镁热法生产海绵钛还原过程反应熔池的传热模型

doi：10.3969/j.issn.1007-7545.2013.11.007

镁热法生产海绵钛还原过程反应熔池的传热模型

王文豪，吴复忠，金会心，高成涛

（贵州大学材料与冶金学院，贵阳550025）

摘要：利用VOF多相流模型、能量方程、RNG k-ε方程及其边界条件，建立镁热法生产海绵钛还原熔池的传热模型。结果表明，计算得到的温度场分布与实测值吻合较好。

关键词：海绵钛；还原；熔池；传热；模拟

中图分类号：TF823；TF061 文献标志码：A 文章编号：1007-7545（2013）11-0000-00

Heat Transfer Model of Molten Bath in Sponge Titanium Production with

Magnesiothermic Reduction

WANG Wen-hao, WU Fu-zhong, JIN Hui-xin, GAO Cheng-tao

(School of Materials and Metallurgy, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

Abstract: Heat transfer model of molten bath in sponge titanium production by magnesiothermic reduction was established with VOF multiphase flow model, energy equation, RNG k-εequation and its boundary conditions. The results show that the temperature field distribution by calculation preferably coincides with the measured value.

Key words: sponge titanium; reduction; molten pool; heat conduction; simulation

镁热还原—真空蒸馏法在海绵钛工业生产中已占据主导地位[1]。该方法在实现Mg-Cl2-MgCl2闭路循环的同时，由于还原后立即进行真空蒸馏，蒸馏物仍处于高温状态，达到了节能目的，但是由于还原过程中，反应釜的散热能力弱，极大地限制了TiCl4的加料速度，致使还原过程周期长、电耗高[2-3]。国内对海绵钛还原熔池内传热与流动的方式及机理的研究还处于空白状态[4-5]。本文以多相湍流模型为基础，研究还原过程反应熔池的传热，揭示还原熔池内部的传热与流动状态，能够为研究和改善反应釜内的能量传递与质量流动过程提供依据。

1 物理模型

1.1 物理模型的简化

镁还原TiCl4是一个复杂的物理化学过程，液态TiCl4经管道加入反应釜后，由于反应釜内温度较高，TiCl4迅速气化，气态TiCl4与液态金属镁液面接触并发生反应。在模拟研究时需要对实际生产模型进行合理的简化和假设：1）化学反应过程不是整个生产过程的限制性环节，即TiCl4加入后迅速与金属镁发生化学反应，反应区内四氯化钛和金属镁不可能大量存在；2）不考虑炉内过程沿圆周方向的变化，即只把海绵钛还原生成过程看成是具有轴对称的问题来处理。

1.2 物理模型

研究过程中涉及到的各物质物性参数如表1所示。模拟计算采用单孔加料的方式，加料孔直径为20 mm，反应釜熔池液面上部为气相，采用氩气填充（图1）。

表1 不同物质的物性参数

Table 1 Physical property parameters of materials

物质名称密度/(kg·m-3) 热熔/(J·kg-1·K-1) 导热系数/(W·m-1·K-1) 黏度/(Pa·s) Mg 1 544 1 323.7 99.24 2.51×10-4

TiCl4566 562.6 0.50 3.95×10-4

Ti 4 850 544.3 7.44 -

MgCl2 1 688 972.4 3.25 3.22×10-4

收稿日期：2013-05-08

基金名称：教育部重点项目（教技司[2012]76号）；贵州省科技厅社会发展攻关项目（黔科合SY[2010]3011号）；贵州省科技厅工业攻关项目（黔科合GZ字[2011]3013号）；贵州省教育厅重点项目（黔教科（2011）033号）；贵州大学研究生创新基金（理工[2012026]）

作者简介：王文豪（1989-），男，安徽蒙城人，硕士研究生.

图1 海绵钛还原计算模型

Fig.1 Model of reactor for sponge titanium production

2 网格划分

结构化网格可以用计算机语言中的多维数组存储，网格点之间的邻接关系可以通过相应的数组指标确定，在计算机上数据组织方便。对于还原过程复杂流动，网格点分布必须尽可能反映流动特征，也就是说，必须在流动变量梯度大的区域分布足够多的网格点，同时，考虑到网格的边界正交性对于有限差分方法和有限体积方法的重要性，考虑到网格光滑性对于截断误差的影响，由于海绵钛还原过程仅仅在反应釜中完成，因此计算采用贴体坐标系统（EFC ），它不但能准确描述复杂的几何边界，还可以利用很密的网格求解而不占用计算机过多的内存[6]。经ANSYS 软件的MESH 模块划分网格后的反应釜如图2所示。

图2 划分网格后的物理模型

Fig.2 Meshed physical model

3 数学模型

选取图1中的坐标系来描述整个过程，考虑VOF 多相流模型、能量方程、RNG k-ε方程。

3.1化学反应模型

镁还原四氯化钛化学反应模型建立的基础是流体流动的湍流模型，采用混合模型，具体如下：

24MgCl 2Ti TiCl Mg 2+=+ （1）

()0])[(=∇+∇-∇+∂∂W W U t W L

L T T σμσμρρ （2） 式中：ρ为流体密度；U 为平均速度；μT 、μL 分别为分子和湍流黏度；σT 、σL 分别为等效普朗特常数；W 为平均质量分数的平均值。