田瑞嬌++梁曉玲

摘 要：盤形鍛造加熱爐的結(jié)構(gòu)單一、爐子的熱效率低、自動化控制水平比較差、爐溫的均勻性差。為了提高加熱爐的熱效率，改善爐溫的均勻性，有必要對室式鍛造加熱爐進(jìn)行研究及優(yōu)化。加熱爐內(nèi)溫度較高，難以測量內(nèi)部傳熱狀況，不利于實(shí)驗(yàn)研究。為了研究加熱爐內(nèi)的各種熱工過程，更加精細(xì)的知道加熱爐內(nèi)氣體流動、火焰燃燒和內(nèi)部傳熱過程，可以利用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行模擬分析。本文以某公司盤形鍛造加熱爐為研究對象，對其進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明整體的模擬結(jié)果比較真實(shí)可信，文中還為存在的問題指明了優(yōu)化方向，可為實(shí)際工作提供指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：盤形鍛造加熱爐 數(shù)值模擬 溫度場 速度場

引言

室式鍛造加熱爐生產(chǎn)能力較小，爐溫能夠進(jìn)行靈活的控制，有利于加熱一些對加熱制度要求較為嚴(yán)格的特殊鋼坯。但是室式爐的結(jié)構(gòu)比較單一，爐體制作過程比較粗糙，爐門等處的封閉性不好，會造成高溫爐氣的外漏，降低爐子的熱效率。另外，室式爐的自動化控制水平比較差，單憑人工控制很難掌握燃燒的效果和保證爐溫的均勻性。為了提高加熱爐的熱效率，改善爐溫的均勻性，有必要對室式鍛造加熱爐進(jìn)行研究及優(yōu)化[1]。加熱爐內(nèi)溫度較高，難以測量內(nèi)部傳熱狀況，不利于優(yōu)化設(shè)計(jì)和開發(fā)新型高效的加熱爐。為了研究加熱爐內(nèi)的各種熱工過程，更加精細(xì)的知道加熱爐內(nèi)氣體流動、火焰燃燒和內(nèi)部傳熱過程，可以利用數(shù)值模擬技術(shù)對其進(jìn)行數(shù)值模擬[2-5]，得到爐內(nèi)流場、溫度場、濃度場等的分布并對其進(jìn)行分析研究，找出可行的節(jié)能優(yōu)化措施。本文以某公司盤形鍛造加熱爐為研究對象，對其進(jìn)行數(shù)值模擬，并對模擬結(jié)果進(jìn)行分析，尋求優(yōu)化方向。

1.物理模型的建立

1.1幾何模型

該盤形鍛造加熱爐的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：爐膛高度為1200 mm，爐子內(nèi)徑為8369 mm，爐膛寬度為2835 mm，煙道內(nèi)徑為2700 mm。選取爐底為計(jì)算基準(zhǔn)水平面，燃燒器中心高度距爐底距離為500 mm，煙道高度為800 mm。燒嘴非均勻的分布在外墻體上，燒嘴的疏密程度以及燒嘴的熱負(fù)荷與加熱制度有關(guān)。一加段燒嘴較多且熱負(fù)荷最大，二加段次之，均熱段燒嘴最少且熱負(fù)荷較小，該盤形鍛造加熱爐結(jié)構(gòu)俯視圖如圖1所示。盤形鍛造加熱爐內(nèi)燃燒的是高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣的混合氣體，混合比例為6：5。

圖2 盤形鍛造加熱爐網(wǎng)格劃分圖

1.2網(wǎng)格劃分

本文對幾何模型進(jìn)行了簡化，只對爐膛空間進(jìn)行數(shù)值模擬，且視爐門為常閉狀態(tài)，所以該幾何模型較為簡單且規(guī)則，綜合考慮計(jì)算的精度和收斂性，使用T-Grid對其整體進(jìn)行劃分網(wǎng)格，主要包含四面體網(wǎng)格單元，劃分出200多萬個網(wǎng)格。網(wǎng)格生成圖如圖2所示。

2.數(shù)學(xué)模型的建立

幾乎所有的流動問題都要用到動量守恒方程和質(zhì)量守恒方程[6]，若實(shí)際問題涉及傳質(zhì)傳熱或可壓性流動性特征時，還需要使用能量守恒方程，若研究的流動問題帶有粘性特征時，還需要使用粘性應(yīng)力方程。本文用到的主要方程有：

