一种用等温热区优化交流电炉炉衬结构的方法与流程

1.本发明属于冶金工程技术领域，具体涉及一种用等温热区优化交流电炉炉衬结构的方法。


背景技术：

2.交流电炉是一种利用电极端部的电弧热或入炉料的电阻热将电能转化为热能的电冶金设备。不同加热手段及目的交流电炉的名称各不相同，如埋弧炉、明弧炉、电阻熔融炉、铁合金炉、电石炉、黄磷炉、冰铜炉、精炼炉、熔分炉等。因此交流电炉是涵盖铁合金、化工、黑色金属、有色金属、固废(危废)处理等多个行业的电加热冶炼设备。
3.火法冶金设备的耐材是设备设计、考量的重中之重。不同工作条件的交流电炉，选择电炉炉衬耐火材料的材质和性能各不相同，但是炉衬砌筑或打结的形状普遍都为圆形或矩形。
4.以三相交流电炉为例，在冶金生产过程中冶炼稳定时，圆形炉衬内壁温度波动相对稳定，但因电炉的电极自身形状为圆柱形，且三相电极以正三角形的三个顶点分布排列，其电加热过程中的传热等温线为“猴脸”状，当传热至圆形炉衬内壁时，会导致圆形炉衬温度不均匀，最大温差可达几百摄氏度。
5.因此现有交流电炉的炉衬形状选择，在冶炼过程中会导致以下问题：
6.(1)炉衬内壁温度不均导致炉衬热膨胀不均匀，严重的情况下会造成砌筑或打结的炉衬开裂，产品渗漏，引发安全事故。
7.(2)冶炼过程中，当炉况稳定时，温差相差较大的炉衬区域侵蚀程度不同，会造成炉衬变形，机械结构与强度大不如前。
8.(3)对于某些冶炼温度均匀性要求较高、冶炼温度范围区间较窄、冶炼产品温度及温度精度要求较高的冶炼过程，圆形炉衬无法满足冶炼要求。
9.(4)对于某些入炉料，其“坩埚区”冶炼产品与“假衬区”冶炼中间产物会进行二次反应，影响出炉产品质量；因为交流电炉的传热特点，圆形炉衬“假衬区”会很大，无法满足此类入炉料的冶炼要求。(注：坩埚区紧邻电极，是能量高度集中的高温区带，主要冶炼发生在此区域；假衬区由生料、熔渣、产品混合而成的区域。)


技术实现要素：

10.本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种用等温热区优化交流电炉炉衬结构的方法，用于解决现有技术存在的问题。
11.为了解决技术问题，本发明的技术方案是：一种用等温热区优化交流电炉炉衬结构的方法，包括以下步骤：
12.步骤1：构建需要被优化的交流电炉的三维模型；
13.步骤2：将步骤1的三维模型导入仿真模拟软件进行热场分布模拟，得到交流电炉温度场分布图；
14.步骤3：根据步骤2得到的交流电炉温度场分布图进行炉衬优化设计，得到优化后的炉衬结构，并形成优化后交流电炉的三维模型；
15.步骤4：将优化后交流电炉的三维模型导入仿真模拟软件进行热场分布模拟，得到优化后交流电炉温度场分布图；
16.步骤5：根据步骤2和步骤4的交流电炉温度场分布图计算电炉炉衬温差，判断优化后的炉衬结构是否合理。
17.优选的，所述步骤1中构建需要被优化的交流电炉的三维模型具体为：将现有工况下的交流电炉形成三维模型，三维模型用于体现炉膛内径、炉膛高度、电极直径及排布位置、炉体外径和炉体高度。
18.优选的，所述步骤2中将步骤1的三维模型导入仿真模拟软件进行热场分布模拟具体为：
19.步骤2-1：将步骤1的三维模型导入仿真模拟软件中；
20.步骤2-2：对导入仿真模拟软件中的三维模型进行网格划分；
21.步骤2-3：数学模型建立；
22.步骤2-4：向数学模型中输入边界条件，并且设置计算参数；
23.步骤2-5：通过仿真模拟软件中的数学模型依次计算各网格的热场分布，接着对各网格的热场分布进行计算迭代，最终模拟出交流电炉热场分布，得到交流电炉温度场分布图。
24.优选的，所述步骤2-2中对导入仿真模拟软件中的三维模型进行网格划分具体为：对三维模型的边沿位置采用稀疏网格划分，对三维模型的中心位置采用加密网格划分。
25.优选的，所述步骤2-2中网格划分采用结构网格和非结构网格进行划分，结构网格之间采用非结构网格进行连接。
