多热源内热式镁冶炼炉内温度分布规律模拟与实验研究

摘要

针对传统皮江法炼镁工艺和部分改进工艺存在的以下问题：(1)传统皮江法能耗高，热利用效率低，成本高，污染问题难以解决；(2)传统皮江法和现有报道的改进工艺，均须采用合金还原罐，价格昂贵，使用寿命短；(3)还原罐外部加热，内部抽真空，还原罐的尺寸小，单罐装料量低，还原罐产能低；(4)传统工艺间歇生产，劳动强度大，劳动生产力低。王晓刚教授发明的新型内热式金属镁冶炼新工艺，有望解决传统工艺上的诸多问题。本文通过对新工艺冶炼炉炉内温度场分布规律的理论与实验研究，证明了新工艺的可行性、技术优势和应用前景。 在综合介绍镁及镁合金的应用现状和国内外炼镁主要工艺——热还原法炼镁后，本文主要对新型内热式多热源炼镁反应炉内温度分布规律进行了理论和实验研究。其中理论研究包括硅热法真空炼镁热力学研究、传统皮江法炼镁传热学研究和内热式炼镁传热学研究。在传热学研究上，着重分析了内热式炼镁工艺热量传递和传热规律。并经过数学方法推导了反应炉内温度分布的方程。采用大型工程模拟软件ANSYS对反应炉内温度场分布规律进行了模拟研究，直观分析了反应炉内的传热规律。分别对传统皮江法还原罐及新型内热式冶炼炉内温度场分布规律进行了模拟比较研究。理论分析了新工艺及传统工艺相比具有还原时间短，能耗低，无污染等优点。表明内热式多热源冶炼金属镁新工艺具有广阔的开发和应用前景。 作者依据西安科技大学特种材料实验室自主设计的“竖式”内热式多热源冶炼炉的形状和几何尺寸，建立了冶炼炉内传热学数值计算模型。利用有限元思想对炉内导热微分方程进行计算推导，得出炉内横截面上的温度分布方程。并依据数学思想对导热微分方程矩阵化后的简化模型进行推导，得出了导热方程中热流强度、热源等对炉内温度场的贡献矩阵，并给出了进一步计算的思路和方法。 利用工程模拟软件 ANSYS，模拟对比了传统皮江法还原罐内温度分布和新型内热式多热源冶炼炉内温度规分布规律。模拟研究了内热式单热源、双热源和三热源时炉内温度分布规律。模拟证实，新工艺与传统工艺相比具有：还原时间短，炉内温度场均匀，能耗低，还原效率高等优点；炉内热源数目增多，炉体尺寸增大，装料量增加，单炉产量随之升高，且在三个热源共同作用下，炉内温度场更为均匀，适合反应的区域面积增加。模拟了矩形发热体并联和串联多热源炉内的温度分布，为今后的设计方案和尺寸、功率及供电时间的选取提供了理论上的支持。通过实验对新工艺的思路可行性、多热源的生产可行性进行了验证。实验证明，内热式工艺切实可行，内热式多热源工艺与传统工艺相比，具有还原效率高、还原周期短、能耗低、无污染、产品质量高等优点。通过实验，对影响炉内温度场分布即物料反应的直接因素：供电制度、系统真空、保温措施以及物料性质进行了分析。确定了部分生产参数，证实了新工艺具有良好的应用推广前景，为进一步的工业实验提供了足够的理论支持。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1问题的提出及研究意义

1.2国内外研究动态及发展趋势

1.2.1国外研究动态

1.2.2国内研究现状及发展

1.3研究目标和内容

1.4研究方法

1.5技术路线

2真空冶炼金属镁反应热力学与动力学分析

2.1硅热法炼镁反应机理研究

2.2硅热法炼镁热力学分析

2.3硅热法炼镁宏观动力学分析

2.4本章小结

3内热式金属镁冶炼炉内温度场数学模型的建立

3.1传统皮江法传热过程的传热学模型

3.2内热式冶炼炉的传热学模型

3.3应用有限元法推导炉内温度场分布数学方程

3.4温度场在四边形模型下的四节点单元中的离散

3.5本章小结

4建立新型内热式冶炼炉内温度场的数值计算模型

4.1单值性条件

4.1.1几何条件

4.1.2物理条件

4.1.3时间条件

4.1.4初始条件

4.2边界条件

4.3本章小结

5内热式冶炼炉内温度场的数值模拟、传热规律分析与实验验证

5.1数值模拟

5.1.1传统皮江法还原罐内温度场模拟研究

5.1.2单热源内热式反应器温度场模拟研究

5.1.3多热源内热式反应器模拟研究

5.1.4传热规律研究

5.1.5炉体设计模拟

5.1.6模拟总结

5.2实验

5.2.1实验设备

5.2.2原料

5.2.3实验及结果讨论

5.3本章小结

6结论

致 谢

参考文献

附 录