镁还原罐内强化换热研究

D0I:10.13374M.issn1001-053x.2012.07.018 第34卷第7期 北京科技大学学报 Vol.34 No.7 2012年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jul.2012 镁还原罐内强化换热研究 冯俊小四 张志远 北京科技大学机械工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:jxfeng@usth.cdu.cm 摘要通过分析传统球团料在还原罐内的温度分布，提出了以改进布料方式缩短硅热法炼镁还原周期的必要性.研发了一 种新型炼镁料块，运用FLUENT软件对料块的传热过程进行数值模拟，分别研究了料块的高度、外缘高度、内孔直径、上下面 直径、凹槽直径和凹槽个数对料块传热过程和镁产量的影响.发现当料块的高度为100mm、外缘高度为50mm、内径为 100mm、上下面直径为200mm、凹槽直径为50mm和凹槽个数为8个时，单炉镁产量最高为318kg·h',较传统球团料提高 43.9%,吨镁煤气消耗量降低了30.5%.通过实验得出料块内部的温度分布与数值模拟的结果一致，说明数值模拟的模型是 可靠的 关键词炼镁：还原：传热：料块：优化：数值方法 分类号TF822 Enhancement of heat transfer in a magnesium reduction retort FENG Jun=-xiao☒，ZHANG Zhi-yuan School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China X Corresponding author,E-mail:jxfeng@ustb.edu.cn ABSTRACT By analyzing the temperature distribution of traditional briquetting in a magnesium reduction retort,it is necessary to improve the briquetting's shape to shorten the reduction cycle of the magnesium silicon thermal reduction method.The heat transfer process of a new-type briquetting for magnesium reduction was simulated by FLUENT software,with focus on the influence of the briquetting'height,edge height,inner diameter,bottom diameter,notch diameter and notch number on the heat transfer process and the magnesium output.It is found that the maximum magnesium output is 318 kghwhen the briquetting's height is 100mm,the edge height is 50 mm,the inner diameter is 100 mm,the bottom diameter is 200 mm,the notch diameter is 50 mm,and the notch number is 8.Compared with the traditional briquetting,the magnesium output increases by 43.9%and the gas consumption for per ton magnesium decreases by 30.5%.The internal temperature distribution of the briquetting in the experiment is consistent with the simu- lation results,indicating that the model of numerical simulation is reliable. KEY WORDS magnesium metallurgy:reduction:heat transfer:briquetting:optimization:numerical methods 我国不仅镁资源储量大，而且镁产量居世界首 因此有必要研究还原罐内物料的导热问题，强化罐 位山.镁金属的生产主要有硅热法和电解法，我国 内的传热过程.苏明等0在还原罐内加装导热装 以硅热法炼镁为主回。但是，传统的硅热法炼镁，不 置，从而强化了罐内的传热，使还原时间缩短为4~ 仅产量低，能耗高，周期长，而且对环境污染非常大， 5h,但导热装置长期处于高温环境中，容易引起变 这些问题极大地限制我国镁行业继续快速发展.因 形，其寿命较短.本文以双蓄热立式镁还原炉5还 此提高产量、降低能耗、缩短还原周期以及降低污染 原罐内物料为研究对象，分析物料分布方式对加热 是提升我国硅热法炼镁水平的必由之路. 时间的影响，并对物料的传热过程进行数值模拟，提 硅热法炼镁还原周期较长，一般为10~12h, 出一种新型炼镁料块.该料块可改善物料的传热方 收稿日期：201105-21

第 34 卷 第 7 期 2012 年 7 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 7 Jul． 2012 镁还原罐内强化换热研究 冯俊小 张志远 北京科技大学机械工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: jxfeng@ ustb． edu． cn 摘 要 通过分析传统球团料在还原罐内的温度分布，提出了以改进布料方式缩短硅热法炼镁还原周期的必要性． 研发了一 种新型炼镁料块，运用 FLUENT 软件对料块的传热过程进行数值模拟，分别研究了料块的高度、外缘高度、内孔直径、上下面 直径、凹槽直径和凹槽个数对料块传热过程和镁产量的影响． 发现当料块的高度为 100 mm、外缘高度为 50 mm、内径为 100 mm、上下面直径为 200 mm、凹槽直径为 50 mm 和凹槽个数为 8 个时，单炉镁产量最高为 318 kg·h － 1 ，较传统球团料提高 43. 9% ，吨镁煤气消耗量降低了 30. 5% ． 通过实验得出料块内部的温度分布与数值模拟的结果一致，说明数值模拟的模型是 可靠的． 