云石的温度分布以及煅烧温度随煅烧时间变化的曲线。 关键词皮江法炼镁；温度场；模拟 中囤分类号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 6 0 1 0 0 3 4 0 3 T e m p e r a t u r eF i e l dS i m u l a t i o ni nC a l c i n e dP r o c e s s o fP i d g e o nP r o c e s sM g - s m e l t i n g L I UJ i n - p i n 9 1 ，Y A N GX u e c h u n l ，X UH e 2 ，X I ES h u i s h e r F ； 1N a n c h a n gU n i v e r s i t y ．N m a c h a n g3 3 0 0 2 9 ，C h i n a ；2B e l j i n gW i n c am r p o r a t i 佣，B e i j i n g1 0 0 0 8 8 ．C h i n a 3H e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t ef o rN o n f e r r o u sM e t a l s ，B c b 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 m p e r a t u r ef i e l do fc a l c i n e dp r o c e s so ft h eP i d g e o nP r o c e s sM g s m e l t i n gi ss i m u l a t e db a s e du p o n l a b m o d e la n du t i l i z i n gh e a tt r a n s f e rm o d u l eo ft h eD e f o r m 一3 1 3s o f t w a r e ．T h er e s u l tg a i n st h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fd o l o m i t ea Mt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt e m l m r a t u r ea n dt i m e K e y w o r d s P i d g e o nP r o c e s sM g s m e l t i n g ；T e m p e r a t u r ef i e l d ；S i n l u l a t i o n 目前，3 0 ％的镁是由皮江法工艺生产，据专家预 测，皮江法依然是未来炼镁的主要方法【lJ 。在皮江 法炼镁中，白云石煅烧是获得优质原料的重要工序， 工业生产中将白云石 M g C O s - C a C 0 3 在回转窑中 煅烧 11 5 0 ～l2 5 0 ℃ ，在实验室中主要用高温硅 碳棒箱式电阻炉12 0 0 * 2 左右煅烧L 2J 。在实际的工 业煅烧生产中，存在温度不均匀、过烧严重、产量低、 煅自的质量不稳定等问题。而且在实际生产中无法 对白云石内部的温度进行准确测定，煅烧时间和煅 烧温度的难以控制一直是阻碍煅烧技术提高的主要 因素。 为了解自云石内部的传热和温度分布，对煅烧 温度和煅烧时间预测和控制，利用现代计算机软件 的优势，对温度场进行尽可能真实的模拟。本文基 于实验室实际的煅烧模型，利用D e f o r m 一3 D 软件的 传热模块，在炉膛加热到12 0 0 ℃的温度时，放人 作者简介刘盒平 1 9 7 9 一 ．男．硬士研究生 3 0 0g 、2 0 ℃的白云石物料，保温1h ，然后进行传热 模拟。 1D e f o r m 软件模拟 D e f o r m 3 D 是一个集建模、成形、热传导，与 C A D 软件无缝连接，完全商品化的有限元分析工艺 仿真软件。该软件包括三个主要部分预处理，模拟 和后置处理。D e f o r m 一3 D 模拟是通过构造几何模 型，自动进行有限元网格划分，并加载相应的边界条 件的一种模拟方法。 1 ．1 几何模型的建立 本文几何模型的尺寸以实际实验室炉膛的尺 寸、每次装料的质量和白云石的密度为计算依据，采 用P m ／e 软件建模，然后转换为* S T L 文件的格式 导人到d e f o r m 软件中。如图1 所示。 1 ．2 边界条件和材料数据的确定 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年1 期 图lP r o ／E 几何模型 F i g ．1 P r o ／eg e o m e t r ym o d e l 1 ．