許學(xué)成，陳元元，李本文，談晚平

(武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430081)

帶鋼涂層干燥用泡沫陶瓷紅外輻射裝置研究

許學(xué)成，陳元元，李本文，談晚平

(武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430081)

本文針對(duì)帶鋼涂層干燥工藝的要求，研制了大型泡沫陶瓷燃?xì)饧t外輻射裝置，單臺(tái)燃?xì)饧t外輻射裝置有效輻射面積為360 mm×360 mm，為了保證板面溫度的均勻性，設(shè)計(jì)了專用的空燃?xì)饣旌掀骱碗p層布風(fēng)板.通過(guò)搭建燃燒實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)研制的燃燒裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確定了穩(wěn)定燃燒工況下相應(yīng)的熱負(fù)荷以及當(dāng)量比范圍，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析找到了最優(yōu)泡沫陶瓷參數(shù)組合，并對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)現(xiàn)有理論模型的修正作用進(jìn)行了討論.

帶鋼涂層干燥；泡沫陶瓷；燃?xì)饧t外輻射裝置；實(shí)驗(yàn)研究

對(duì)于硅鋼、鍍鋅等帶鋼涂鍍產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，表面涂層干燥或燒結(jié)質(zhì)量直接關(guān)系到產(chǎn)品的表面質(zhì)量，而表面質(zhì)量是產(chǎn)品分檔與價(jià)格定位的關(guān)鍵因素[1].傳統(tǒng)帶鋼干燥爐中使用高速燒嘴和平焰燒嘴來(lái)完成干燥或燒結(jié)工藝，由于高速燒嘴和平焰燒嘴本身工作原理的限制，會(huì)導(dǎo)致以下三個(gè)方面的缺陷：第一，在工作過(guò)程中容易造成局部高溫，使得帶鋼表面受熱不均勻，從而對(duì)涂層的干燥或燒結(jié)質(zhì)量造成影響；第二，傳統(tǒng)燃燒方式有明顯的燃燒火焰，且污染物排放較高，很難避免燃燒產(chǎn)物對(duì)被加熱物料表面的破壞和污染；第三，燃燒效率低，加熱效率較低.

泡沫陶瓷屬于多孔介質(zhì)的一種特殊形式，預(yù)混氣體在多孔介質(zhì)中的燃燒是一種新型潔凈的燃燒技術(shù)，具有燃燒效率高、加熱效率高、污染物排放低等優(yōu)點(diǎn)[2-5]，世界各國(guó)越來(lái)越重視多孔介質(zhì)燃燒器產(chǎn)品的研發(fā)，如德國(guó)的Promeos Gmbh-Burner公司，美國(guó)的Maxon-Honeywell公司，日本的Shoei-Burner公司已開發(fā)出以多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)為基礎(chǔ)的燃燒器，并在鋼鐵、有色、電力、化工、造紙工業(yè)等領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用[6-8].而國(guó)內(nèi)多孔介質(zhì)燃燒器產(chǎn)品還主要集中在瀝青路面修復(fù)、食品加工、民用燃?xì)庠O(shè)備等領(lǐng)域，面向中高溫工業(yè)的多孔介質(zhì)燃燒器的研制仍不太理想，國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)相關(guān)的產(chǎn)品正式投入使用.

本文針對(duì)帶鋼涂層干燥工藝的要求，研制了單層和雙層大型泡沫陶瓷燃燒裝置，通過(guò)搭建燃燒實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)研制的燃燒裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，確定了穩(wěn)定燃燒工況下相應(yīng)的熱負(fù)荷以及當(dāng)量比范圍，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析找到了最優(yōu)泡沫陶瓷參數(shù)組合，并對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)現(xiàn)有理論模型的指導(dǎo)作用進(jìn)行了討論.

1 泡沫陶瓷燃?xì)饧t外輻射裝置系統(tǒng)組成

泡沫陶瓷燃?xì)饧t外輻射裝置系統(tǒng)由泡沫陶瓷燃?xì)饧t外輻射裝置本體、空燃?xì)饣旌掀鳌⒐庀到y(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)(溫度、流量、壓力)組成，如圖1所示.