关键词 炼镁; 还原; 传热; 料块; 优化; 数值方法 分类号 TF822 Enhancement of heat transfer in a magnesium reduction retort FENG Jun-xiao ，ZHANG Zhi-yuan School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: jxfeng@ ustb． edu． cn ABSTRACT By analyzing the temperature distribution of traditional briquetting in a magnesium reduction retort，it is necessary to improve the briquetting’s shape to shorten the reduction cycle of the magnesium silicon thermal reduction method． The heat transfer process of a new-type briquetting for magnesium reduction was simulated by FLUENT software，with focus on the influence of the briquetting’height，edge height，inner diameter，bottom diameter，notch diameter and notch number on the heat transfer process and the magnesium output． It is found that the maximum magnesium output is 318 kg·h － 1 when the briquetting’s height is 100 mm，the edge height is 50 mm，the inner diameter is 100 mm，the bottom diameter is 200 mm，the notch diameter is 50 mm，and the notch number is 8． Compared with the traditional briquetting，the magnesium output increases by 43. 9% and the gas consumption for per ton magnesium decreases by 30. 5% ． The internal temperature distribution of the briquetting in the experiment is consistent with the simu￾lation results，indicating that the model of numerical simulation is reliable． KEY WORDS magnesium metallurgy; reduction; heat transfer; briquetting; optimization; numerical methods 收稿日期: 2011--05--21 我国不仅镁资源储量大，而且镁产量居世界首 位［1］． 镁金属的生产主要有硅热法和电解法，我国 以硅热法炼镁为主［2］． 但是，传统的硅热法炼镁，不 仅产量低，能耗高，周期长，而且对环境污染非常大， 这些问题极大地限制我国镁行业继续快速发展． 因 此提高产量、降低能耗、缩短还原周期以及降低污染 是提升我国硅热法炼镁水平的必由之路． 硅热法炼镁还原周期较长，一般为 10 ～ 12 h ［3］， 因此有必要研究还原罐内物料的导热问题，强化罐 内的传热过程． 苏明等［4］在还原罐内加装导热装 置，从而强化了罐内的传热，使还原时间缩短为 4 ～ 5 h，但导热装置长期处于高温环境中，容易引起变 形，其寿命较短． 本文以双蓄热立式镁还原炉［5--6］还 原罐内物料为研究对象，分析物料分布方式对加热 时间的影响，并对物料的传热过程进行数值模拟，提 出一种新型炼镁料块． 该料块可改善物料的传热方 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.07.018

第7期 冯俊小等：镁还原罐内强化换热研究 ·831· 式，缩短加热时间，提高生产效率 因此能源利用率很低.为了使还原罐内的物料能够 1传统球团料导热过程分析 迅速达到1450K,有必要对还原罐内的布料方式进 行研究. 1.1传统球团料导热机理 1500c12h 球团在还原罐内加热，在自然堆装的情况下其 1400 130010h8h6h 1200- 导热过程主要有以下几种形式：球团内部微粒与微 4h 粒之间的导热；球团之间的接触导热；球团之间的辐 900 2h 射传热；空隙与空隙之间的辐射传热；接触面附近合 金熔体薄膜的导热：固体一合金熔体一固体之间的传 热等. 400%50100150200250 中心截面处滑半径方向的离mm 球团在还原罐内加热时，球团内部的温度分布 图1传统球团料内部的温度变化曲线 是时间、位置的函数，为了简化问题，只考虑导热过 Fig.1 Internal temperature curves of the traditional briquetting 程.假设球团周围的辐射传热是均匀的，并且球团 的密度、导热系数和热容是不随时间、位置而变化 2新型料块的优化设计 的.在未到达反应温度时，无化学反应，所以无内热 2.1新型料块介绍 源.球团内的一维非稳态的导热微分方程如下： 图2和图3为新型料块立体图和剖面图，该料 m韶）证 12 (1) 块直接由混合料压制而成，中间开孔，既能减少加热 中心物料的时间，又能提供镁蒸汽流动的通道.由 式中：r为球团半径，m;T为温度，K;a。为导温系数， 于料块在还原罐中堆叠放置，故上、下面起到支撑料 &产。行为加热时间s 块的作用，在上、下面开有半圆型凹槽，该凹槽不但 能够接受来自还原罐内壁的辐射热量，还能使周边 半径为的球团在真空环境温度下的温度分布 产生的镁蒸汽顺利地进入中心孔道，使镁蒸汽能够 函数如下式m: 更快地进入冷凝区结晶.斜面直接接受高温还原罐 T,)=T+2(T-)三 辐射的热量，使热量更快地传入料块内部.外缘直 (会0o71a07g.+n07a.j 接接触还原罐的壁面，热量可由外缘以导热的方式 1 向料块内传递。由此可以看出该料块在还原罐内由 B+5.176×10 导热和辐射的双重作用对其加热.