26.优选的，所述步骤2-3中数学模型建立具体为：依据热传导方程、热对流方程和辐射输运方程建立模型。
27.优选的，所述步骤2-4中边界条件为环境温度、对流散热系数和辐射系数，所述计算参数为电极的比热容、导热系数和密度，工况下入炉料的比热容、导热系数、密度和粘度，炉衬耐火材料的比热容、导热系数和密度。
28.优选的，所述步骤3具体为：
29.步骤3-1：根据交流电炉温度场分布图确定最符合冶炼工艺炉内最优范围的等温区间位置及区间内等温线；
30.步骤3-2：根据最符合冶炼工艺炉内最优范围的等温区间位置及区间内等温线，按照等温线形状及位置，对炉衬边界及炉衬结构进行初步设计；
31.步骤3-3：按照工程经验优化炉衬结构，得到优化后的炉衬结构。
32.优选的，所述步骤5中判断优化后的炉衬结构是否合理具体为：当步骤4的电炉炉衬温差小于步骤2的电炉炉衬温差，并且步骤4的电炉炉衬温差＜150℃，即优化后的炉衬结构合理，当步骤4的电炉炉衬温差不小于步骤2的电炉炉衬温差，或者步骤4的电炉炉衬温差≥150℃，即优化后的炉衬结构不合理，重复步骤3～5，直至优化后的炉衬结构合理。
33.与现有技术相比，本发明的优点在于：
34.(1)本发明提供了一种用等温热区优化交流电炉炉衬结构的方法，得到优化后的
炉衬结构，使炉衬各部分温差变小，克服了冶炼过程均温性差的缺点，冶炼过程中炉衬整体被侵蚀均匀，减少了炉衬受侵蚀后从而开裂的可能，电炉死料区减少，尽可能避免了电炉发生涨炉导致死炉的情况，也减少了出炉产品中杂质的含量，保证产品的质量，电炉控温精度高，三相电极升降动作相对减少，大大提高了冶炼过程中电炉的稳定性；
35.(2)本发明交流电炉采用优化后的炉衬结构，有助于提高冶炼时炉衬内壁的温度均匀性，即温度分布更均匀，传热效果更好，有效提高炉衬寿命及提升冶炼产品质量；
36.(3)本发明将机械设计与模拟计算结合，互相校正，最终设计出优化后的交流电炉炉衬。
附图说明
37.图1、本发明圆形炉衬的三维模型俯视网格图；
38.图2、本发明优化后炉衬的三维模型俯视网格图；
39.图3、本发明圆形炉衬的结构示意图；
40.图4、本发明优化后炉衬的结构示意图；
41.图5、本发明圆形炉衬的最大温差对比图；
42.图6、本发明优化后炉衬的最大温差对比图。
具体实施方式
43.下面结合实施例描述本发明具体实施方式：
44.需要说明的是，本说明书所示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
45.同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
46.实施例1
47.本发明公开了一种用等温热区优化交流电炉炉衬结构的方法，包括以下步骤：
48.步骤1：构建需要被优化的交流电炉的三维模型；
49.步骤2：将步骤1的三维模型导入仿真模拟软件进行热场分布模拟，得到交流电炉温度场分布图；
50.步骤3：根据步骤2得到的交流电炉温度场分布图进行炉衬优化设计，得到优化后的炉衬结构，并形成优化后交流电炉的三维模型；
51.步骤4：将优化后交流电炉的三维模型导入仿真模拟软件进行热场分布模拟，得到优化后交流电炉温度场分布图；
52.步骤5：根据步骤2和步骤4的交流电炉温度场分布图计算电炉炉衬温差，判断优化后的炉衬结构是否合理。
53.实施例2
54.优选的，所述步骤1中构建需要被优化的交流电炉的三维模型具体为：将现有工况
下的交流电炉形成三维模型，三维模型用于体现炉膛内径、炉膛高度、电极直径及排布位置、炉体外径和炉体高度。
55.将工况下的交流电炉形成三维模型，三维模型为方便计算进行相应简化，主要体现炉膛内径、炉膛高度、电极直径及排布位置、炉体外径(炉壁耐材厚度 炉膛内径)、炉体高度(炉底耐材厚度 炉膛高度)。
56.实施例3
57.优选的，所述步骤2中将步骤1的三维模型导入仿真模拟软件进行热场分布模拟具体为：
