镁热法生产海绵钛还原设备换热过程分析

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doi：10.3969/j.issn.1007-7545.2015.01.009镁热法生产海绵钛还原设备换热过程分析安鸿浩，吴复忠，金会心(贵州大学材料与冶金学院，贵州省冶金工程与过程节能重点实验室，贵阳550025)摘要：以热工测试数据为基础，对还原过程中冷却空气的散热进行计算和分析，建立TiCl4加料速度和空气散热强度之间的代数关系式，并以此关系式为基础对TiCl4加料速度进行评估。结果表明，加料速度与风速和一定范围内冷却空气的出口温度存在一定的关系，可以根据冷却空气风速和出口温度得到加料速度的评价值，一定程度上也可以预测加料速度范围。关键词：海绵钛；强制换热；对流换热；冷却空气中图分类号：TF823；TF06文献标志码：A文章编号：1007-7545（2015）01-0000-00AnalysisofHeatTransferProcessinReductionEquipmentofTitaniumSpongeProductionbyMagnesiothermicReductionANHong-hao,WUFu-zhong,JINHui-xin（SchoolofMaterial&Metallurgy,KeyLaboratoryofMetallurgyandEnergyConservationofGuizhou,GuizhouUniversity,Guiyang550025,China）Abstract:Basedonthermaltestdata,thethermalofcoolingairinreductionprocesswascalculatedandanalyzedtoestablishanalgebraicrelationshipbetweenfeedrateofTiCl4andairheatradiationintensitywhichisappliedtoevaluatefeedrateofTiCl4.Theresultsindicatethatfeedraterelateswithwindspeedandoutlettemperatureofcoolingairwithinacertainrange.Evaluationvalueoffeedrateaccordingtowindspeedandoutlettemperatureofcoolingaircanbeobtainedandappliedtopredictrangeoffeedrate.Keywords:titaniumsponge;forcedheat;convectiveheattransfer;coolingair镁热还原TiCl4生产海绵钛的还原反应是一个剧烈的放热反应，还原反应器自热体系的多余热量通过反应器炉体表面对流换热排走，从而稳定TiCl4的加料制度，维持还原体系的热平衡[1-3]。还原过程中还原设备的自然对流换热过程稳定，还原过程TiCl4的加料速度平稳，容易控制，但换热强度低，无法满足生产的需求[4-5]。而且，我国海绵钛企业与国外先进水平相比，还原过程的料速是偏小的[6-8]。国内某海绵钛企业在还原过程中对还原反应器进行强制散热冷却，TiCl4加料速度显著提高，还原生产周期缩短，但TiCl4加料速度的控制不合理，更缺乏一个对TiCl4加料速度、空气散热强度优劣的评价体系。本文以热工测试数据为基础，对还原过程中冷却空气的散热进行计算和分析，并建立TiCl4加料速度和空气散热强度之间的关联式。1计算基础将海绵钛还原设备环形空腔内的空气湍流对流换热简化成内壁加热、外壁恒温的问题进行分析计算[9]。在温度T下，化学反应的热量收入按照基尔霍夫定律公式计算：则在还原过程反应中总化学反应净发热量QR反为：在还原过程中，反应釜底部需要用电炉丝进行保温，所以热量的总收入除了化学反应热外还包括消耗电能所产生的热量。系统的能量平衡可表示为：（1）收稿日期：2014-09-24基金项目：教育部重点项目（212157）；贵州省科技厅工业攻关项目（黔科合GZ字[2013]3009）作者简介：安鸿浩（1990-），女，苗族，贵州石阡人，硕士研究生. 根据伯努利方程计算出口空气的流速为：（2）冷却空气所带走的热量Qh为进出口焓值之差：（3）根据质量守恒，进出口风的质量流量相等：（4）冷空气的散热量占总热量的比例设为β：（5）联立以上各式可以得到：（6）式中，2结果分析与讨论2.1加料速度与冷却空气风温的关系加料速度与出口温度的变化关系如图1所示。图1加料速度与出口温度的关系Fig.1RelationshipbetweenfeedrateofTiCl4andoutlettemperature从图1可以看出，TiCl4的加料速度是随着冷却空气的出口温度升高而逐渐增大的，而且呈线性关系。冷却空气的出口温度升高，空气的热焓值变化增大，还原设备的散热能力增强，TiCl4加料速度便可适当地增大。从传热角度出发，增大换热面积可以加强散热强度，即增大冷却带长度，使冷却空气与散热带的接触面积增大，冷却空气的出口温度可以得到升高，TiCl4加料速度也可以增大。但在实际工业生产中冷却带的长度是一定的，由于实际条件的限制，不可能无限增大，冷却空气的出口温度也会受到限制，当达到一个极限值时，冷却强度也达到了最大值，加料速度达到工艺允许的最大值，不再随着冷却空气的出口温度增大而增大。