1.1 泡沫陶瓷燃?xì)饧t外輻射裝置本體

泡沫陶瓷燃?xì)饧t外輻射裝置本體是燃燒系統(tǒng)的核心設(shè)備，泡沫陶瓷燃?xì)饧t外輻射裝置本體由泡沫陶瓷輻射板、布風(fēng)板、冷卻腔體、進(jìn)風(fēng)口、耐火纖維墊片等組成；圖2a以雙層泡沫陶瓷燃?xì)饧t外輻射裝置為例示意出了其主要構(gòu)造組成.燃燒器泡沫陶瓷輻射板尺寸為360 mm×360 mm方形結(jié)構(gòu)，為保證預(yù)混氣體在正方形板面上能夠均勻地燃燒，沿進(jìn)風(fēng)方向布置有兩層布風(fēng)板，泡沫陶瓷板用金屬殼體進(jìn)行固定；為了保證金屬殼體的強(qiáng)度，金屬殼體設(shè)計(jì)為中空腔體的形式，腔體內(nèi)部可以通風(fēng)進(jìn)行冷卻，金屬殼體與泡沫陶瓷輻射板之間填充有耐火纖維墊片，柔軟的耐火纖維墊片具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，一方面可以減弱多孔介質(zhì)對(duì)金屬殼體的傳熱，防止殼體溫度過(guò)高，另一方面可以有效地吸收泡沫陶瓷板高溫下受熱膨脹引起的變形，有效避免泡沫陶瓷的破碎.泡沫陶瓷輻射板是燃燒裝置的核心部件，為保證燃燒裝置的流通性能，設(shè)計(jì)選取的孔隙率大于85%，材質(zhì)有SiC、Al2O3、ZrO2三種.對(duì)于單層泡沫陶瓷燃?xì)饧t外輻射裝置，選用的泡沫陶瓷板孔密度分別為25 PPI和35 PPI(PPI表示每英寸上的孔數(shù)).對(duì)于雙層泡沫陶瓷燃?xì)饧t外輻射裝置，上游預(yù)熱區(qū)選用60 PPI 泡沫陶瓷板，下游燃燒區(qū)仍為25 PPI和35 PPI的泡沫陶瓷板.圖2b為根據(jù)設(shè)計(jì)圖制作而出的燃燒裝置實(shí)物圖.

圖1 泡沫陶瓷燃?xì)饧t外輻射裝置系統(tǒng)圖Fig.1 Diagram of porous ceramic gas infrared burner system

1.2 空燃?xì)饣旌掀?/p>

混合器的作用是使燃?xì)馀c空氣均勻地混合，混合器空氣管路中心線與混合器中心線重合，空氣從中間通入；燃?xì)夤苈分行木€與混氣器中心線垂直，燃?xì)鈴目諝夤苈泛突旌掀鞅诿嬷g的環(huán)狀孔隙中噴出，與空氣進(jìn)行混合.

1.3 供氣系統(tǒng)

供氣系統(tǒng)包括燃?xì)夤┙o系統(tǒng)和空氣供給系統(tǒng).燃?xì)夤┙o系統(tǒng)主要設(shè)備包括有球閥、穩(wěn)壓閥和電磁切斷閥.空氣供給系統(tǒng)包括有助燃空氣供給系統(tǒng)和冷卻空氣供給系統(tǒng)兩部分，主要設(shè)備主要有鼓風(fēng)機(jī)和閥門，其中的助燃空氣供給系統(tǒng)主要提供預(yù)混用助燃空氣，冷卻空氣供給系統(tǒng)主要提供燃燒裝置金屬殼體冷卻用風(fēng).

1.4 溫度、流量和壓力檢測(cè)系統(tǒng)

溫度檢測(cè)系統(tǒng)包括有非接觸式紅外熱像儀(測(cè)面溫度)和接觸式熱電偶(測(cè)點(diǎn)溫度)兩部分；氣體流量的檢測(cè)通過(guò)渦輪流量計(jì)來(lái)完成；氣體壓力通過(guò)壓力計(jì)進(jìn)行檢測(cè).