料块的外径大小 0.0171(B+5.176×10)+227.5 (2) 取决于还原罐内径的大小，在此取料块的外径为 式中：T(r,)为球团内部的温度，K:Tw为还原罐壁 500mm, 面温度，K;T。为球团初始温度，KBm为系数. 由式(2)可以看出球团内的温度分布只是半径 和时间的函数，还原反应的动力学是由球团的导热 和化学反应联合控制的，并且传热是影响总反映速 率的重要因素. 1.2传统球团料在加热过程中的温度变化 本文采用实验的方法对传统球团料的加热过程 图2新型料块立体图 Fig.2 Space diagram of the new-ype briquetting 进行温度监测，其随时间的变化曲线如图1所示. 从图中可以看出：加热开始时罐壁与球团料温差较 2.2料块加热过程的数值模拟 大，传热较快，罐内料层的温度变化比较迅速，加热 (1)数学模型.由于还原炉内温度分布均匀， 至4h还原罐内中心轴线的温度就上升至1160K; 可视为还原罐壁温恒定，还原反应条件为真空， 但直到加热至12h,还原罐内的温度才趋于均匀，达 且还原罐较长，可取还原罐中部高度为100mm的一 到1450K.这说明炼镁还原周期长的主要原因在于 段为研究对象，假设该料块周围的辐射传热是均匀 罐内中心区域温升缓慢，加热到理想的反应温度所 的，而且料块内部各处的导热系数、热容不随时间、 需时间长达12h,而长时间的加热，燃料消耗量大， 位置发生变化.球团料的反应吸热可以简化为整体

第 7 期 冯俊小等: 镁还原罐内强化换热研究 式，缩短加热时间，提高生产效率． 1 传统球团料导热过程分析 1. 1 传统球团料导热机理 球团在还原罐内加热，在自然堆装的情况下其 导热过程主要有以下几种形式: 球团内部微粒与微 粒之间的导热; 球团之间的接触导热; 球团之间的辐 射传热; 空隙与空隙之间的辐射传热; 接触面附近合 金熔体薄膜的导热; 固体--合金熔体--固体之间的传 热等． 球团在还原罐内加热时，球团内部的温度分布 是时间、位置的函数，为了简化问题，只考虑导热过 程． 假设球团周围的辐射传热是均匀的，并且球团 的密度、导热系数和热容是不随时间、位置而变化 的． 在未到达反应温度时，无化学反应，所以无内热 源． 球团内的一维非稳态的导热微分方程如下: 1 r  2 r 2 ( rT) = 1 r 2   ( r r 2 T  ) r = 1 αc T τ ． ( 1) 式中: r 为球团半径，m; T 为温度，K; αc 为导温系数， αc = λ ρc ，m2 ·s － 1 ; τ 为加热时间，s． 半径为 r0的球团在真空环境温度下的温度分布 函数如下式［7］: T( r，τ) = TW + 2 r ( T0 － TW ) ∑ ∞ m = 1 e － 3. 485 × 10 － 6β2 mτ·sinβmr ( · － 1 βm ·0. 017 1cos 0. 017 1βm + 1 β2 m sin0. 017 1βm )· β2 m + 5. 176 × 104 0. 017 1( β2 m + 5. 176 × 104 ) + 227. 5 ． ( 2) 式中: T( r，τ) 为球团内部的温度，K; TW为还原罐壁 面温度，K; T0为球团初始温度，K; βm为系数． 由式( 2) 可以看出球团内的温度分布只是半径 和时间的函数，还原反应的动力学是由球团的导热 和化学反应联合控制的，并且传热是影响总反映速 率的重要因素． 1. 2 传统球团料在加热过程中的温度变化 本文采用实验的方法对传统球团料的加热过程 进行温度监测，其随时间的变化曲线如图 1 所示． 从图中可以看出: 加热开始时罐壁与球团料温差较 大，传热较快，罐内料层的温度变化比较迅速，加热 至 4 h 还原罐内中心轴线的温度就上升至 1 160 K; 但直到加热至 12 h，还原罐内的温度才趋于均匀，达 到 1 450 K． 这说明炼镁还原周期长的主要原因在于 罐内中心区域温升缓慢，加热到理想的反应温度所 需时间长达 12 h，而长时间的加热，燃料消耗量大， 因此能源利用率很低． 为了使还原罐内的物料能够 迅速达到 1 450 K，有必要对还原罐内的布料方式进 行研究． 图 1 传统球团料内部的温度变化曲线 Fig． 1 Internal temperature curves of the traditional briquetting 2 新型料块的优化设计 2. 1 新型料块介绍 图 2 和图 3 为新型料块立体图和剖面图，该料 块直接由混合料压制而成，中间开孔，既能减少加热 中心物料的时间，又能提供镁蒸汽流动的通道． 由 于料块在还原罐中堆叠放置，故上、下面起到支撑料 块的作用，在上、下面开有半圆型凹槽，该凹槽不但 能够接受来自还原罐内壁的辐射热量，还能使周边 产生的镁蒸汽顺利地进入中心孔道，使镁蒸汽能够 更快地进入冷凝区结晶． 斜面直接接受高温还原罐 辐射的热量，使热量更快地传入料块内部． 外缘直 接接触还原罐的壁面，热量可由外缘以导热的方式 向料块内传递． 由此可以看出该料块在还原罐内由 导热和辐射的双重作用对其加热． 料块的外径大小 取决于还原罐内径的大小，在此取料块的外径为 500 mm． 图 2 新型料块立体图 Fig． 2 Space diagram of the new-type briquetting 2. 2 料块加热过程的数值模拟 ( 1) 数学模型． 由于还原炉内温度分布均匀， 可视为还原罐壁温恒定［8］，还原反应条件为真空， 且还原罐较长，可取还原罐中部高度为 100 mm 的一 段为研究对象，假设该料块周围的辐射传热是均匀 的，而且料块内部各处的导热系数、热容不随时间、 位置发生变化． 球团料的反应吸热可以简化为整体 ·831·