連續(xù)方程：

（1）

動量方程：

（2）

能量方程：

（3）

其中： —密度， —速度， —稀疏相增加到連續(xù)相中的質(zhì)量， —重力體積力和其它體積力，P—靜壓， —應(yīng)力張量，H—焓值，m—質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

本文選用標(biāo)準(zhǔn) 湍流模型、PDF擴(kuò)散燃燒模型、P-1輻射模型，求解方法選用二階迎風(fēng)格式。將煤氣入口定義為速度入口邊界條件，各入口的速度根據(jù)不同加熱段所需的熱負(fù)荷來計(jì)算得到；空氣入口定義為質(zhì)量入口邊界條件。燃燒器選用的是套管式，外管噴射空氣，內(nèi)管噴射燃?xì)狻煔獬隹谶吔鐥l件定義為壓力出口。為了簡化計(jì)算，本文將鋼坯吸熱量計(jì)算出來并以熱流密度形式定義給爐底相應(yīng)位置，所以爐底利用熱流邊界條件定義為吸熱邊界條件。爐子內(nèi)外墻體、爐頂統(tǒng)一定義為wall邊界條件，看作無滑移絕熱壁面。

3.模擬結(jié)果分析

3.1壓力場分析

圖3為各加熱段縱截面的爐膛壓力場分布圖，圖4為燒嘴中心所在高度橫截面爐膛的壓力場分布圖。

圖3各加熱段縱截面壓力場分布

圖4燒嘴中心所在高度橫截面壓力場分布

圖5燒嘴中心高度橫截面不同環(huán)線上壓力分布

從圖3和圖4可以看出，整個爐膛處于微正壓狀態(tài)，平均壓力在6 Pa左右。爐膛壓力從一加段到均熱段是越來越小的，這有利于煙氣從一加段向均熱段流動，煙氣順著鋼坯加熱方向移動。由于煙氣的擾動作用較小，煙氣對鋼坯的對流換熱也比較小。所以在鋼坯加熱的過程中，輻射換熱是占主導(dǎo)的，而對流換熱則是次要的。從一加段的壓力分布可以看出，壓力梯度比較大，在燒嘴附近壓力較低，并且分布成環(huán)狀，外環(huán)壓力大內(nèi)環(huán)壓力低，這有利于煙氣的回流，促進(jìn)熱交換，使?fàn)t溫更均勻。在二加段中間部位壓力稍低，四周壓力略高，這說明在二加段也有煙氣的回流形成了一個漩渦。均熱段各處的壓力幾乎沒有變化。從一加段到均熱段，燃?xì)獾墓┙o量越來越小，所以壓力越來越小，煙氣的擾動也越來越不劇烈。各加熱段的煙道出口處壓力都低于爐膛內(nèi)的壓力，這有利于煙氣的排出。在爐門處由于沒有燃料的供給，壓力最低，容易吸均熱段的煙氣，造成均熱段的熱損失，不過這部分體積較小，影響可以忽略。

圖5為燒嘴中心高度橫截面不同環(huán)線上的壓力分布曲線。從圖5可以看出，爐內(nèi)壓力變化的大致趨向是從一加段到均熱段成遞減趨勢，有利于煙氣順著鋼坯移動方向流動。從內(nèi)側(cè)（靠近煙道一側(cè)）到外側(cè)（靠近燒嘴一側(cè)），爐內(nèi)壓力是越來越小的，這有利于煙氣的回流，增加煙氣停留時間，從而提高燃料利用效率。

3.2 速度場分析

圖6為各加熱段縱截面的速度矢量圖。從圖6可以看出，一加段在燃料噴入后形成上下兩個漩渦，漩渦區(qū)煙氣的速度在10 m/s左右，漩渦以外的區(qū)域煙氣速度比較小，在5 m/s左右。二加段在爐膛上部也形成一個旋渦狀，速度較小，在9 m/s以下。均熱段爐膛內(nèi)煙氣的速度整體偏低，在5 m/s左右，在爐膛中間也形成漩渦，但是速度太小，漩渦不明顯。另外，局部出現(xiàn)倒吸冷空氣的現(xiàn)象。在煙道附近由于抽力作用，速度稍大，明顯的看到流體向外排。燃?xì)鈴臒靽姵鰰r，以很高的射流速度噴向空間，爐內(nèi)距離燒嘴較近的煙氣在射流的卷吸作用下，也獲得一定的流速，和燃?xì)庖黄鹣驙t膛內(nèi)部空間擴(kuò)散開來，隨著擴(kuò)散過程的進(jìn)行，燃?xì)夂蜔煔獾呐鲎苍絹碓蕉?，動能在運(yùn)動中被傳遞和消耗，速度逐漸減緩下來。總的來說，燃?xì)庋責(zé)熘行木€噴出，在中心線上速度是先升高，后緩慢遞減，同時以中心線為中心向四周逐漸降低。在燃?xì)鈬娚渚砦倪^程中，鄰近的氣體隨燃?xì)庖黄疬\(yùn)動起來，而稍遠(yuǎn)一點(diǎn)的煙氣因?yàn)榫砦饔孟鄬^小，相反被卷吸走的氣體留下的低壓位置產(chǎn)生壓差，因此這部分煙氣會產(chǎn)生回流現(xiàn)象。