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為便于對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，首先介紹當(dāng)量比的概念.在化學(xué)計(jì)量中，當(dāng)量比常被用來(lái)定量表示燃料-氧化劑混合物是富、貧或化學(xué)當(dāng)量的，其定義式為：

式中：A表示空氣量，F(xiàn)表示燃料量.Φ>1， 富燃料混合物；Φ<1，貧燃料混合物；Φ=1， 化學(xué)當(dāng)量混合物.

根據(jù)帶鋼涂層干燥工藝要求，設(shè)計(jì)輻射板表面溫度范圍為800～ 1 050 ℃，實(shí)驗(yàn)圍繞這一目標(biāo)參數(shù)展開，本文后續(xù)結(jié)果的分析都是在面板溫度處于該范圍之內(nèi)穩(wěn)定燃燒的前提下進(jìn)行的.

另外，考慮工業(yè)應(yīng)用安全性，燃燒裝置要確保不發(fā)生回火，因此，回火特性是本實(shí)驗(yàn)的重要考察內(nèi)容.縱觀國(guó)內(nèi)外眾多關(guān)于多孔介質(zhì)燃燒的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值分析文獻(xiàn)，對(duì)火焰穩(wěn)定位置的定義都沒(méi)有考慮時(shí)間持續(xù)性這一內(nèi)涵，文獻(xiàn)[9]通過(guò)數(shù)值計(jì)算認(rèn)為火焰在多孔介質(zhì)內(nèi)可能存在兩個(gè)穩(wěn)定位置，靠近下游的火焰穩(wěn)定位置可以穩(wěn)定足夠長(zhǎng)的時(shí)間，然后會(huì)逐漸移向靠近上游的穩(wěn)定位置.因此，本實(shí)驗(yàn)認(rèn)為，在特定工況下，當(dāng)火焰在某個(gè)位置穩(wěn)定燃燒超過(guò)10 min不回火時(shí)，才可以認(rèn)為該工況下可以穩(wěn)定燃燒.

2.1 泡沫陶瓷材質(zhì)適用性對(duì)比

為考察材質(zhì)的適用性，實(shí)驗(yàn)首先對(duì)SiC、Al2O3、ZrO2三種材質(zhì)的單層燃燒裝置進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定燃燒，然后對(duì)其燃燒后強(qiáng)度進(jìn)行考察，結(jié)果表明，材質(zhì)為SiC和ZrO2的泡沫陶瓷板表現(xiàn)出優(yōu)良的可穩(wěn)定使用特性，而材質(zhì)為Al2O3的泡沫陶瓷因在燃燒后強(qiáng)度大大降低，很容易破碎，不適合用做燃?xì)饧t外輻射面板.因此，后續(xù)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)用泡沫陶瓷材質(zhì)僅包含SiC和ZrO2兩種.

2.2 單層泡沫陶瓷穩(wěn)定燃燒結(jié)果及分析

表1為單層泡沫陶瓷構(gòu)造的燃?xì)饧t外輻射裝置穩(wěn)定工況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出，對(duì)于單層泡沫陶瓷板燃燒裝置，熱負(fù)荷大于280 kW/m2時(shí)，所有穩(wěn)定的工況均在當(dāng)量比大于1的情況下獲得，也就是說(shuō)可燃?xì)怏w一部分在泡沫陶瓷面板內(nèi)燃燒，另外一部分在泡沫陶瓷面板外燃燒.在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)保持熱負(fù)荷不變的情況下，調(diào)小當(dāng)量比時(shí)，會(huì)發(fā)生回火現(xiàn)象，降低熱負(fù)荷并調(diào)小當(dāng)量比時(shí)同樣發(fā)生回火現(xiàn)象.這說(shuō)明采用單層結(jié)構(gòu)時(shí)，火焰穩(wěn)定范圍較小，當(dāng)量比或熱負(fù)荷發(fā)生較小變化時(shí)，都有可能發(fā)生回火.在以固體紅外輻射為主要加熱方式的情況下，當(dāng)量比大于1的工況無(wú)疑造成了能源的浪費(fèi).因此，工業(yè)應(yīng)用的燃燒裝置不宜采用單層結(jié)構(gòu)，且穩(wěn)定燃燒工況的當(dāng)量比應(yīng)當(dāng)接近于1，燃燒反應(yīng)盡量在泡沫陶瓷內(nèi)完成.且根據(jù)泡沫陶瓷構(gòu)造分析，上游宜采用小孔介質(zhì)，下游宜采用大孔介質(zhì).

