镁热法生产海绵钛还原池温度场的分析

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1、doi：10.3969/j.issn.1007-7545.2014.04.007镁热法生产海绵钛还原熔池温度场的分析高成涛1，吴复忠1，王文豪2，金会心1（1.贵州大学材料与冶金学院，贵阳550025；2.东北大学材料与冶金学院，沈阳110004）摘要：建立了海绵钛生产还原过程的传热和流动模型，在数值模拟计算的基础上对还原过程的温度场进行了分析，得到的数值计算结果可以为海绵钛还原反应器强制传热提供理论指导。关键词：海绵钛；还原熔池；数值模拟；温度分析中图分类号：TF823；TF051文献标志码：A文章编号：1007-7545（2014）04-0000

2、-00AnalysisofTemperatureFieldinMoltenPoolforSpongeTitaniumProductionbyMagnesiothermicReductionGAOCheng-tao1,WUFu-zhong1,WANGWen-hao2,JINHui-xin1(1.CollegeofMaterialsandMetallurgy,GuizhouUniversity,Guiyang550025,China;2.SchoolofMaterialsandMetallurgy,NortheasternUniversity,Sheny

3、ang110004,China）Abstract:Themathematicalmodelsofheatandmassflowinreductioninspongetitaniumproductionbymagnesiothermicreductionwereestablished.Thetemperaturefieldwasanalyzedbasedonanumericalsimulationtoprovideatheoreticalsupportforenhancementheattransfer.Keywords:spongetitanium;

4、moltenpool;numericalsimulation;temperatureanalysis镁热还原—真空蒸馏法在海绵钛的工业生产中占据主导地位[1-2]。影响大型海绵钛还原反应器生产周期和产品电耗的主要因素是还原期间反应器内部的传热传质条件。国外关于海绵钛还原—蒸馏过程的传热传质理论研究的公开文献很少。而国内大都是围绕海绵钛工艺制度开展研究的，还原反应釜熔池冶金传输等理论研究严重滞后，对镁热法生产海绵钛还原过程的传热与流动问题研究分析基本处于空白状态[3]。冶金过程中的高温环境增加了流体流动现象研究工作的难度——难以用物理模拟和直接测量的方

5、法获得足够可靠的信息和数据[4]。因此，计算机技术和CFD软件的发展，为深入研究此过程的传热和流动提供了一种新方法和手段。国内外学者对此进行了相关研究。Thomas等[5]采用标准的k-ε标准湍流模型结合壁面函数模拟板坯结晶器内的时均流场和湍流流场。Aboutalebi等[6]在低雷诺数湍流模型的基础上，对方坯、圆坯结晶器连铸过程的流场、温度场和浓度场的耦合问题进行模拟研究，分析了其中的流动、凝固和偏析[7]。国内的李维彪[8]、李宝宽[9]等利用CFD技术对冶金过程、现象和传热值进行数值模拟和分析，在多相流数学模型、数值模拟及试验研究等方面积累了丰

6、富的经验。本文以镁热法生产海绵钛还原熔池为研究对象，依托动力学理论，用数值模拟的方法对还原熔池的传热进行分析，确定还原过程的传热规律。1还原过程的传热与流动TiCl4镁热还原过程是一个涉及TiCl4、Mg、MgCl2、TiCl3、TiCl2等多相体系的复杂反应过程[10]，根据冶金过程物质流动规律、能量传递等理论研究分析还原过程的物质流动主要是钛素和镁素流动，主要表现形式为TiCl4、TiCl3、TiCl2、Mg、MgCl2等流动介质，还原熔池的温度场和温度梯度场推动物质的流动过程。TiCl4的镁热还原过程化学反应式为：TiCl4+2Mg=Ti+2M

7、gCl2（1）式（1）的一级反应速率方程[11]为：（2）式中：k，k1为化学反应速率常数；A为反应器截面积；w，p分别为单位截面加料速度和TiCl4的分压。收稿日期：2013-10-14基金项目：教育部重点项目(教技司[2012]76号)；贵州省科技厅工业攻关项目(黔科合GZ字[2011]3013号)；贵州省科技厅社会发展攻关项目(黔科合SY[2010]3011号)；贵州省教育厅重点项目(黔教科[2011]033号)作者简介：高成涛（1986-），男，山东潍坊人，硕士研究生.由式（2）可以看出，镁热还原TiCl4的动力学影响因素主要是温度、反应器尺

8、寸、TiCl4加料速度等。根据反应速率与温度存在的函数关系可知[12]，还原反应器内温度对还原过程物质流有决