58.步骤2-1：将步骤1的三维模型导入仿真模拟软件中；
59.步骤2-2：对导入仿真模拟软件中的三维模型进行网格划分；
60.步骤2-3：数学模型建立；
61.步骤2-4：向数学模型中输入边界条件，并且设置计算参数；
62.步骤2-5：通过仿真模拟软件中的数学模型依次计算各网格的热场分布，接着对各网格的热场分布进行计算迭代，最终模拟出交流电炉热场分布，得到交流电炉温度场分布图。
63.实施例4
64.优选的，所述步骤2-2中对导入仿真模拟软件中的三维模型进行网格划分具体为：对三维模型的边沿位置采用稀疏网格划分，对三维模型的中心位置采用加密网格划分。
65.由于电极与入炉料接触区域为热量集中区域，因此需要对电极边界以及炉衬中心处进行网格加密。
66.优选的，所述步骤2-2中网格划分采用结构网格和非结构网格进行划分，结构网格之间采用非结构网格进行连接。
67.在网格划分过程中，为了控制网格数量和保证炉衬薄壁结构的网格质量，因此采用混合网格，对加热炉炉衬薄壁结构和重要部件采用分块结构网格划分，块与块间采用非结构网格连接。
68.优选的，所述步骤2-3中数学模型建立具体为：依据热传导方程、热对流方程和辐射输运方程建立模型。
69.优选的，所述步骤2-4中边界条件为环境温度、对流散热系数和辐射系数，所述计算参数为电极的比热容、导热系数和密度，工况下入炉料的比热容、导热系数、密度和粘度，炉衬耐火材料的比热容、导热系数和密度。
70.实施例5
71.数学模型建立：
72.热场分布模拟就是对传热过程进行数值模拟研究，冶炼区域内通过热传导、对流和辐射的形式进行传递，在炉体周围考虑空气对流散热、热传导、热对流和辐射的传热公式就是模拟软件数学模型建立的基础。
73.热传导方程如下所示：
[0074][0075]
[0076]
式中：
[0077]
t为温度，单位：℃；
[0078]
ρ为密度，单位：g/cm3；
[0079]
cp为比热容，单位：j/(kg
·
℃)；
[0080]
t为时间，单位：s；
[0081]
k为导热系数，单位：w
·
m/℃；
[0082]
q为传导热流，单位：j；
[0083]
q为热源，单位：j；
[0084]
为拉普拉斯算子。
[0085]
热对流方程如下所示：
[0086]
q＝h
·
(t
w-t
∞
)
[0087]
q＝h
·a·
(t
w-t
∞
)
[0088]
式中：
[0089]
q为热流密度，单位：w/m2；
[0090]
tw、t∞分别为固体表面和流体的温度，单位：℃；
[0091]
a为壁面面积，单位：m2；
[0092]
q为单位时间内面积a上的传热热量，单位；w；
[0093]
h为表面对流传热系数，单位：w/(m2.k)。
[0094]
由于本发明三维模型辐射面多，精度要求高，且计算量大，需多核并行计算，因此采用do模型来计算该三维模型中的辐射问题，其基本原理如下：discrete ordinates(do)模型在有限的离散立体角度σs上求解辐射输运方程：
[0095][0096]
式中：
[0097]
r为光的三维空间分布；
[0098]
n为三维方向分布；
[0099]
i为强度，是能量的微分；
[0100]
σ为能量散射的方向；
[0101]
n为单位方向向量；
[0102]
ω为能量、压力、流量在n上的方位角平均；
[0103]
a为普朗克公式里的固定系数；
[0104]
t为温度，单位：℃；
[0105]
d为特征长度，单位：m。
[0106]
该方法的优势是守恒方法能保证粗的离散方式上实现热平衡，可以通过更密的离散方式提高精度，考虑了散射，半透明介质，镜面及波长相关的灰体模型。
[0107]
do的角离散如下：
[0108]
方位角(φ)：0《φ《π/2
[0109]
极角(θ)：0《θ《π/2
[0110]
实施例6
[0111]
优选的，所述步骤3具体为：
[0112]
步骤3-1：根据交流电炉温度场分布图确定最符合冶炼工艺炉内最优范围的等温区间位置及区间内等温线；
