張　剛，何欣榮，宋海濤，姚亞峰

（1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710077；2.西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，陜西西安710055）

基于多相流場(chǎng)模擬的噴涂耐火料噴嘴仿真研究

張剛*1，何欣榮2，宋海濤1，姚亞峰1

（1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710077；2.西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，陜西西安710055）

針對(duì)泵送式不定型耐火料施工方法，分析其噴射原理及結(jié)構(gòu)，利用Fluent建立多相流噴嘴模型、仿真優(yōu)化噴嘴的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，為噴嘴噴射效率及耐火料噴射質(zhì)量的提高提供依據(jù)。

噴嘴；流場(chǎng)；Fluent

近年，以澆注施工為主的不定形耐火材料施工方法被廣泛應(yīng)用于工業(yè)高溫爐內(nèi)襯的施工中。但由于窯爐各處內(nèi)襯厚度要求不同、內(nèi)襯形狀較為復(fù)雜、澆注料的硬化養(yǎng)生以及模型框架拆除的工期較長(zhǎng)，因此這種需要較多的模型框架、施工方案復(fù)雜的框架澆注已被逐漸淘汰。目前，國(guó)內(nèi)外普遍采用的是耐火材料的新的濕式噴涂施工方法，該方法是將混凝土濕噴技術(shù)引入耐火材料內(nèi)襯施工中，具有噴涂吸附力強(qiáng)、回彈率低等優(yōu)點(diǎn)。

耐火材料噴涂施工，是耐火材料被輸送至噴嘴處，再借助壓縮空氣獲得一定的速度噴射到高爐內(nèi)襯面上，從而形成牢固的噴涂層。噴涂耐火材料是筑爐和補(bǔ)爐中的一項(xiàng)新工藝，實(shí)踐證明，噴涂耐火材料對(duì)于延長(zhǎng)高爐壽命、降低高爐損耗、縮短維修周期以及加快施工進(jìn)度有著明顯的優(yōu)勢(shì)［1］。

雖然國(guó)內(nèi)對(duì)于噴涂機(jī)械已有一定研究，但核心技術(shù)尚未掌握，不能完全滿足實(shí)際工況要求，且目前的研究大多僅以實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)為根據(jù)，缺乏動(dòng)力學(xué)及流場(chǎng)仿真分析等先進(jìn)科學(xué)研究方法，成果不顯著，這已成為限制不定形耐火材料濕式噴涂施工技術(shù)在我國(guó)推廣使用的瓶頸問(wèn)題。與國(guó)外的濕噴設(shè)備相比，國(guó)內(nèi)設(shè)備和噴嘴機(jī)構(gòu)都存在不合理之處，導(dǎo)致了施工過(guò)程中出料不均勻，影響噴涂質(zhì)量和工作壽命。因此，本文針對(duì)存在的問(wèn)題，對(duì)噴嘴進(jìn)行優(yōu)化仿真研究，為提高噴嘴噴涂質(zhì)量提供理論支持。

1　不定形耐火料噴射基本原理

耐火材料噴射機(jī)械按輸送方式分氣送式和泵送式，氣送式分為射流泵式和轉(zhuǎn)子式，泵送式有柱塞泵式、擠壓泵式和螺桿泵式等。本文針對(duì)柱塞泵式輸送，其工作流程如圖1所示。攪拌均勻的耐火物料經(jīng)泵送系統(tǒng)被輸送至噴嘴處，由于輸送過(guò)程中存在的沿程壓力損失及局部壓力損失，輸送至噴嘴處的物料壓力已不能達(dá)到需求工作壓力，因此在噴嘴處注入壓縮空氣，以彌補(bǔ)損失壓力。同時(shí)為了加速物料的凝結(jié)，通常添加液態(tài)速凝劑噴向受?chē)姽ぷ髅?，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1　耐火料噴射流程

圖2　添加液態(tài)速凝劑風(fēng)管?chē)娮?/p>

2　噴嘴噴射的數(shù)學(xué)模型

選用的是液態(tài)速凝劑添加風(fēng)管?chē)娮?，由于液態(tài)速凝劑的添加壓力與風(fēng)壓相比很小，可以將其簡(jiǎn)化為靠負(fù)壓被吸入壓縮空氣管路，因此，可以將噴嘴簡(jiǎn)化成“T”形三通合流管形式，如圖3所示。

圖3　“T”形三通合流管

攪拌后的耐火材料以壓力P、速度V由A截面進(jìn)入噴嘴，在風(fēng)壓P1的作用下，由噴嘴出口A2截面以滿足施工要求的速度V2噴出。由恒定流能量方程可得：

式中：Z——I截面上料管與風(fēng)管進(jìn)口中心線的垂直距離；

P——耐火材料進(jìn)口壓力；

V——耐火材料進(jìn)口速度；

P1——壓縮空氣進(jìn)口壓力；

V1——壓縮空氣進(jìn)口速度；

P2——加壓后物料噴出壓力；

V2——加壓后物料噴出速度；

ρ——物料的密度（空氣含量對(duì)耐火材料影響不大，因此認(rèn)為前后密度不變）；

α、α1、α3——速度修正系數(shù)；

ζ——局部阻力系數(shù)。

由式（2）可令：

由實(shí)際可知，物流在噴嘴入口處的速度遠(yuǎn)小于壓縮空氣速度和耐火材料的噴出速度，同時(shí)物流在噴嘴入口處的壓力遠(yuǎn)小于壓縮空氣速度和耐火材料的噴出壓力，式中速度V和P可忽略不計(jì)，且P1≈P2，且壓縮空氣充滿風(fēng)管進(jìn)口，加壓后耐火材料流股也充滿噴出截面口，則可認(rèn)為α1=α2≈1，則速度V2、流量Q2又可表示為：