·832 北京科技大学学报 第34卷 外缘 凹楂上底面 斜面 350 300 250 兰200 年150 100 50- 下底面内孔 150200250 300 料块高度mm 图3新型料块截面示意图 图4料块高度与镁产量的关系曲线 Fig.3 Section schematic of the new-ype briquetting Fig.4 Relation between magnesium output and the briquetting's 炉料存在一个吸热源，引入附加源项Φ，因此还原 height 罐内的热量传递可视为笛卡尔坐标系中的三维非稳 350 态有内热源的导热过程，其控制方程为W >300 250 +项 ￥200 旺150 是100 (3) 超50 式中：p为物料的密度，kg·m3;c为物料的比热容， 902030405060708090100 Jkg1K-1:入为物料的有效导热系数，W·m1· 外缘高度/mm K-l:Φ为化学反应吸热量，Wm3 图5外缘高度与镁产量的关系曲线 (2)初始条件.料块的初始温度为300K Fig.5 Relation between magnesium output and edge height (3)边界条件.为简化分析，假设该料块外边 350 缘恒定的接受来自还原罐壁面的辐射热量；由于料 2300 250 块的上、下表面及中心孔没有热量的交换，可认为是 200 绝热表面；料块的上、下斜面和凹槽直接接受来自还 100 原罐壁的辐射热量☒，料块的表面黑度为0.8，辐 50 0255075100125150175 射温度为1473K,料块的密度和比热容分别为p= 料块内径mm 1250kgm-3和c=1200Jkg1·K-1,料块的导热系 图6料块内径与镁产量的关系曲线 数为入=1.3Wm1·K-,料块的反应吸热简化为 Fig.6 Relation between magnesium output and inner diameter 整体存在一个吸热源，即附加源项Φ= 38Wm-3间 350 至0n 250 3 计算结果及分析 200 本文采用商业软件FLUENT6.3数值求解三维 非稳态导热过程的数学模型. 100150200250300350400450500 3.1料块结构的优化 上下底面直径mm 还原罐的高度为3500mm,装料高度为 图7上下底面直径与镁产量的关系曲线 2500mm,内径为500mm,单炉装还原罐32支，料镁 Fig.7 Relation between magnesium output and bottom diameter 比6.5，分别对料块高度、外缘高度、内孔直径、上下 350 面直径、凹槽直径和凹槽个数的变化进行对比分析， 300 得出与镁产量的关系如图4~图9所示. 由以上各图可以看出，当料块的高度为 100mm,外缘高度为50mm,内径为100mm,上下底 面直径为200mm,凹槽直径为50mm,单面凹槽个数 0 1020304050 凹槽直径mm 为8个时，镁产量达到最高值，为318kgh,此时 图8凹槽直径与镁产量的关系曲线 为最佳的可用于生产的料块，料块形状及截面尺寸 Fig.8 Relation between magnesium output and notch diameter 如图10和图11所示： 3.2新型料块温度分布及分析 心截面处在加热过程中的温度分布云图如图12 经过优化后的新型料块通过数值模拟后水平中 所示

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 图 3 新型料块截面示意图 Fig． 3 Section schematic of the new-type briquetting 炉料存在一个吸热源，引入附加源项 Φ，因此还原 罐内的热量传递可视为笛卡尔坐标系中的三维非稳 态有内热源的导热过程，其控制方程为［9--11］ ρc T τ =   ( x λ T  ) x +   ( y λ T  ) y +   ( z λ T  ) z + Φ． ( 3) 式中: ρ 为物料的密度，kg·m － 3 ; c 为物料的比热容， J·kg － 1 ·K － 1 ; λ 为物料的有效导热系数，W·m － 1 · K － 1 ; Φ 为化学反应吸热量，W·m － 3 ． ( 2) 初始条件． 料块的初始温度为 300 K． ( 3) 边界条件． 为简化分析，假设该料块外边 缘恒定的接受来自还原罐壁面的辐射热量; 由于料 块的上、下表面及中心孔没有热量的交换，可认为是 绝热表面; 料块的上、下斜面和凹槽直接接受来自还 原罐壁的辐射热量［12］，料块的表面黑度为 0. 8，辐 射温度为 1 473 K，料块的密度和比热容分别为ρ = 1 250 kg·m － 3 和 c = 1 200 J·kg － 1 ·K － 1 ，料块的导热系 数为 λ = 1. 3 W·m － 1 ·K － 1 ，料块的反应吸热简化为 整体 存 在 一 个 吸 热 源，即 附 加 源 项 Φ = 38 W·m － 3［13］． 3 计算结果及分析 本文采用商业软件 FLUENT6. 3 数值求解三维 非稳态导热过程的数学模型． 3. 1 料块结构的优化 还 原 罐 的 高 度 为 3 500 mm，装 料 高 度 为 2 500 mm，内径为 500 mm，单炉装还原罐 32 支，料镁 比 6. 5，分别对料块高度、外缘高度、内孔直径、上下 面直径、凹槽直径和凹槽个数的变化进行对比分析， 得出与镁产量的关系如图 4 ～ 图 9 所示． 由以上各图可以看出，当 料 块 的 高 度 为 100 mm，外缘高度为 50 mm，内径为 100 mm，上下底 面直径为 200 mm，凹槽直径为 50 mm，单面凹槽个数 为 8 个时，镁产量达到最高值，为 318 kg·h － 1 ，此时 为最佳的可用于生产的料块，料块形状及截面尺寸 如图 10 和图 11 所示: 3. 2 新型料块温度分布及分析 经过优化后的新型料块通过数值模拟后水平中 图 4 料块高度与镁产量的关系曲线 Fig． 4 Relation between magnesium output and the briquetting’s height 图 5 外缘高度与镁产量的关系曲线 Fig． 5 Relation between magnesium output and edge height 图 6 料块内径与镁产量的关系曲线 Fig． 6 Relation between magnesium output and inner diameter 图 7 上下底面直径与镁产量的关系曲线 Fig． 7 Relation between magnesium output and bottom diameter 图 8 凹槽直径与镁产量的关系曲线 Fig． 8 Relation between magnesium output and notch diameter 心截面处在加热过程中的温度分布云图如图 12 所示． ·832·