[0113]
根据步骤2所得到交流电炉温度场分布图(交流电炉热场分布及等温线分布趋势)，对比冶炼工艺炉内最优温度范围，确定最符合冶炼工艺炉内最优范围的等温区间位置及区间内等温线；
[0114]
步骤3-2：根据最符合冶炼工艺炉内最优范围的等温区间位置及区间内等温线，按照等温线形状及位置，对炉衬边界及炉衬结构进行初步设计；
[0115]
步骤3-3：按照工程经验优化炉衬结构，得到优化后的炉衬结构。
[0116]
工程经验：交流电炉炉衬首先要保证炉内有效冶炼容积及炉体的机械强度，炉衬设计尽可能连续、圆滑，不出现棱角及局部凹陷、凸起。
[0117]
实施例7
[0118]
所述步骤5中判断优化后的炉衬结构是否合理具体为：当步骤4的电炉炉衬温差小于步骤2的电炉炉衬温差，并且步骤4的电炉炉衬温差＜150℃，即优化后的炉衬结构合理，当步骤4的电炉炉衬温差不小于步骤2的电炉炉衬温差，或者步骤4的电炉炉衬温差≥150℃，即优化后的炉衬结构不合理，重复步骤3～5，直至优化后的炉衬结构合理。
[0119]
实施例8
[0120]
如图3所示，某工厂使用圆形三相交流电炉，存在炉内死料区的容积大，涨炉导致的死炉、产品杂质高等问题，并且电炉均温性差，炉内温度控制精度低，因此需要进行优化，具体设计过程如下：
[0121]
步骤1)需要被优化圆形三相交流电炉三维模型的构建
[0122]
选用处理原料为某冶炼工艺过程中所产生的固体废弃物的圆形三相交流电炉，其日处理30t/d该固体废弃物，年生产330天，将该圆形三相交流电炉形成三维模型。
[0123]
步骤2)根据步骤1中形成的三维模型，利用仿真模拟软件进行热场分布模拟；
[0124]
步骤2-1)三维模型的导入
[0125]
将步骤1形成的三维模型导入仿真模拟软件中；
[0126]
步骤2-2)网格划分，并且进行网格质量评估
[0127]
在网格划分过程中，为了控制网格数量和保证炉衬结构的网格质量，本实施例采用混合网格(即结构网格和非结构网格)，对加热炉炉衬结构和重要部件采用分块结构网格划分，块与块间采用非结构网格连接。
[0128]
本实施例模型网格数量：102740，网格最小正交质量：0.282，最大长宽比为40，满足网格质量标准，圆形炉衬三维模型俯视网格如图1所示。
[0129]
步骤2-3)数学模型建立
[0130]
以上述内容介绍的公式及方法为基础，建立数学模型。
[0131]
步骤2-4)边界条件的输入
[0132]
根据工艺要求输入相应的边界条件：
[0133]
环境温度25℃；
[0134]
散热系数10w
·
m2/℃；
[0135]
辐射系数0.2。
[0136]
计算参数设置
[0137]
输入工况下石墨电极的相关参数：
[0138]
比热容709j/kg
·
℃；
[0139]
导热系数24w
·
m/℃；
[0140]
密度1.58g/cm3；
[0141]
输入工况下入炉料的相关参数：
[0142]
比热容824j/kg
·
℃；
[0143]
导热系数27w
·
m/℃；
[0144]
密度2.15g/cm3；
[0145]
粘度0.603pa
·
s。
[0146]
输入炉衬耐火材料的相关参数：
[0147]
比热容963j/kg
·
℃；
[0148]
导热系数0.6w
·
m/℃；
[0149]
密度4.7g/cm3。
[0150]
步骤2-5)设置完成后，仿真模拟软件进行计算迭代，模拟出交流电炉热场分布。
[0151]
步骤3)优化炉衬的设计
[0152]
步骤3-1)交流电炉热场分布结果分析
[0153]
根据交流电炉温度场分布图确定最符合冶炼工艺炉内最优范围的等温区间位置及区间内等温线，由冶炼工艺及模拟结果可知，最优温度区间为1900℃～2000℃范围附近。
[0154]
步骤3-2)按照最优传热等温线设计炉衬结构
[0155]