21 材料和热性能数据[ 3 4 】 模拟中需要的热性能数据包括热传导率 、热 容c 和热辐射率e ，具体数据如表1 所示。 表l 试验原始数据 T a b l e1 T h eo r i g i n a lt e s td a t a C 项目e ／ J m - 。- 5 ～- ℃一‘ ／ U k g 一1 ℃1 W o r k p i e c e 工件 08 3 08 1 0 9 3 T o p d i e 上模 1 ．209 607 5 B o t t o m d i e 下模 l209 60 7 5 1 ．2 ．2 模型中的热交换系数L 4 J 在实验室煅烧白云石时，由炉膛提供热源，炉膛 与白云石之间的热交换系数为a 。；炉膛与上模之间 的热交换系数为t t 。两个灰体之间的热辐射交换系 数用 1 式来计算 口 C 。／ 1 ／e 1 1 ／￡z ～1 1 式中C 。为黑体的辐射系数，C 。t5 ．6 7 W ／ m 2 K 4 ；e l 、e 为两种灰体的热辐射率。 由此可得d 1 40 5 2W ／ m 2 K 4 、口2 3 ．0 4 2 1W ／ Ⅱf - K 4 123 炉膛产生的热流 白云石需要的热由炉膛提供，单位面积通过的 热称热流 H e a tF l u x ，传热的强弱由传热系数K 确 定。 1 K2 丁h 2 i i 丁 式中的a 。，a 2 由 1 求得，8 为炉膛壁厚，取6 5 m m ， 为炉膛的热传导率。 由 2 式得K 1 ．1 8 9 7W ／ m 2 ℃ Q K - △T K 7 ’1 一T o 3 由 3 式可计算出Q 03 8 7 9 9w ／ m 2 s 2 结果分析 白云石的温度场分布图见图2 。 图2 白云石的温度场分布 F i g ．2 T h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fd o l o m i t e 由图2 可知，在1h 后，白云石的最高温度达到 了11 9 0 ℃，内核的温度也达到了10 4 0 ℃，达到了白 云石的分解温度。在实际煅烧的过程中M g C O s 在 7 3 4 ～8 3 5 ℃开始分解，C a C 0 3 在9 0 4 ～12 0 0 ℃开始 分解。这样，由图2 温度分布带可以判断白云石中 这两种成分的分解情况，从而由温度达到判断白云 石是否分解完全。 为了分析煅烧温度与时闯的变化关系，采集了 均匀分布于截面的8 个点，通过点的采集，自动生成 如图3 所示的白云石的温度随时间变化关系曲线。 图3 表明，P 1 ～P 8 点的温度与时间的曲线的切 向斜率是逐渐减小的，P 1 点温度随时间的变化最为 显著，这验证了热是由外向内传递的。且各点在到 1h 后趋近于l2 0 0 ℃，但不可能达到了12 0 0 ℃，在 热交换过程中有热的损失。同时，由温度与时间有 对应关系，这对实验室测定煅烧温度和煅烧时间的 准确度提供了依据，同时，对于工业实际煅烧凭经验 控制和预测煅烧时闾和煅烧温度提供了十分重要的 参考依据。煅烧温度和煅烧时问的准确控制和预 测，对提高产量，降低料耗，稳定煅白质量，降低能 耗，降低成本都有十分重要的意义。 3结论 通过对皮江法煅烧过程的温度场模拟，可以清楚 的看到白云石内部温度的分布情况。白云石煅烧温 度带的分布，对中国大多数镁厂实际生产凭经验来判 断白云石是否过烧、欠烧有很重要的参考价值，煅烧 温度与时间对应的关系，为工业实际生产预测和控制 煅烧温度和煅烧时同提供了依据。煅烧温度和时间 的准确控制和预测对提高产量、降低料耗、稳定煅白 质量、降低能耗、降低成本都有十分重要的意义。 万方数据 3 6 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年1 期 图3自云石煅烧温度随时闻变化的关系曲线 F i g ．3T h er e l a t i o nc u r v eb e t w e e nt e m p e r a t u r ea n dt i m e 参考文献 [ 1 ] H e n r yH u ，A l f r e dY u ．N a i y iL i AN u m e r i c a lU n d e r s t a n d i n go fV e r t i c a lM a g n e s i u mT h e r m a lR e d u c t i o nP r o c a s s e s [ J ] M a g n e s i u mT e c h n o l o g y2 0 0 2 ，2 0 0 2 1 3 1 7 [ 2 ] 徐劲之，万方，徐日瑶硅热法炼镁炉料吸湿性研究[ J ] 轻金属，1 9 9 5 5 4 0 4 4 [ 3 ] 章熙是，任泽霈．梅飞呜，等传热学[ M ] 北京中国建 筑工业出版社，1 9 8 4 ． [ 4 ] 德意志工程师协会工艺与化学工程学．传热手册[ M ] ． 北京化学工业出版社，1 9 8 3 ． 万方数据