第7期 冯俊小等：镁还原罐内强化换热研究 ·833· 350 每隔25mm取一点，记录该点的温度变化情况，如图 300 250 13所示.从图可以看出：加热至1h时，由于料块内 200 150 外温差较大，曲线的变化幅度比较大，在150mm处 t 温度最低为575K,说明此处料层较厚，温度上升缓 慢；而在150~250mm处曲线的斜率比较大，说明该 0 2 4 68 10 单面开槽个数 部分料块内部温差较大，导热速率较快.加热至3h, 图9单面凹槽个数与镁产量的关系曲线 温度曲线已变得平缓，在150mm处的温度大小为 Fig.9 Relation between magnesium output and notch number 1216K,说明随着加热时间的延长，料温逐渐升高， 料块内部温差逐渐减小，曲线趋于平缓.加热达到6 h时，料块内部温度最低点仍在150mm处，大小为 1450K,与外缘的温差只有23K,此时料块己经被充 分加热，其内部的化学反应得以充分的进行.与图1 对比可以看出新型料块加热至1450K所需时间只 有传统球团料的一半，即使用新型料块可以极大地 缩短还原反应周期 1500r 6h 图10优化后的料块立体图 1300 Fig.10 Space diagram of the optimized briquetting 4h 兰1100 3h 2h 200 900 100 700 50 5075100125150175200225250 中心截面处沿半径方向的距离mm 图13优化后料块内部温度变化曲线 500 Fig.13 Internal temperature curves of the optimized briquetting 图11优化后的料块结构示意图 Fig.11 Section schematic of the optimized briquetting 4 实验装置及数据分析 4.1实验装置 358 本实验取双蓄热立式镁还原炉中的一支还原罐 为研究对象，在还原罐的外围缠绕电热丝对其进行 =2h 加热，将还原罐的壁温加热到1473K,使其达到与 在还原炉中相同的效果.实验用还原罐的装料高度 为1000mm,内径为500mm,壁厚为30mm.图14为 实验装置的截面示意图 300 4.2实验方法 =5b =6h (1)还原罐内物料分别采用传统球团料和新型 图12优化后的料块中心截面处的温度分布 料块 Fig.12 Temperature distribution of the optimized briquetting in the center section (2)传统球团料：在同一水平面上自还原罐中 心沿半径方向每隔25mm作为一个监测点，在各监 从图中可以看出：加热开始时，由于料块内外温 测点放置热电偶，加热时间为12h,每隔1h记录一 差较大，传热较快，图形等温区的变化比较迅速：加 次各测点的温度，最后将各测点的温度变化绘制成 热至4h时，料块内部最低温度己达到1350K:随着 曲线. 加热时间的延长，图形等温区的变化逐渐减缓，当加 (3)新型料块：在料块的中心截面处自其内表 热到6h,料块内部最低温度已达到1450K,内外温 面至外缘沿半径方向每隔25mm作为一个监测点， 度已基本达到一致. 在各监测点放置热电偶，加热时间为6h,每隔1h记 在料块的中心截面上由内壁至外缘沿半径方向 录一次各测点温度，并将记录的温度变化绘制成

第 7 期 冯俊小等: 镁还原罐内强化换热研究 图 9 单面凹槽个数与镁产量的关系曲线 Fig． 9 Relation between magnesium output and notch number 图 10 优化后的料块立体图 Fig． 10 Space diagram of the optimized briquetting 图 11 优化后的料块结构示意图 Fig． 11 Section schematic of the optimized briquetting 图 12 优化后的料块中心截面处的温度分布 Fig． 12 Temperature distribution of the optimized briquetting in the center section 从图中可以看出: 加热开始时，由于料块内外温 差较大，传热较快，图形等温区的变化比较迅速; 加 热至 4 h 时，料块内部最低温度已达到 1 350 K; 随着 加热时间的延长，图形等温区的变化逐渐减缓，当加 热到 6 h，料块内部最低温度已达到 1 450 K，内外温 度已基本达到一致． 在料块的中心截面上由内壁至外缘沿半径方向 每隔 25 mm 取一点，记录该点的温度变化情况，如图 13 所示． 从图可以看出: 加热至 1 h 时，由于料块内 外温差较大，曲线的变化幅度比较大，在 150 mm 处 温度最低为 575 K，说明此处料层较厚，温度上升缓 慢; 而在 150 ～ 250 mm 处曲线的斜率比较大，说明该 部分料块内部温差较大，导热速率较快． 加热至3 h， 温度曲线已变得平缓，在 150 mm 处的温度大小为 1 216 K，说明随着加热时间的延长，料温逐渐升高， 料块内部温差逐渐减小，曲线趋于平缓． 加热达到 6 h 时，料块内部温度最低点仍在 150 mm 处，大小为 1 450 K，与外缘的温差只有 23 K，此时料块已经被充 分加热，其内部的化学反应得以充分的进行． 与图 1 对比可以看出新型料块加热至 1 450 K 所需时间只 有传统球团料的一半，即使用新型料块可以极大地 缩短还原反应周期． 图 13 优化后料块内部温度变化曲线 Fig． 13 Internal temperature curves of the optimized briquetting 4 实验装置及数据分析 4. 1 实验装置 本实验取双蓄热立式镁还原炉中的一支还原罐 为研究对象，在还原罐的外围缠绕电热丝对其进行 加热，将还原罐的壁温加热到 1 473 K，使其达到与 在还原炉中相同的效果． 实验用还原罐的装料高度 为 1000 mm，内径为500 mm，壁厚为30 mm． 图14 为 实验装置的截面示意图． 4. 2 实验方法 ( 1) 还原罐内物料分别采用传统球团料和新型 料块． ( 2) 传统球团料: 在同一水平面上自还原罐中 心沿半径方向每隔 25 mm 作为一个监测点，在各监 测点放置热电偶，加热时间为 12 h，每隔 1 h 记录一 次各测点的温度，最后将各测点的温度变化绘制成 曲线． ( 3) 新型料块: 在料块的中心截面处自其内表 面至外缘沿半径方向每隔 25 mm 作为一个监测点， 在各监测点放置热电偶，加热时间为 6 h，每隔 1 h 记 录一次各测点温度，并将记录的温度变化绘制成 ·833·