3　噴嘴建模與仿真

由噴嘴理論模型分析可知，噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸中，噴嘴與風(fēng)管之間的夾角α、風(fēng)壓大小P1、出口截面面積A2以及幾何形狀這4個(gè)參數(shù)主要決定了噴嘴噴射的速度與流量，直接影響最終濕噴機(jī)的施工質(zhì)量。因此可以利用Fluent仿真軟件建立噴嘴多相流場(chǎng)模型，分析優(yōu)化這4個(gè)參數(shù)。

（1）噴嘴與風(fēng)管之間夾角α。針對(duì)噴嘴與風(fēng)管之間夾角，在α=20°～40°之間分別建立其噴嘴模型，在額定風(fēng)壓為0.3MPa時(shí)進(jìn)行仿真分析，得到如圖4、5、6、7所示的噴嘴夾角α與速度的關(guān)系圖及速度云圖。可以得出，當(dāng)α=20°、α=30°時(shí)，在噴嘴出口處，物料最高噴射速度可達(dá)約16m/s，而α=40°時(shí)，物料最高噴射速度僅為12m/s，直接影響物料的噴射質(zhì)量。當(dāng)α約為30°時(shí)，物料最高噴射速度可達(dá)約16m/s，分布較為均勻，且噴嘴內(nèi)高速物料所占比重更大，具有更佳的噴涂效果。這是由于α約為30°左右時(shí)，基本滿足耐火物料在噴嘴內(nèi)的流場(chǎng)速度關(guān)系，使其風(fēng)送效率最大化。

圖4　噴嘴夾角α與速度關(guān)系圖

圖5　α=20°噴嘴內(nèi)速度分布云圖

（2）風(fēng)壓大小P1。在噴嘴與風(fēng)管之間夾角的分析基礎(chǔ)上，對(duì)在不同風(fēng)壓下，耐火物料在噴嘴出口的速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄，得出風(fēng)壓與物料出口速度關(guān)系圖，如圖8所示。由實(shí)際施工可得，在噴射距離100cm，物料噴射速度在15～18m/s之間，噴涂回彈率最小，效果最佳。因此風(fēng)壓大小約為0.3～0.4MPa時(shí)，耐火料噴射速度可達(dá)15～17m/s，與實(shí)際一致。

（3）噴嘴出口截面面積A2。沖擊力是使耐火物料與高爐壁面產(chǎn)生緊密粘合且壓實(shí)噴層的關(guān)鍵因素。有學(xué)者經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，當(dāng)噴層回彈率為5%～8%時(shí)且一次噴層厚度應(yīng)為10mm以上時(shí)，最佳沖擊力在10～15N之間［2］。由前面分析，得到噴嘴噴射的壓力范圍為0.3～0.4MPa，則可對(duì)應(yīng)求出噴嘴出口截面面積A2為（2.67～3.0）×10-5m2時(shí)，其噴嘴出口截面面積A2與噴嘴噴射流量的關(guān)系如圖9所示。可見(jiàn)噴嘴出口流量的變化，與風(fēng)壓、截面面積不成絕對(duì)正反比例關(guān)系，因此應(yīng)依據(jù)實(shí)際施工流量需求，設(shè)計(jì)合適的噴嘴出口截面面積。

（4）幾何形狀。幾何形狀主要指噴嘴與風(fēng)管交接處是否過(guò)渡平緩。當(dāng)夾角α=30°、風(fēng)壓0.3MPa且在同一出口截面面積的條件下，建立其非過(guò)渡圓角噴嘴模型并仿真，得到其速度分布云圖，如圖10所示?？芍?，非過(guò)渡圓角噴嘴出口物料最高噴射速度僅可達(dá)到約10m/s，且速度分布極不均勻，不利于物料的正常噴射。

圖6　α=30°噴嘴內(nèi)速度分布云圖

圖7　α=40°噴嘴內(nèi)速度分布云圖

圖8　風(fēng)壓與物料出口速度關(guān)系圖

圖9　噴嘴出口面積與流量關(guān)系圖

圖10　非過(guò)渡圓角噴嘴內(nèi)速度分布云圖

4　結(jié)語(yǔ)

以不定形耐火料噴嘴為研究對(duì)象，闡述了噴射的基本原理，分析其數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)噴嘴與風(fēng)管之間的夾角α、風(fēng)壓大小P1、出口截面面積A2以及幾何形狀這4個(gè)主要參數(shù)直接影響噴嘴噴射質(zhì)量，利用Fluent建立噴嘴內(nèi)流場(chǎng)模型，仿真優(yōu)化了這4個(gè)參數(shù)，為提高耐火物料噴射施工質(zhì)量提供理論依據(jù)。

［1］龐善洋.車(chē)載型濕式噴補(bǔ)裝置及其應(yīng)用例［J］.國(guó)外耐火材料，1999（10）：25-31.

［2］黃中華，謝雅.圓錐形噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2011（12）：62-64.

［3］王福軍.計(jì)算液體動(dòng)力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［4］劉萍，張東速.噴嘴幾何參數(shù)對(duì)射流流場(chǎng)性能影響的計(jì)算研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，20007（11）：50-51.

TQ175.73

A

1004-5716（2016）04-0027-03

2015-12-23

2015-12-24

張剛（1987-），男（漢族），陜西寶雞人，助理工程師，現(xiàn)從事鉆探機(jī)械設(shè)計(jì)工作。