通过控制散热强度有效地调整四氯化钛的加料速度，使加料速度达到最佳状态，缩短还原周期。 2.2加料速度与冷却空气流量的关系加料速度与冷却空气流量的变化关系如图2所示。图2加料速度与冷却空气流量的关系Fig.2RelationshipbetweenfeedrateofTiCl4andflowrateofcoolingair由图2可知，当冷却空气流量增大时，TiCl4加料速度也会增大。流量增大反应了散热强度的增大，加料速度也随之增大。海绵钛生产过程中，空气流体在环形空腔内与还原反应器外壁和还原加热炉内壁之间进行对流换热[10]。当冷却空气的流量增大时，对流换热系数也随之增大，由，则Nu数也会增大，当达到一定值时，冷却空气的流动由层流变成湍流，散热量持续增大。冷却空气与散热带表面之间的对流换热可简化为流体外掠平板传热过程，显然冷却段的高度H大于临界长度hc，整个表面的平均表面传热系数hm可以按照下式进行计算：积分后可以得到：Nu是Re和Pr的函数，空气的Pr约为定值，当流量无限增大时Re4/5无限接近于1，Nu也达到了最大值，此时继续增大流速，冷却空气的对流换热强烈程度不再随其增大，即散热量也达到了最大值。即加料速度也不会随冷却空气的增大而无限增大。2.3加料速度与冷却空气风速和出口温度的关系式通过加料速度与冷却空气风速和出口温度关系的拟合可以得到：VR=2.5T+430Q-720根据上式可以预测加料速度，图3为TiCl4加料速度的预测值和实际值对比结果。图3TiCl4加料速度的预测值和实际值Fig.3PredictedandactualvalueoffeedrateofTiCl4 从图3可以看出，在测试点中，预测值基本高于TiCl4加料速度的实际值，即在实际生产中，TiCl4加料速度基本小于平均速度，并没有达到最大值，还有一定的提升空间，在测试点中，实际值与测试值的最大偏差为20.78%。图3中也有部分TiCl4加料速度的实际值比预测值要大，都在合理范围内，但当偏差过大时，表明TiCl4加料速度远大于平均加料速度，说明加料速度过大。综上所述，可以根据冷却空气风速和出口温度得到加料速度的评价值，在一定程度上预测加料速度范围。3结论1）在一定范围内，TiCl4加料速度随着冷却空气的出口温度升高而逐渐增大，可根据出口温度所反映出的散热强度调整TiCl4的加料速度，达到缩短生产周期的目的，但受到工艺条件的限制，当散热强度达到最大值时，加料速度也达到了最佳状态。2）当冷却空气流量增大时，TiCl4加料速度也会增大。冷却空气流速增大到一定值时，散热强度将不再增大，即加料速度也不会随冷却空气的风速的增大而无限增大。3）通过冷却空气风速和出口温度关系拟合的加料速度公式为：VR=2.5T+430Q-720。符号说明：A为空气出口横截面积（m2）；α为加料速度化学反应热之间的关系系数；cp为热容（kJ·g-1·K-1）；ΔH为化学反应焓变（kJ·g-1）；h0、h分别为进出口冷却空气的焓值（kJ·kg-1）；K为皮托管系数，0.99~1.01；Ρ为流体密度（kg·m-3）；Ρr为空气的普朗特数；ΔP为出口空气流体的动静压压差(Pa)；ρ0、ρ分别为进出口冷却空气的密度（kg·m-3）；Q为冷却空气流量（m3·s-1）；QE为海绵钛还原系统的热电总量(kJ)；Qh为冷却空气的散热量(kJ)；QR为化学反应热(kJ)；Qtotal为海绵钛还原系统的热量总收入(kJ)；Rec为临界雷诺数；Re为以冷却段高度H为特征长度的雷诺数；T为化学反应温度(K)；Tf为冷却空气的出口温度（℃）；U为风速（m·s-1）；u0、u分别为进出口冷却空气的风速（m·s-1）；VR为TiCl4加料速度（kg·h-1）。参考文献[1]程代松，汤平.降低还原控制温度改善海绵钛结构的研究与实践[J].钛工业进展，2004，21(6)：44-46.[2]窦守花，吴复忠，高成涛.镁热法生产海绵钛还原过程强制散热研究[J].有色金属(冶炼部分)，2013(6)：22-25.[3]汤平.镁法海绵钛还原生产采用二次加镁的理论与实践[J].轻金属，2003(11)：50-52.[4]陈勇，李正祥，张建安，等.Kroll法海绵钛生产还原温度对产品结构的影响研究[J].有色金属(冶炼部分)，2014(4)：29-32.[5]王文豪，吴复忠，金会心，等.镁热法生产海绵钛还原过程反应熔池的传热模型[J].有色金属(冶炼部分)，2013(11)：19-21.[6]张履国.海绵钛还原过程热平衡分析[J].钛工业进展，2008，25(4)：38-40.[7]欧阳全胜，赵中伟，祝永红.海绵钛生产工艺及其新进展[J].稀有金属与硬质合金，2004，32(2)：47-52.[8]邓国珠.我国海绵钛生产技术现状和改进措施[J].钢铁钒钛，2009，30(2)：1-5.[9]WilliamMorrowKays，MichaelECrawford，BernhardWeigand.Convectiveheatandmasstransfert[M].NewYork：McGraw-Hill，1993.[10]HyunNaBae，SeonHyoKim，GoGiLee，etal.StudyofthermalbehaviorinaKrollreactorfortheoptimizationofTispongeproduction[C]//TransTechPublications，2010：839-842.