根据最符合冶炼工艺炉内最优范围的等温区间位置及区间内等温线，按照等温线形状及位置，对炉衬边界及炉衬结构进行初步设计。
[0156]
步骤3-3)按照工程经验优化炉衬结构
[0157]
交流电炉炉衬首先要保证炉内有效冶炼容积及炉体的机械强度，炉衬设计尽可能连续、圆滑，不出现棱角及局部凹陷、凸起；根据上述原则，结合步骤1得到的三维模型及步骤2交流电炉热场分布结果，且考虑三根电极是呈正三角形三个顶点位置分布，为保证改变炉衬形状不影响电极均匀传热的特点，故以正三角形三个顶点为圆心，以正三角边长为半径做弧，形成的封闭图形在任何方向上都有相同的宽度，即为“莱洛三角形”。
[0158]
步骤4)将优化后交流电炉的三维模型导入仿真模拟软件进行热场分布模拟，得到优化后交流电炉温度场分布图。
[0159]
1)将优化后的炉衬三维模型导入仿真模拟软件；
[0160]
2)重复步骤2网格划分及网格质量评估、边界条件确定及参数输入；
[0161]
本设计模型网格数量：96548，网格最小正交质量：0.276，最大长宽比为45，满足网格质量标准，优化后的炉衬三维模型俯视网格如图2所示。
[0162]
3)设置完成后，仿真模拟软件进行计算迭代，模拟出整炉温度场分布。
[0163]
步骤5)根据步骤2和步骤4的交流电炉温度场分布图计算电炉炉衬温差，判断优化后的炉衬结构是否合理。
[0164]
如图5所示，传统形状炉衬最大温差将近230℃，如图6所示，优化后炉衬最大温差为107℃左右，温差缩小53.5％，模拟结果最大温差为107℃，107℃＜150℃，优化后的炉衬结构合理，即优化炉衬设计完成，如图4所示。
[0165]
如图5、6所示，可以看出优化炉衬冷区范围小于圆形炉衬冷区范围，减少了炉内的冷料层，对于某些对出炉产品质量要求较高的工艺，减少了出炉产品杂质含量。
[0166]
另外，制作优化炉衬与圆形炉衬外衬均温性对比试验，可以看出优化炉衬的均温性比圆形炉衬均温性好，均温性好可以大大保证炉衬的使用寿命，从另一个角度考虑，也相应降低了耐材方面的投资成本。
[0167]
本发明公开了一种利用电极传热等温线优化交流电炉炉衬结构的方法，以三相交流电炉为例，通过将传统“圆”状炉衬优化为“莱洛三角”状炉衬，解决了炉衬内壁温差较大、温度不均匀导致的炉衬开裂、变形、机械强度降低等相关问题，尽可能避免了事故的发生；并且根据不同的冶炼出料位置要求，本发明方法均可实现通过优化炉衬结构，达到提高电炉均温性、控温精度，提升冶炼产品质量，延长炉衬寿命的工艺冶炼目的。
[0168]
相较于传统炉衬的三相交流电炉，“莱洛三角形”状的优化炉衬结构，使炉衬各部分温差变小，克服了冶炼过程均温性差的缺点。
[0169]
相较于传统炉衬的三相交流电炉，“莱洛三角形”状的优化炉衬结构，冶炼过程中炉衬整体被侵蚀均匀，减少了炉衬受侵蚀后从而开裂的可能。
[0170]
相较于传统炉衬的三相交流电炉，“莱洛三角形”状的优化炉衬结构，电炉死料区减少，尽可能避免了电炉发生涨炉导致死炉的情况，也减少了出炉产品中杂质的含量，保证产品的质量。
[0171]
相较于传统炉衬的三相交流电炉，“莱洛三角形”状的优化炉衬结构，电炉控温精度高，三相电极升降动作相对减少，大大提高了冶炼过程中电炉的稳定性。
[0172]
本发明交流电炉采用优化后的炉衬结构，有助于提高冶炼时炉衬内壁的温度均匀性，即温度分布更均匀，传热效果更好，有效提高炉衬寿命及提升冶炼产品质量。
[0173]
本发明将机械设计与模拟计算结合，互相校正，最终设计出优化后的交流电炉炉衬。
[0174]
依据本发明方法对炉衬局部进行优化也属于本发明的保护范围。例如：出料口耐材结构优化、炉盖与炉体接触位置耐材结构优化等。
[0175]
上面对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
[0176]
不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。