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·