·834 北京科技大学学报 第34卷 1500E 出水口 1300 抽真空 1 900 2h 进水口 700 50 5075100125150175200225250 中心截面处沿半径方向的距离/mm 图15实验测得优化后料块内部温度变化曲线 Fig.15 Intemal temperature change curves of the optimized briquet- 10 ting measured in the experiment 处，大小1453K,与数值模拟的结果相差3K.由此 可以看出实验结果与数值模拟结果十分接近，每个 时刻的温度分布曲线基本一致，当加热至6h料块 1一下密封盖：2一还原罐：3一装料区：4一挡热板：5一结晶器：6一 内部最低点的温度己达到1453K,此时料块内外温 上密封盖：7一钾纳捕集器：8一耐火纤维：9一陶瓷纤维：10一加热 区：11一罐底耐火砖 度分布均匀，达到化学反应所需的温度，镁还原反应 图14实验装置截面示意图 得以充分的进行.实验证明将新型料块的还原周期 Fig.14 Section schematic diagram of the experimental device 控制在6h是可行的. 曲线. 5 镁产量的对比 4.3实验数据分析 经过实验测得传统球团料的温度变化曲线已如 镁产量可由下式计算得出： 图1所示.实验后测得新型料块的温度变化曲线如 k=Mn (4) 图15所示. mh 与图13比较可以看出：加热至1h时，温度曲线 式中：M为单罐装料量，kg;n为单炉装还原罐个数， 也是在150mm处出现最低点，大小为568K,与数值 取n=32:m为料镁比，取m=6.5:h为还原时间，h. 模拟的结果仅差7K;加热至3h,温度曲线趋于平 该双蓄热立式镁还原炉的煤气消耗量为 缓，在150mm处的温度为1221K,与数值模拟结果 1660m3h-1,新型料块与传统球团料镁产量的对比 相差5K;加热至6h,温度曲线的最低点在150mm 如表1所示. 表1新型料块与传统球团料块镁产量的对比 Table 1 Comparison of magnesium output between the optimized and traditional briquetting 单罐装 单炉总装 单炉产 还原 镁产量/ 吨镁煤气 种类 料量kg 料量/kg 镁量/kg 周期h (kg-h-1) 消耗量/m3 传统球团料 540.0 17280 2658.0 12 221 7511 新型料块 387.5 12400 1907.7 6 318 5220 通过表1可以看出，在相同的生产条件下，使用 6结论 新型料块后，虽然每个还原周期内单炉产镁量比传 统球团料降低了750.3kg,但还原周期却由原来的 (1)研发了一种新型的炼镁还原料块，通过对 12h缩短为现在的6h,镁产量由原来的221kgh-1 料块形状的优化得出：当料块的高度为100mm、外 提高到318kgh-1,提高了43.9%，吨镁煤气消耗量 缘高度为50mm、内径为100mm、上下面直径为 由原来的7511m3降低到5220m3,降低了30.5%. 200mm、凹槽直径为50mm和凹槽个数为8个时，该 可见使用该新型料块不仅能够提高镁产量，而且还 形状的料块镁产量最高为318kgh-1. 能降低燃料的消耗，从而提高了生产效率，降低了污 (2)通过与传统球团料的对比可知：该新型料 染物的排放，达到节能减排的目的. 块在加热过程中其内部温升较快，仅需6h料块内

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 1—下密封盖; 2—还原罐; 3—装料区; 4—挡热板; 5—结晶器; 6— 上密封盖; 7—钾钠捕集器; 8—耐火纤维; 9—陶瓷纤维; 10—加热 区; 11—罐底耐火砖 图 14 实验装置截面示意图 Fig． 14 Section schematic diagram of the experimental device 曲线． 4. 3 实验数据分析 经过实验测得传统球团料的温度变化曲线已如 图 1 所示． 实验后测得新型料块的温度变化曲线如 图 15 所示． 与图13 比较可以看出: 加热至1 h 时，温度曲线 也是在 150 mm 处出现最低点，大小为 568 K，与数值 模拟的结果仅差 7 K; 加热至 3 h，温度曲线趋于平 缓，在 150 mm 处的温度为 1 221 K，与数值模拟结果 相差 5 K; 加热至 6 h，温度曲线的最低点在 150 mm 图 15 实验测得优化后料块内部温度变化曲线 Fig． 15 Internal temperature change curves of the optimized briquet￾ting measured in the experiment 处，大小 1 453 K，与数值模拟的结果相差 3 K． 由此 可以看出实验结果与数值模拟结果十分接近，每个 时刻的温度分布曲线基本一致，当加热至 6 h 料块 内部最低点的温度已达到 1 453 K，此时料块内外温 度分布均匀，达到化学反应所需的温度，镁还原反应 得以充分的进行． 实验证明将新型料块的还原周期 控制在 6 h 是可行的． 5 镁产量的对比 镁产量可由下式计算得出: k = Mn mh ． ( 4) 式中: M 为单罐装料量，kg; n 为单炉装还原罐个数， 取 n = 32; m 为料镁比，取 m = 6. 5; h 为还原时间，h． 该双 蓄 热 立 式 镁 还 原 炉 的 煤 气 消 耗 量 为 1 660 m3 ·h － 1 ，新型料块与传统球团料镁产量的对比 如表 1 所示． 表 1 新型料块与传统球团料块镁产量的对比 Table 1 Comparison of magnesium output between the optimized and traditional briquetting 种类 单罐装 料量/kg 单炉总装 料量/kg 单炉产 镁量/kg 还原 周期/h 镁产量/ ( kg·h － 1 ) 吨镁煤气 消耗量/m3 传统球团料 540. 0 17 280 2 658. 0 12 221 7 511 新型料块 387. 5 12 400 1 907. 7 6 318 5 220 通过表 1 可以看出，在相同的生产条件下，使用 新型料块后，虽然每个还原周期内单炉产镁量比传 统球团料降低了 750. 3 kg，但还原周期却由原来的 12 h 缩短为现在的 6 h，镁产量由原来的 221 kg·h － 1 提高到 318 kg·h － 1 ，提高了 43. 9% ，吨镁煤气消耗量 由原来的 7 511 m3 降低到 5 220 m3 ，降低了 30. 5% ． 可见使用该新型料块不仅能够提高镁产量，而且还 能降低燃料的消耗，从而提高了生产效率，降低了污 染物的排放，达到节能减排的目的． 6 结论 ( 1) 研发了一种新型的炼镁还原料块，通过对 料块形状的优化得出: 当料块的高度为 100 mm、外 缘高度 为 50 mm、内 径 为 100 mm、上 下 面 直 径 为 200 mm、凹槽直径为50 mm 和凹槽个数为8 个时，该 形状的料块镁产量最高为 318 kg·h － 1 ． ( 2) 通过与传统球团料的对比可知: 该新型料 块在加热过程中其内部温升较快，仅需 6 h 料块内 ·834·