2.3 雙層泡沫陶瓷穩(wěn)定燃燒結(jié)果及分析

為了獲得當(dāng)量比接近于1的穩(wěn)定燃燒工況，采用了雙層泡沫陶瓷構(gòu)造并考察其回火特性，基于泡沫陶瓷構(gòu)造原理分析，上游小孔區(qū)選用60 PPI 多孔介質(zhì)，下游大孔區(qū)選用25 PPI多孔介質(zhì).

表2為雙層泡沫陶瓷構(gòu)造的燃?xì)饧t外輻射裝置穩(wěn)定工況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.可以看出，對(duì)于雙層泡沫陶瓷燃燒裝置，在熱負(fù)荷為135和144 kW/m2時(shí)，可以調(diào)節(jié)當(dāng)量比到接近于1的工況.此時(shí)的泡沫陶瓷板板面溫度仍在干燥工藝要求的范圍內(nèi)，理論上增加熱負(fù)荷，可以進(jìn)一步提高板面溫度.但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，增加熱負(fù)荷時(shí)，穩(wěn)定燃燒的工況對(duì)應(yīng)的當(dāng)量比均大于1；這種情況下，燃?xì)庖徊糠衷诙嗫捉橘|(zhì)內(nèi)部燃燒，另一部分在多孔介質(zhì)面板進(jìn)行表面燃燒.這說(shuō)明，對(duì)于任意的熱負(fù)荷情況，在多孔介質(zhì)內(nèi)部單位體積內(nèi)的熱負(fù)荷存在極限值，高于該極限值將會(huì)發(fā)生回火.因此，對(duì)于某一特定構(gòu)造的泡沫陶瓷燃?xì)饧t外輻射裝置，存在一個(gè)最優(yōu)的熱負(fù)荷和板面溫度值組合，并非單純的依靠提高熱負(fù)荷來(lái)調(diào)節(jié)板面溫度.

表1 單層構(gòu)造穩(wěn)定燃燒工況組合

表2 雙層構(gòu)造穩(wěn)定燃燒工況組合

另外，對(duì)比表1和表2，可以看出，在相同大孔泡沫陶瓷板規(guī)格參數(shù)下，雙層燃燒裝置的負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍有所增大，這是由于上游小孔介質(zhì)的存在，下游燃燒區(qū)的熱量可以通過(guò)導(dǎo)熱和輻射的作用傳遞到上游，有效預(yù)熱了氣體，燃燒強(qiáng)度增大，從而負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍也增大.

2.4 板面均勻性與板面最高溫度

板面溫度均勻性是燃燒裝置工業(yè)應(yīng)用中的重要因素，板面溫差過(guò)大將嚴(yán)重縮短其使用壽命.為了考察板面溫度均勻性，采用熱像儀對(duì)穩(wěn)定工況的板面溫度分布進(jìn)行了測(cè)定.在熱像儀測(cè)溫過(guò)程中需要對(duì)黑度進(jìn)行設(shè)定，本文黑度的確定方法為：首先查閱相關(guān)資料獲得大概的黑度值并進(jìn)行預(yù)設(shè)定，然后啟動(dòng)燃燒器和熱像儀，在多孔介質(zhì)面板選取特定的點(diǎn)，分別用熱像儀和接觸式熱電偶測(cè)溫，通過(guò)比較二者溫差修正熱像儀黑度值.圖3所示是280 kW熱負(fù)荷、當(dāng)量比1.44時(shí)單層燃燒裝置穩(wěn)定工況下板面溫度分布圖，材質(zhì)為SiC，孔徑35 PPI，厚度35 mm.

從圖3中可以看出，板面溫度分布均勻，通過(guò)4個(gè)設(shè)置點(diǎn)所測(cè)得的板面溫差范圍為為23 ℃，板面最高溫度為928 ℃.

