新型镁蒸气结晶器的设计方法研究及数值分析

发布时间：2020-03-30 01:04

【摘要】：我国是原镁生产大国,90%以上都是通过传统硅热法(皮江法)生产。然而,皮江法炼镁工艺仍然存在能耗高、还原时间长等缺点。新型复式竖罐技术的出现改变了这一现状。由于复式竖罐的大型化,传统的镁结晶器的尺寸和性能已经无法满足需要,急需重新设计和改进。目前,国内外对镁结晶器内真空状态下高温镁蒸气传热传质理论鲜有研究,导致结晶器的结构设计缺乏依据。所以,研究镁结晶器的设计计算方法具有重要意义。本文在研究镁蒸气冷凝的基础上,通过数学计算给出了结晶镁的起始高度、终止高度及镁层厚度等参数的表达式,并根据工业情况,推导出用于设计计算镁结晶器结构尺寸的最小容积方程和最小热阻方程。采用此设计方法设计出适合竖罐技术的新型镁结晶器,并使用商用软件FLUENT对新型镁结晶器内部的传热进行了数值模拟。研究结果表明:1)结晶镁的起始高度和终止高度随着辐射传热面积和材料黑度的变小而增大,且与镁还原率的变化率成正比。结晶镁的厚度是结晶器结构参数和还原时间的关系,与还原率及其变化率无关。2)最小容积方程和最小热阻方程综合了还原罐的容积,产生镁的反应速率和生成镁的量等因素,可计算出结晶器的尺寸。通过此方法设计得出的结晶器,不会出现镁蒸气溢出和结晶胆堵塞的情况。3)装料量为830 kg的复式竖罐的结晶器的结构为:结晶胆外径为380 mm,高度为2.1 m,且结晶胆外壁面上含辐射传热扩展面积约8 m~2。当冷却水套的内径为576 mm时,其内壁面上辐射传热扩展面积约为4 m~2。4)理论计算显示:标准工况下,在新型镁结晶器中,结晶镁凝结的最大高度为2.1 m,结晶镁的最大厚度为161 mm。5)当水套进口的初温为100°C,流速为0.1 m/s时,数值计算结果显示:在1200°C的反应条件下,随着镁还原时间的变化,水套出口水温的平均值为157.8°C。6)在1200°C的还原条件下,水套进口的水温为100°C,流速为0.1 m/s时,数值计算结果显示:当辐射材料黑度的范围为0.6~1,辐射传热扩展面积为10~15 m~2时,结晶器内部的轴向界面的温度分布类似,温差不大。7)在1200°C的还原条件下,水套进口的水温为100°C,流速为0.1 m/s时,数值计算结果显示:在最大瞬时还原速率时,辐射材料黑度每增加0.2,结晶镁的温度降低30°C;当辐射传热扩展面积每增大约3 m~2,镁结晶层的温度降低20~30°C。
【图文】：

皮江法炼镁,生产工艺流程,还原罐

1 绪论）皮江法.1 是皮江法炼镁工艺流程。皮江法[25]通常用 75#硅铁做还原剂 71.2 %的单质 Si 和 28.8 %的 FeSi2，并用氟化钙含量不低于活性剂，这两种原料与煅烧白云石（煅白）均匀混合后，在球并还原。实际工业生产中，其主要还原设备如图 1.2 所示。别为反应区和结晶区。反应区的设备为还原罐，还原罐铸造 ZG35Cr26Ni8NRE[26]。还原罐内的压力在真空泵的不断抽取0 Pa 左右，反应温度为 1100~1200 °C。罐内料球发生如下化学 s s 2 4s gs 2 s 2 4s g s2CaO MgO +Si Ca SiO +2Mg4CaO MgO +FeSi 2Ca SiO +4Mg +Fe

皮江法炼镁,还原罐

1-封盖 2-真空泵接口 3-冷却水套 4-还原罐 5-填充球团 6-球形端图 1.2 皮江法炼镁水平还原罐（横罐）（2）马格尼特法20 世纪 60 年代由法国研究发明的一种新的硅热法炼镁工艺，，为马格尼特，也称为熔渣导电半连续硅热法，并用于工业生产，其工艺流程如图 1.3
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TF822

【参考文献】