圖6 各加熱段縱截面速度矢量圖

由圖6中還可以看到，在燒嘴的上、下方都有與燃?xì)饬鲃酉喾捶较虻幕亓?。雖然回流的速度不高，但可以增大在空間的擾動，將射流影響擴(kuò)散到更遠(yuǎn)的區(qū)域。從燃燒的角度來看，卷吸和回流都會使燃?xì)夂涂諝饣旌细映浞郑黾尤剂先紵龝r的含氧濃度，使燃燒反應(yīng)更加充分。在換熱角度來看，卷吸和回流會使冷、熱氣流混合，強(qiáng)化對流換熱效果，提高換熱效率。因此，適當(dāng)?shù)木砦突亓鲗ΡP形鍛造加熱爐內(nèi)的熱工過程是有利的。均熱段由于壓力過低出現(xiàn)的倒吸冷空氣的現(xiàn)象，會造成爐溫的降低，廢氣量的增加，減少向爐內(nèi)的傳熱，增大廢氣熱損失，有待于改進(jìn)。

3.3 溫度場分析

圖7為各加熱段縱截面的溫度場分布圖，圖8為燒嘴中心所在高度橫截面的溫度場分布圖。

圖7 各加熱段縱截面溫度場分布

圖8 燒嘴中心所在高度橫截面溫度場分布

從圖7和8可以看出，一加段火焰較長，爐膛整體溫度在1500 K左右，爐膛內(nèi)各處的溫度分布比較均勻。但是火焰的溫度偏高，火焰的中心溫度可以達(dá)到2000 K，而且靠近爐膛底部的鋼坯，會造成加熱的鋼坯產(chǎn)生局部過燒的現(xiàn)象，破壞物料內(nèi)部金屬組織結(jié)構(gòu)，影響產(chǎn)品品質(zhì)。可以考慮調(diào)整燒嘴的角度，使其向上傾斜。二加段火焰稍短，火焰溫度比一加段也有所下降，二加段整體溫度在1400 K左右，圖中可以看出，在燒嘴上下方區(qū)域，溫度偏低，這是由于缺少對流換熱造成的，氣體的擾動太弱。但是整體的溫度相差不大，在100 K左右，可以忽略此處，也可以通過改變燒嘴的角度或者增加燃?xì)獾墓┙o量來增加氣體的擾動。均熱段火焰較短小，整體溫度在1400 K左右，這是由于燃?xì)獾乃俣容^小。均熱段就是用于維持加熱爐內(nèi)溫度，給物料充分時間均熱，使其內(nèi)部熱量平衡分配，溫度場盡量均勻。因此供氣量并不需要太大，只要維持工件鍛造溫度即可。

4.結(jié)論

從以上的分析可知，該盤形鍛造加熱爐內(nèi)的壓力維持在6 Pa左右，比較合適，但是壓力場的分布略顯不均勻；速度場有漩渦出現(xiàn)，有利于熱量的交換，但是在均熱段出現(xiàn)倒吸冷空氣的現(xiàn)象；溫度場相對較均勻，但是平均溫度略低。整體的模擬結(jié)果比較真實(shí)可信，可為實(shí)際工作提供指導(dǎo)意義，但上述存在的問題需要改進(jìn)，可嘗試通過降低爐膛壓力、調(diào)整燒嘴角度等措施進(jìn)行優(yōu)化。

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作者簡介：

田瑞嬌（1990-），女，漢族，安徽靈璧人，助教，碩士，主要從事能源與動力工程研究；梁曉玲（1989-），女，漢族，吉林松原人，助教，碩士，主要從事流體機(jī)械方向研究.

基金項(xiàng)目：

安徽省教學(xué)研究重大項(xiàng)目（校級2016jyxm0908）