圖4所示是140 kW熱負(fù)荷、當(dāng)量比0.9時(shí)雙層燃燒裝置穩(wěn)定工況下板面溫度分布圖，材質(zhì)構(gòu)造為：小孔SiC，孔徑60 PPI，厚度25 mm；大孔ZrO2，孔徑25 PPI，厚度35mm.

可以看出，無(wú)論是雙層結(jié)構(gòu)還是單層結(jié)構(gòu)，所設(shè)計(jì)的燃燒器板面溫度均勻性均滿足要求，表明了本設(shè)計(jì)在氣流均布方面是合理的.

圖3 SiC輻射板溫度分布圖Fig.3 Temperature profiles of SiC radiation plate

圖4 雙層構(gòu)造 ZrO2輻射板溫度分布圖 Fig.4 Temperature profiles of ZrO2 radiation plate of double layer structure

2.5 燃燒不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)與分析

實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的不穩(wěn)定現(xiàn)象主要表現(xiàn)為燃燒出現(xiàn)回火趨勢(shì)、燃燒不均勻等.

在燃?xì)饬髁恳欢〞r(shí)，慢慢增加空氣流量，燃燒越來(lái)越均勻，面板溫度越來(lái)越高，但到達(dá)某個(gè)值后再增加時(shí)，面板火焰面亮度突然變暗，判斷為火焰面迅速向上游移動(dòng)，出現(xiàn)回火趨勢(shì).表3所列舉的是雙層燃燒裝置中SiC作為大孔材質(zhì)時(shí)不同操作參數(shù)下所觀察到的典型燃燒現(xiàn)象(由于雙層結(jié)構(gòu)所有的小孔材質(zhì)全部為SiC，故此處及后續(xù)僅給出大孔區(qū)材質(zhì)).

從表3中可以看出，在當(dāng)量比接近1時(shí)很容易產(chǎn)生回火趨勢(shì)，當(dāng)量比大于1.37時(shí)燃燒容易穩(wěn)定，說(shuō)明欠氧燃燒可以有效地防止燃燒火焰面的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定.原因是當(dāng)量比接近1時(shí)，燃?xì)馊紵龝?huì)釋放出最大的反應(yīng)熱，反應(yīng)區(qū)域的氣體溫度迅速升高，并通過(guò)對(duì)流方式加熱反應(yīng)區(qū)的多孔介質(zhì)，溫度較高的多孔介質(zhì)通過(guò)輻射和導(dǎo)熱作用迅速將熱量向上游和下游傳遞，使得預(yù)混氣體得到了更有效的預(yù)熱，輻射面板溫度亦升高.然而預(yù)熱的預(yù)混氣體溫度升高到一定程度，更易使預(yù)混氣體在交界面靠近上游位置處達(dá)到著火點(diǎn)溫度而燃燒，導(dǎo)致火焰面向上游傳遞，出現(xiàn)回火趨勢(shì).因此，為避免回火，一方面保持微欠氧燃燒，另一方面需要降低燃燒裝置的熱負(fù)荷.

表3 典型的燃燒現(xiàn)象

圖5所示的是雙層燃燒裝置中SiC作為大孔材質(zhì)時(shí)預(yù)混氣體在相同的操作參數(shù)下(燃?xì)饬髁繛?.75 m3/h，當(dāng)量比為1.53)輻射面板所呈現(xiàn)的兩種明顯不同的燃燒情況.圖5b是圖5a輻射面溫度分布圖.5a圖輻射面板表面溫度分布很均勻，區(qū)域的最高溫度達(dá)到912 ℃；但5c圖卻出現(xiàn)了燃燒不均勻的現(xiàn)象，表現(xiàn)為燃?xì)庵辉诳肯路降囊粔K小圓形區(qū)域中燃燒.這是由于不合理的操作參數(shù)，造成泡沫陶瓷內(nèi)部產(chǎn)生裂縫或破碎，使得多孔介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生突變，出現(xiàn)燃燒不均勻現(xiàn)象.因此泡沫陶瓷材料內(nèi)部骨架的高溫強(qiáng)度應(yīng)是材料開發(fā)及選用的關(guān)鍵參數(shù).