第7期 冯俊小等：镁还原罐内强化换热研究 ·835· 部最低温度己达1450K以上，而传统球团料则需要 研发/1全国能源与热工2008学术年会论文集.贵阳，2008： 12h才能达到相同的效果，即该新型料块还原周期 30) 只有传统球团料的12.通过实验证明，其温度分布 [6]Cheng Q B,Feng J X,Sun Z B.Numerical simulation on flow field of the new type regenerative magnesium reducing furnace.Ind 与模拟结果相符，将新型料块的还原周期控制在6h Heat,2006,35(6):14 是可行的 (程奇伯，冯俊小，孙志斌.新型蓄热式镁还原炉内流场的数 (3)在生产条件相同的情况下，虽然新型料块 值模拟.工业加热，2006,35(6)：14) 的单炉装料量有所降低，但由于还原周期的缩短，使 ] Xu R Y.The Production Technology for Making Magnesium with 其镁产量提高了43.9%，吨镁煤气消耗量降低了 Siliconthermie Process.Changsha:Central South University Press, 2003 30.5%,提高了生产效率，减少燃料的消耗 (徐日瑶.硅热法炼镁生产工艺学.长沙：中南大学出版社， 2003) 参考文献 [8]Feng JX,Cheng Q B,Yu S J.Numerical simulation on process of 1]Pan FS,Wang J F,Zhang Z H,et al.The opportunities,chal- flow and heat transfer in upright magnesium reducing furace.Adr lenges and responsibility for the development of Chinese magnesi- Mater Res,2012,383-390:6657 um industry.China Met Bull,2008(2):6 9]Wang H F.Shorten reductive cycle and improve the technology of (潘复生，王敬丰，章宗和，等.中国镁工业发展的机遇、挑战 Pidgeon process Mg-smelting.China Met Bull,2009(40):40 和责任.中国金属通报，2008(2)：6) (王洪福.缩短还原周期提升皮江法炼镁技术.中国金属通 2]Gao F,Nie ZR,Wang Z H,et al.Resource depletion and envi- 报，2009(40)：40) ronmental impact analysis of magnesium produced using pidgeon 1o] Abdellatif M.Freeman M.Mintek thermal magnesium process process in China.Chin J Nonferrous Met,2006,16(8):1456 status and prospective /Adranced Metals Initiatire (AMI) (高峰，聂祚仁，王志宏，等.中国皮江法炼镁的资源消耗和 Conference.Johannesburg,2008:1 环境影响分析.中国有色金属学报，2006,16(8)：1456) 01] Sun Y,Chai Y S,Hou B Y,et al.Numerical simulation of B]Xu R Y,Liu HZ.The gradient of reaction conditions for making temperature distribution in magnesium reduction can under the magnesium with siliconthermic process.Light Met,2006(5):44 HTAC combustion mechanism.Foundry Equip Technol,2010 (徐日瑶，刘宏专.硅热法炼镁还原反应条件的梯度.轻金 (4):32 属，2006(5)：44) (孙阳，柴跃生，侯冰洋，等.对HTAC燃烧机制下金属镁还原 4]Su M,Xie SS,Yan L,et al.Experimental study on conduction 罐内温度分布的数值模拟.铸造设备与工艺，2010(4)：32) device in silicothermic reduction pot and numerical simulation. [12]Yang K D,Chen Q,Ren J X.Coupled heat transfer and chemi- Nonferrous Met Extr Metall,2007 (4):18 cal reactions in magnesium production retorts.J Tsinghua Unir (苏明，谢水生，闫亮，等.硅热法炼镁还原罐导热装置的试 Sci Technol,2009,49(5):755 验和数值模拟.有色金属：治炼部分，2007(4)：18) (杨康定，陈群，任建勋.炼镁还原罐内传热与化学反应的耦 [5]Feng J X,Shao D,Guo S H.Research and development of a new 合特性.清华大学学报：自然科学版，2009,49(5)：755) type double-regenerative up-right Mg reducing fumace /The [13]Xia D H,Zhang G,Guo L.Study of the radial conductive inten- National Energy and Thermo Technical Conference.Guiyang, sifier for magnesium reduction jar.Ind Heat,2005,34(6):39 2008:30 (夏德宏，张刚，郭梁.金属镁还原罐径向传热强化器的研 (冯俊小，邵鼎，郭水华.一种新型双蓄热立式金属镁还原炉 究.工业加热，2005,34(6)：39)

