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镁热法生产海绵钛过程反应器温度场模拟研究

李吉帆 盛卓 李开华 孙浩山 张小辉 李冬勤 李亮 周杰 陈秀敏

李吉帆, 盛卓, 李开华, 孙浩山, 张小辉, 李冬勤, 李亮, 周杰, 陈秀敏. 镁热法生产海绵钛过程反应器温度场模拟研究[J]. 钢铁钒钛, 2023, 44(2): 20-27. doi: 10.7513/j.issn.1004-7638.2023.02.003
引用本文: 李吉帆, 盛卓, 李开华, 孙浩山, 张小辉, 李冬勤, 李亮, 周杰, 陈秀敏. 镁热法生产海绵钛过程反应器温度场模拟研究[J]. 钢铁钒钛, 2023, 44(2): 20-27. doi: 10.7513/j.issn.1004-7638.2023.02.003
Li Jifan, Sheng Zhuo, Li Kaihua, Sun Haoshan, Zhang Xiaohui, Li Dongqin, Li Liang, Zhou Jie, Chen Xiumin. Numerical simulation of the temperature field in titanium sponge reactor during magnesium thermal production process[J]. IRON STEEL VANADIUM TITANIUM, 2023, 44(2): 20-27. doi: 10.7513/j.issn.1004-7638.2023.02.003
Citation: Li Jifan, Sheng Zhuo, Li Kaihua, Sun Haoshan, Zhang Xiaohui, Li Dongqin, Li Liang, Zhou Jie, Chen Xiumin. Numerical simulation of the temperature field in titanium sponge reactor during magnesium thermal production process[J]. IRON STEEL VANADIUM TITANIUM, 2023, 44(2): 20-27. doi: 10.7513/j.issn.1004-7638.2023.02.003

镁热法生产海绵钛过程反应器温度场模拟研究

doi: 10.7513/j.issn.1004-7638.2023.02.003
基金项目: 钒钛资源综合利用产业技术创新战略联盟2021年协同研发项目—镁热法生产海绵钛反应过程流场数值模拟与动力学研究(FTLM2021-2021530103000763)
详细信息
    作者简介:

    李吉帆,男,1997年出生 ,硕士研究生,主要工作方向为钛冶金,E-mail:1252916966@qq.com

  • 中图分类号: TF823

Numerical simulation of the temperature field in titanium sponge reactor during magnesium thermal production process

  • 摘要: 以7.5 t“I”炉实际尺寸为基础,建立镁热法生产海绵钛还原炉物理模型,模拟还原过程中炉内温度场分布。研究发现,在TiCl4中心加料工况下,反应器由内向外,在横向和纵向均形成明显的温度梯度,从反应中心区至器壁温度逐渐降低,且上部氩气区域温度明显低于反应区熔体温度。提高TiCl4给料速度,延长连续给料时间均能使反应区最高温度和平均温度呈现上升趋势。对于7.5 t“I”型炉,当料速低于280 kg/h时,反应释放热量低于风冷区的散热量,生产中需要对反应器进行补热,当给料速度从200 kg/h提高至400 kg/h时,3 h内反应区最高温度由986.5 ℃上升至1167.4 ℃。当器壁控制温度由820 ℃降低至750 ℃时,反应中心温度降低约18 ℃,即增大器壁与反应中心温度梯度有利于促进炉内熔体散热。通过建立合理的壁温控制和加料、排料制度,能够避免海绵钛出现硬芯,改善产品质量。
  • 图  1  物理模型及边界示意

    Figure  1.  Schematic diagram of the physical model and boundary

    图  2  计算区域的网格划分

    Figure  2.  Grid division of the calculation region

    图  3  反应器传热计算域

    Figure  3.  Calculation domain of the heat transfer in reactor

    图  4  不同进料速度下加料1 h反应器内温度场分布

    Figure  4.  Temperature field distribution of the reactor under different feed rates for 1 h

    图  5  不同进料速度下加料3 h反应器内温度场分布

    Figure  5.  Temperature field distribution of the reactor under different feed rates for 3 h

    图  6  反应器内温度随时间的变化

    Figure  6.  Relationship between simulation time and temperature of the reactor

    图  7  不同器壁工况下反应器内温度状况

    Figure  7.  Temperature of the air-cooling zone at different temperature of the cooling wall

    表  1  模拟计算所用物质的物性参数

    Table  1.   Physical parameters of the substance used for simulation calculation

    物质名称导热系数/
    [W·(m·K)−1]
    定压比热容/
    [J·(kg·K)−1]
    密度/
    (kg·m−3
    动力粘度/
    (Pa·s)
    TiCl4(l)0.0802774.371758.095.76×10−4
    TiCl4(g)0.0077537.775.941.23×10−5
    Mg(l)90.7134415386.41×10−4
    MgCl2(l)1.797116371.62×10−3
    Ar(g)0.055180.6274.70×10−7
    321不锈钢1.307+0.018×T279.925+0.275×T7930
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    表  2  TiCl4持续加入1 h后反应器内温度状况

    Table  2.   Temperature of the reactor after continuous feeding of TiCl4 for 1 h

    进料速度/
    (kg.h−1)
    Ⅱ区熔体最高
    温度/℃
    Ⅱ区平均
    温度/℃
    Ⅲ区平均
    温度/℃
    200983.7803.4815.1
    240991.4830.4818.9
    280996.5847.9821.9
    3001006.5853.0822.1
    3501054.0870.2824.6
    4001132.0925.5832.5
    下载: 导出CSV

    表  3  TiCl4持续加入3 h后反应器内温度状况

    Table  3.   Temperature of the reactor after continuous feeding of TiCl4 for 3 h

    进料速度/
    (kg·h−1)
    Ⅱ区熔体最高
    温度/℃
    Ⅱ区平均
    温度/℃
    Ⅲ区平均
    温度/℃
    200986.5794.9818.5
    240994.2828.7825.7
    280998.1847.5830.4
    3001009.9854.0831.0
    3501063.2875.2835.6
    4001167.4945.8850.5
    下载: 导出CSV

    表  4  不同器壁工况条件下器内最高温度、平均温度

    Table  4.   Maximum and average temperature of the air-cooling zone at different temperature of the cooling wall

    进料速度/(kg·h−1)Ⅱ区最高温度/℃Ⅲ区平均温度/℃
    750 ℃785 ℃820 ℃750 ℃785 ℃820 ℃
    200978.5986.5994.6785.89794.9804.0
    240986.5994.21001.9819.77828.7837.7
    280990.6998.11005.5838.57847.5856.4
    3001002.01009.91017.5845.09854.0862.9
    3501055.61063.21070.9866.26875.2884.1
    4001159.81167.41175.1936.83945.8954.8
    下载: 导出CSV
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  • 收稿日期:  2023-01-05
  • 刊出日期:  2023-04-30

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