圖5 SiC在燃?xì)饬髁?.75 m3/h，當(dāng)量比1.53時(shí)兩種燃燒情況 Fig.5 The two combustion conditions of SiC radiation plate at Qfuel=3.75 m3/h and Φ =1.53 (a)—均勻燃燒； (b)—均勻燃燒溫度分布； (c)—不均勻燃燒

2.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)理論模型的驗(yàn)證和修正

文獻(xiàn)[9]通過(guò)數(shù)值計(jì)算認(rèn)為火焰在多孔介質(zhì)內(nèi)可能存在兩個(gè)穩(wěn)定位置，靠近下游的火焰穩(wěn)定位置可以穩(wěn)定足夠長(zhǎng)的時(shí)間，然后會(huì)逐漸移向靠近上游的穩(wěn)定位置.本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，某種工況下(如單層ZrO2結(jié)構(gòu)，280 kW熱負(fù)荷，當(dāng)量比0.9)，火焰在前期能穩(wěn)定在靠近下游位置一定時(shí)間(9 min)，然后會(huì)向上游移動(dòng)發(fā)生回火，這也間接驗(yàn)證了文獻(xiàn)[9]的結(jié)論，也是本實(shí)驗(yàn)將火焰在某個(gè)位置穩(wěn)定燃燒超過(guò)10 min不回火認(rèn)為該工況下可以穩(wěn)定燃燒的原因.

眾多研究者通過(guò)理論研究認(rèn)為，多孔介質(zhì)孔密度大于50 PPI時(shí)，由于多孔介質(zhì)的猝熄效應(yīng)，火焰在多孔介質(zhì)內(nèi)部將無(wú)法燃燒.為了驗(yàn)證這一結(jié)論，選用單層60 PPI的多孔介質(zhì)進(jìn)行燃燒，通過(guò)調(diào)節(jié)空氣和燃?xì)饬髁浚霈F(xiàn)如圖6所示現(xiàn)象，表面變暗，火焰下移，在多孔介質(zhì)內(nèi)部形成火焰.經(jīng)分析，主要有以下可能：(1)多孔介質(zhì)孔密度不符合要求；(2)多孔介質(zhì)在燃燒過(guò)程中，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)被破壞，使得火焰能夠在多孔介質(zhì)內(nèi)部形成；(3)多孔介質(zhì)密度大于50 PPI時(shí)，仍有可能發(fā)生燃燒反應(yīng)，當(dāng)前的多孔介質(zhì)數(shù)學(xué)表述需要進(jìn)一步完善.如果不考慮第一條可能，對(duì)于當(dāng)前的多孔介質(zhì)內(nèi)的燃燒傳熱模擬，需要做以下改進(jìn)：(1)數(shù)學(xué)模型中引入多孔介質(zhì)材料的強(qiáng)度模型和孔隙失效模型，以更好地與實(shí)際工業(yè)應(yīng)用相符合；(2)完善多孔介質(zhì)微觀孔隙結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)描述，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其準(zhǔn)確性.

圖6 單層60 PPI泡沫陶瓷內(nèi)部產(chǎn)生火焰情況 Fig.6 Flame inside 60 PPI foam ceramic of single layer structure

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)帶鋼涂層干燥工藝的要求，通過(guò)對(duì)不同材質(zhì)和規(guī)格下的單層和雙層大型泡沫陶瓷燃?xì)饧t外輻射裝置進(jìn)行研究，可得出以下結(jié)論：

(1)相比于Al2O3，SiC和ZrO2均表現(xiàn)出優(yōu)良的可穩(wěn)定使用特性.在相同的規(guī)格參數(shù)下，雙層燃燒裝置表現(xiàn)更優(yōu)，具有較大的負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍.

(2)實(shí)驗(yàn)測(cè)得了若干種穩(wěn)定燃燒工況，穩(wěn)定燃燒工況下板面溫度分布較為均勻，實(shí)際應(yīng)用中的操作參數(shù)在穩(wěn)定燃燒工況附近可獲得安全穩(wěn)定的燃燒.

