摘要：為了探究三相交流電礦熱爐在穩(wěn)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(nèi)及爐襯溫度場隨不同電極插入深度的變化，并對礦熱爐內(nèi)的電磁場分布情況進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：隨著電極插入深度的增加，爐膛內(nèi)部最高溫度會隨之逐漸變??；爐體外側(cè)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(guān)鍵詞：多物理場；礦熱爐；數(shù)值模擬

中圖分類號：TF806.7" " 文獻(xiàn)標(biāo)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(jìn)行高溫熔煉，其工藝既包含了傳熱、傳質(zhì)、相變?nèi)刍任锢磉^程，還包括熱解、還原、置換等化學(xué)反應(yīng)，從而形成了多相流、多物理場、多反應(yīng)的復(fù)雜物理化學(xué)問題[1]。目前國內(nèi)外學(xué)者從實(shí)驗(yàn)和仿真兩方面對礦熱爐的電極操作參數(shù)、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(jìn)行了深入研究，并對爐內(nèi)溫度場/磁場分布、化學(xué)反應(yīng)機(jī)理等問題進(jìn)行理論驗(yàn)證和仿真分析[2]。同時，利用三維動態(tài)CFD模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對爐內(nèi)渣金層電磁行為和傳熱過程進(jìn)行仿真分析[3]，并研究了爐渣特性、電極插入深度和爐內(nèi)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(nèi)工況更加復(fù)雜，對于爐襯和爐殼耐熱性、耐腐蝕性以及強(qiáng)度要求顯著提高，因此解決因爐襯燒穿、熱膨脹所導(dǎo)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(yīng)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(wěn)定性模擬研究了爐襯的熱導(dǎo)率等熱工參數(shù)。然而，基于礦熱爐保溫性和冷凝型爐襯結(jié)構(gòu)，建立礦熱爐熱應(yīng)力計(jì)算模型，探究爐襯熱應(yīng)力隨爐型和溫度分布的變化規(guī)律問題亟須解決。BOWMAN[4]通過實(shí)驗(yàn)測量了電弧的速度與溫度，這成為后來者的研究基準(zhǔn)。KARALIS[5]等對交流礦熱爐進(jìn)行了二維穩(wěn)態(tài)模擬，考慮了電極形狀、浸入深度對于熔池內(nèi)各項(xiàng)參數(shù)的影響。但礦熱爐冶煉工藝中存在電/磁/熱多場耦合共存現(xiàn)象，相關(guān)研究成果較少，無法準(zhǔn)確揭示爐內(nèi)熔池和爐襯結(jié)構(gòu)間的傳熱傳質(zhì)機(jī)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(zhì)計(jì)算模型?；诖笮偷V熱爐多物理場耦合多相流工況，采用Fluent軟件二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)電熱轉(zhuǎn)化現(xiàn)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(zhì)機(jī)理，合理預(yù)測熔池區(qū)和爐襯的溫度分布。

1" 模型建立與網(wǎng)格劃分

依據(jù)實(shí)際工藝爐體尺寸，利用Solidworks軟件建立物理模型，再導(dǎo)入ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，爐體及爐膛尺寸見表1，模型網(wǎng)格示意圖見圖1。

2" 數(shù)學(xué)模型

由于在實(shí)際生產(chǎn)中無法對礦熱爐內(nèi)爐膛情況進(jìn)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(tǒng)輸入的能量可以使用電勢建模實(shí)現(xiàn)。由于電弧區(qū)域與礦料區(qū)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(chǔ)上計(jì)算出礦熱爐爐膛內(nèi)部的溫度場后經(jīng)熱傳遞至爐襯及爐殼等爐體結(jié)構(gòu)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(tuán)組成，所以開啟多孔介質(zhì)阻力源項(xiàng)，孔隙率設(shè)置為0.37。熱量傳導(dǎo)模型與爐料子模型一致[7]。

由于該本研究基于工業(yè)大型礦熱爐設(shè)計(jì)，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(shè)為0電位勢，磁導(dǎo)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(shù)和吸收系數(shù)均為0.6[8]；爐體四周設(shè)置自然空氣對流換熱系數(shù)；懸臂梁與爐底采用位移約束；施加地球重力作用。所用數(shù)學(xué)模型公式如下：

3" 結(jié)果與討論

礦熱爐數(shù)值模擬結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，礦熱爐內(nèi)的爐膛溫度在冶煉時電弧下方具有高溫區(qū)，溫度呈輻射狀向底部與四周擴(kuò)散[9]。同時因?yàn)楸匦偷V熱爐是由選用較低導(dǎo)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(nèi)部，爐殼上的溫度低至80℃上下，同時在爐襯內(nèi)具有較大的溫度梯度，這可能會產(chǎn)生較大的熱變形與熱應(yīng)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(nèi)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(jīng)產(chǎn)生焦耳熱的物料區(qū)越小，所以產(chǎn)熱量會逐漸降低，導(dǎo)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(chǎn)熱量越低，一旦低于冶煉礦料所需的熔點(diǎn)溫度將會對生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量與效率產(chǎn)生影響。

4" 結(jié) 論

本文建立了礦熱爐爐膛與爐體模型，對礦熱爐的爐膛內(nèi)部電磁場和溫度場分布情況進(jìn)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(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：

1）爐膛內(nèi)部高溫區(qū)位于電弧正下方，呈輻射狀向下及四周擴(kuò)散。

2）爐膛內(nèi)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(xiàn)：

［1］劉鵬. 預(yù)熱還原與礦熱爐流程匹配及爐窯熱工特性研究[D]. 沈陽：東北大學(xué)，2017.

［2］OPITZ F， TREFFINGER P. Physics-based modeling of electric operation， heat transfer， and scrap melting in an AC electric arc furnace[J]. Metallurgical and Materials Transactions B， 2016， 47（2）： 1-15.

［3］KARALIS K T， KARKALOS N， CHEIMARIOS N， et al. A CFD analysis of slag properties， electrode shape and immersion depth effects on electric submerged arc furnace heating in ferronickel processing[J]. Applied Mathematical Modelling， 2016， 40（21-22）： 9052-9066.

［4］BOWMAN B. Measurements of plasma velocity distributions in free burning DC arcs up to 2160A[J]. Journal of Physics D： Applied Physics， 1972， 5（8）： 1422-1432

［5］KARALIS KT， KARKALOS N， CHEIMARIOS N，et al. A CFD analysis of slag properties， electrode shape and immersion depth effects on electric submerged arc furnace heating in ferronickel processing[J]. Applied Mathematical Modelling， 2016， 40（21-22）： 1-15．

［6］周潼，王莉，牛群峰. 礦熱爐電磁場仿真與電極位置檢測方法研究[J]. 計(jì)算機(jī)仿真，2020，37（5）：206-212.

［7］于洋，李寶寬，韻晨成，等. 埋弧礦熱爐溫度場與電磁場數(shù)值模擬研究[J]. 鐵合金，2020，51（6）：30-33.

［8］于洪翔，李秦燦，呂韜.30 MVA錳硅合金六電極直流礦熱爐幾何參數(shù)計(jì)算[J]. 鐵合金，2021，52（4）：23-25.

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

［10］王帥，姜穎，鄭富強(qiáng)，等. 紅土鎳礦火法冶煉技術(shù)現(xiàn)狀與研究進(jìn)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