第 7 期 冯俊小等: 镁还原罐内强化换热研究 部最低温度已达 1 450 K 以上，而传统球团料则需要 12 h 才能达到相同的效果，即该新型料块还原周期 只有传统球团料的 1 /2． 通过实验证明，其温度分布 与模拟结果相符，将新型料块的还原周期控制在 6 h 是可行的． ( 3) 在生产条件相同的情况下，虽然新型料块 的单炉装料量有所降低，但由于还原周期的缩短，使 其镁产量提高了 43. 9% ，吨镁煤气消耗量降低了 30. 5% ，提高了生产效率，减少燃料的消耗． 参 考 文 献 ［1］ Pan F S，Wang J F，Zhang Z H，et al． The opportunities，chal￾lenges and responsibility for the development of Chinese magnesi￾um industry． China Met Bull，2008( 2) : 6 ( 潘复生，王敬丰，章宗和，等． 中国镁工业发展的机遇、挑战 和责任． 中国金属通报，2008( 2) : 6) ［2］ Gao F，Nie Z R，Wang Z H，et al． Resource depletion and envi￾ronmental impact analysis of magnesium produced using pidgeon process in China． Chin J Nonferrous Met，2006，16( 8) : 1456 ( 高峰，聂祚仁，王志宏，等． 中国皮江法炼镁的资源消耗和 环境影响分析． 中国有色金属学报，2006，16( 8) : 1456) ［3］ Xu R Y，Liu H Z． The gradient of reaction conditions for making magnesium with siliconthermic process． Light Met，2006( 5) : 44 ( 徐日瑶，刘宏专． 硅热法炼镁还原反应条件的梯度． 轻金 属，2006( 5) : 44) ［4］ Su M，Xie S S，Yan L，et al． Experimental study on conduction device in silicothermic reduction pot and numerical simulation． Nonferrous Met Extr Metall，2007( 4) : 18 ( 苏明，谢水生，闫亮，等． 硅热法炼镁还原罐导热装置的试 验和数值模拟． 有色金属: 冶炼部分，2007( 4) : 18) ［5］ Feng J X，Shao D，Guo S H． Research and development of a new type double-regenerative up-right Mg reducing furnace / / The National Energy and Thermo Technical Conference． Guiyang， 2008: 30 ( 冯俊小，邵鼎，郭水华． 一种新型双蓄热立式金属镁还原炉 研发/ /全国能源与热工 2008 学术年会论文集． 贵阳，2008: 30) ［6］ Cheng Q B，Feng J X，Sun Z B． Numerical simulation on flow field of the new type regenerative magnesium reducing furnace． Ind Heat，2006，35( 6) : 14 ( 程奇伯，冯俊小，孙志斌． 新型蓄热式镁还原炉内流场的数 值模拟． 工业加热，2006，35( 6) : 14) ［7］ Xu R Y． The Production Technology for Making Magnesium with Siliconthermic Process． Changsha: Central South University Press， 2003 ( 徐日瑶． 硅热法炼镁生产工艺学． 长沙: 中南大学出版社， 2003) ［8］ Feng J X，Cheng Q B，Yu S J． Numerical simulation on process of flow and heat transfer in upright magnesium reducing furnace． Adv Mater Res，2012，383--390: 6657 ［9］ Wang H F． Shorten reductive cycle and improve the technology of Pidgeon process Mg-smelting． China Met Bull，2009( 40) : 40 ( 王洪福． 缩短还原周期提升皮江法炼镁技术． 中国金属通 报，2009( 40) : 40) ［10］ Abdellatif M，Freeman M． Mintek thermal magnesium process: status and prospective / / Advanced Metals Initiative ( AMI ) Conference． Johannesburg，2008: 1 ［11］ Sun Y，Chai Y S，Hou B Y，et al． Numerical simulation of temperature distribution in magnesium reduction can under the HTAC combustion mechanism． Foundry Equip Technol，2010 ( 4) : 32 ( 孙阳，柴跃生，侯冰洋，等． 对 HTAC 燃烧机制下金属镁还原 罐内温度分布的数值模拟． 铸造设备与工艺，2010( 4) : 32) ［12］ Yang K D，Chen Q，Ren J X． Coupled heat transfer and chemi￾cal reactions in magnesium production retorts． J Tsinghua Univ Sci Technol，2009，49( 5) : 755 ( 杨康定，陈群，任建勋． 炼镁还原罐内传热与化学反应的耦 合特性． 清华大学学报: 自然科学版，2009，49( 5) : 755) ［13］ Xia D H，Zhang G，Guo L． Study of the radial conductive inten￾sifier for magnesium reduction jar． Ind Heat，2005，34( 6) : 39 ( 夏德宏，张刚，郭梁． 金属镁还原罐径向传热强化器的研 究． 工业加热，2005，34( 6) : 39) ·835·