(3)不同構(gòu)造的燃燒裝置，存在一個(gè)合理的熱負(fù)荷及當(dāng)量比范圍.對(duì)于單層多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)，所有穩(wěn)定的工況均在當(dāng)量比大于1的情況下獲得.對(duì)于雙層多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)，在熱負(fù)荷為135和144 kW/m2時(shí)，可以調(diào)節(jié)當(dāng)量比到接近于1的工況，此時(shí)的泡沫陶瓷板板面溫度仍在干燥工藝要求的范圍內(nèi).對(duì)于熱負(fù)荷在280 kW/m2及以上的燃燒工況，當(dāng)量比接近1時(shí)很容易產(chǎn)生回火趨勢(shì)，當(dāng)量比大于1.37時(shí)燃燒容易穩(wěn)定，說(shuō)明欠氧燃燒可以有效地防止燃燒火焰面的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定.

(4)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于當(dāng)前多孔介質(zhì)內(nèi)的燃燒傳熱模擬，建議在數(shù)學(xué)模型中引入多孔介質(zhì)材料的強(qiáng)度模型和孔隙失效模型，建議完善多孔介質(zhì)微觀孔隙結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)描述.

綜上，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的燃燒裝置可基本滿足工業(yè)應(yīng)用.然而，為了獲得更好的工業(yè)應(yīng)用效果，還需在以下方面做進(jìn)一步的研究，如：不同多孔介質(zhì)材料高溫使用壽命問(wèn)題，爐內(nèi)高溫環(huán)境下多孔介質(zhì)表面溫度分布情況，不同多孔介質(zhì)排布方式下爐內(nèi)傳熱與流動(dòng)問(wèn)題等.這些問(wèn)題的解決需要一系列的實(shí)驗(yàn)研究和理論研究，希望本文的研究能在推動(dòng)工業(yè)爐窯的技術(shù)升級(jí)和節(jié)能改造方面起到拋磚引玉的效果.

[1]楊曉東. 三種加熱裝置在帶鋼涂層中的應(yīng)用[J]. 工業(yè)加熱, 2010, 39(6): 51-54. (Yang Xiaodong. Application of three heating devices in coating of strip steel[J]. Industrial Heating, 2010, 39(6): 51-54.)

[2]Susie Wood, Andrew T Harris. Porous burners for lean-burn applications[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2008, 34(5): 667-684.

[3]Kamal M M, Mohamad A A. Combustion in porous media[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 2006, 220(5): 487-508.

[4]Amanda J Barra, Guillaume Diepvens, Janet L Ellzey,etal. Numerical study of the effects of material properties on flame stabilization in a porous burner[J]. Combustion and Flame, 2003, 134: 369-379.

[5]Wood S, Harris AT. Porous burners for lean-burn applications[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2008, 34:667-684.

[6]Promeos Gmbh- Burner, Germany [EB/OL]: http://www.promeos.com/cms/front_content.php?idcat=149.

[7]Maxon-Honeywell, American [EB/OL]: https: //maxoncorp.com/products/lownoxburners/radmax-ultra-low-nox-radiant-line-burners/?back=product.

[8]Shoei-Burner, Japan [EB/OL]: http://jp.shoei.com/.

[9]Zhdanok S A , Dobrego K V, Futko S I. Flame localization inside axis-symmetric cylindrical and spherical porous media burners [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1998, 41:3647-3655.

Study on foam ceramic infrared radiation device for steel strip coating drying

Xu Xuecheng, Chen Yuanyuan, Li Benwen, Tan Wanping

(State Key Laboratory of Refractories and Metallurgy，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081,China)

A large foam ceramic infrared radiation device for the steel strip coating drying process was developed. The effective radiation area of the device was 360 mm×360 mm. A special gas mixer and a double layer air distributor were designed to ensure the temperature uniformity. Experiments were carried out to determine the heat load and corresponding equivalence ratio range under stable combustion condition. Based on the analysis of experimental results, some optimum parameters were obtained, Compared with the theoretical models the combustion instability and the experimental results were discussed.

strip coating drying; foam ceramic; infrared radiation device; experimental study

10.14186/j.cnki.1671-6620.2017.03.014

TK 223.23

：A

：1671-6620(2017)03-0232-07