礦熱爐電/磁/熱多物理場耦合多相流溫度場分析

摘要：為了探究三相交流電礦熱爐在穩定工作時的爐體工作情況，建立了三維交流礦熱爐多物理耦合分析模型，研究了爐內及爐襯溫度場隨不同電極插入深度的變化，并對礦熱爐內的電磁場分布情況進行了分析。結果表明：隨著電極插入深度的增加，爐膛內部最高溫度會隨之逐漸變??；爐體外側的爐殼溫度由于受自然對流換熱的影響溫度始終保持在80～100℃之間。

關鍵詞：多物理場；礦熱爐；數值模擬

中圖分類號：TF806.7" " 文獻標識碼： A" " "文章編號： 1004-0935（2024）04-0549-03

礦熱爐利用電極末端的電弧熱和爐料或爐渣的電阻熱進行高溫熔煉，其工藝既包含了傳熱、傳質、相變熔化等物理過程，還包括熱解、還原、置換等化學反應，從而形成了多相流、多物理場、多反應的復雜物理化學問題[1]。目前國內外學者從實驗和仿真兩方面對礦熱爐的電極操作參數、直/交流電弧特性和電極射流與電磁力對電弧行為的影響進行了深入研究，并對爐內溫度場/磁場分布、化學反應機理等問題進行理論驗證和仿真分析[2]。同時，利用三維動態CFD模型，結合實驗數據和經驗數據，對爐內渣金層電磁行為和傳熱過程進行仿真分析[3]，并研究了爐渣特性、電極插入深度和爐內傳熱對于爐料熔煉效果和能量分布的影響。隨著礦熱爐大型化，使得爐內工況更加復雜，對于爐襯和爐殼耐熱性、耐腐蝕性以及強度要求顯著提高，因此解決因爐襯燒穿、熱膨脹所導致的漏爐及爐襯形變等問題迫在眉睫。目前研究者們主要針對高爐爐襯和爐殼的熱應力隨溫度場的變化開展仿真分析，并基于耐火材料的氣孔率、耐火度和熱振穩定性模擬研究了爐襯的熱導率等熱工參數。然而，基于礦熱爐保溫性和冷凝型爐襯結構，建立礦熱爐熱應力計算模型，探究爐襯熱應力隨爐型和溫度分布的變化規律問題亟須解決。BOWMAN[4]通過實驗測量了電弧的速度與溫度，這成為后來者的研究基準。KARALIS[5]等對交流礦熱爐進行了二維穩態模擬，考慮了電極形狀、浸入深度對于熔池內各項參數的影響。但礦熱爐冶煉工藝中存在電/磁/熱多場耦合共存現象，相關研究成果較少，無法準確揭示爐內熔池和爐襯結構間的傳熱傳質機理。

本文建立了一種大型礦熱爐電/磁/熱多物理場耦合多相流傳熱傳質計算模型。基于大型礦熱爐多物理場耦合多相流工況，采用Fluent軟件二次開發，實現爐內電熱轉化現象、礦料熔化傳熱、電/磁/熱多物理場耦合仿真分析，探究交流礦熱爐在多物理場耦合工況下礦料/熔渣/合金液/爐襯多相間的傳熱傳質機理，合理預測熔池區和爐襯的溫度分布。

1" 模型建立與網格劃分

依據實際工藝爐體尺寸，利用Solidworks軟件建立物理模型，再導入ICEM軟件進行網格劃分，爐體及爐膛尺寸見表1，模型網格示意圖見圖1。

2" 數學模型

由于在實際生產中無法對礦熱爐內爐膛情況進行有效探測，只能測量電極通入的電流或電勢大小，所以系統輸入的能量可以使用電勢建模實現。由于電弧區域與礦料區域工況不盡相同，所以分為電弧子模型與礦料子模型兩部分。而在此基礎上計算出礦熱爐爐膛內部的溫度場后經熱傳遞至爐襯及爐殼等爐體結構上。電磁模型與電弧子模型一致[6]，由于爐料是由焦炭及礦料金屬球團組成，所以開啟多孔介質阻力源項，孔隙率設置為0.37。熱量傳導模型與爐料子模型一致[7]。

由于該本研究基于工業大型礦熱爐設計，所以三根電極底部輸入三相交流電位勢，電流大小為58000A，相位差120°，頻率為50Hz，熔池底部設為0電位勢，磁導率為1；電弧長度為0.1m；湍流模型使用k-ε模型；輻射采用P1模型，散射系數和吸收系數均為0.6[8]；爐體四周設置自然空氣對流換熱系數；懸臂梁與爐底采用位移約束；施加地球重力作用。所用數學模型公式如下：

3" 結果與討論

礦熱爐數值模擬結果如圖2所示。由圖2可知，礦熱爐內的爐膛溫度在冶煉時電弧下方具有高溫區，溫度呈輻射狀向底部與四周擴散[9]。同時因為保溫型礦熱爐是由選用較低導熱率的耐火磚與耐火顆粒搗打料砌筑而成，所以熱量主要保留在爐膛內部，爐殼上的溫度低至80℃上下，同時在爐襯內具有較大的溫度梯度，這可能會產生較大的熱變形與熱應力，與后文的研究一致[10]。

不同電極插入深度下的爐膛溫度如圖3所示。

由圖3可知，隨著電極的插入深度的增加，爐膛內的最高溫度在不斷降低，這是由于電極插入得越深，電弧下方的可供電流流經產生焦耳熱的物料區越小，所以產熱量會逐漸降低，導致最高溫度不斷下降。同時電極插入深度也不可以過大，電極插入得越深產熱量越低，一旦低于冶煉礦料所需的熔點溫度將會對生產的產品質量與效率產生影響。

4" 結 論

本文建立了礦熱爐爐膛與爐體模型，對礦熱爐的爐膛內部電磁場和溫度場分布情況進行了模擬，并對不同電極插入深度對爐膛溫度分布的影響進行了分析，主要結論如下：

1）爐膛內部高溫區位于電弧正下方，呈輻射狀向下及四周擴散。

2）爐膛內部最高溫度會隨著電極插入深度的增加而逐漸變小，電極插入物料1.7m時有最大溫度2630K。

參考文獻：

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［9］姜文婷，魏奎先，呂國強. 工業硅冶煉礦熱爐內起弧過程數值模擬[J].有色金屬工程，2021，11（7）：60-67.

［10］王帥，姜穎，鄭富強，等. 紅土鎳礦火法冶煉技術現狀與研究進展[J].中國冶金，2021，31（10）：1-7.

Analysis on Electro/Magnetic/Thermal Multiphysics Coupled Multiphase Flow Temperature Fieldin Submerged Arc Furnace

DU Jinqi， LIU Peng，SUN Hao， WANG Cuihua， LI Yaqi，ZHANG Yue

（School of Mechanical and Power Engineering， Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang Liaoning 113142，China）

Abstract：" In order to explore the working conditions of the three-phase AC submerged arc furnace during stable operation， a three-dimensional AC submerged arc furnacemulti-physics coupling analysis modelwas established， the change of the temperature field in the furnace and lining with the insertion depth of different electrodes was studied， and the electromagnetic field distribution in the submerged arc furnacewas analyzed. The results showed that with the increase of electrode insertion depth， the maximum temperature inside the furnace gradually decreased. The temperature of the furnace shell outside the furnace was always maintained between 80～100℃ due to the influence of natural convective heat transfer.

Key words：" Multiphysics; Submerged arc furnace; Numerical simulation