冀勇，余飛

（中冶南方（武漢）熱工有限公司，湖北 武漢 430223）

1 概述

1.1 背景

某全氫罩式爐加熱罩采用煤氣間接加熱，內(nèi)罩充滿氫氣保護(hù)鋼卷均勻加熱，以滿足薄板光亮退火的要求。爐臺(tái)下方采用強(qiáng)制循環(huán)風(fēng)機(jī)提高爐內(nèi)保護(hù)氣體流速和循環(huán)量，強(qiáng)化爐內(nèi)對(duì)流傳熱，改善爐溫的均勻性，達(dá)到節(jié)能、增產(chǎn)與提高產(chǎn)品質(zhì)量的綜合效果。由于燒嘴高度對(duì)加熱外罩與內(nèi)罩之間煙氣加熱時(shí)內(nèi)外罩壁的溫差存在較大影響，因此，需要進(jìn)行流場(chǎng)模擬仿真確定最佳燒嘴加熱高度。

為了全面、高效并盡可能準(zhǔn)確地模擬罩式爐在熱對(duì)流循環(huán)氫氣的作用下，分析兩種高度燒嘴的火焰溫度對(duì)內(nèi)外罩爐溫、鋼卷溫度均勻性要求，采用計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering，簡稱CAE）技術(shù)方法對(duì)該全氫罩式爐進(jìn)行溫度流場(chǎng)模擬仿真分析。

1.2 分析內(nèi)容及要求

（1）用Solid Edge 軟件對(duì)罩式爐設(shè)備進(jìn)行三維建模，并建立罩式爐氣流本體的流場(chǎng)仿真分析模型。

（2）模擬兩種高度燒嘴加熱時(shí)的罩式爐內(nèi)部溫度均勻性流場(chǎng)分析。

（3）結(jié)合兩種不同高度燒嘴加熱效果，分析內(nèi)外罩熱均勻性，找出燒嘴均布最佳高度位置。

2 技術(shù)資料及數(shù)據(jù)

由于CAE 網(wǎng)格建模為內(nèi)罩、鋼卷、氣體三大部分，重點(diǎn)分析內(nèi)罩熱輻射、熱傳導(dǎo)與對(duì)流。本罩式爐內(nèi)罩材質(zhì)采用AISI 309S 耐熱鋼。其爐體內(nèi)部參數(shù)設(shè)定具體如表1。

3 CAD 模型與CAE 模型

采用Solid Edge 格式的罩式爐鋼結(jié)構(gòu)三維CAD 裝配模型如圖1 所示。其中，零件共460 個(gè)，不重復(fù)零件個(gè)數(shù)為97 個(gè)。

表1 全氫罩式爐相關(guān)參數(shù)

圖1 罩式爐三維CAD 模型1/4 剖面圖

圖2 罩式爐三維CAE 模型半剖圖（含750mm 或1500mm 燒嘴高度）

4 溫度流場(chǎng)分析

4.1 分析的方法

分析方法包括求解器及其相應(yīng)仿真算法的選擇。為了全面且真實(shí)地仿真全氫罩式爐內(nèi)部保護(hù)氣體流場(chǎng)的大小和分布，計(jì)算內(nèi)部氫氣溫度流場(chǎng)以及對(duì)鋼卷部分溫度熱輻射與對(duì)流，分析出兩種高度燒嘴的燃燒火焰對(duì)內(nèi)罩氫氣流場(chǎng)均勻性的差異。因此，根據(jù)該罩式爐結(jié)構(gòu)三維Solid Edge 模型，將罩式爐殼體內(nèi)外氣體與內(nèi)罩等建立網(wǎng)格模型。這里，選用可用于主流通用流體仿真軟件fluent 作為求解器。

4.2 邊界條件的設(shè)置

全氫罩式爐是由上下各6 個(gè)燒嘴均布安裝，設(shè)置了外罩煙氣出口，內(nèi)罩隔斷以及內(nèi)罩鋼卷對(duì)流板、鋼卷和循環(huán)風(fēng)機(jī)組成。因此，該罩式爐可以設(shè)置的進(jìn)出口和墻的邊界條件設(shè)置如表2。

4.3 兩種燒嘴高度-罩式爐流場(chǎng)結(jié)果

（1）750mm 高度燒嘴-罩式爐流場(chǎng)結(jié)果。由于高低燒嘴傾角與轉(zhuǎn)角均不同，這里以出口面作為中心剖面截圖（圖3 ～6）。

表2 罩式爐邊界條件設(shè)置

圖3 750mm 高度燒嘴-罩式爐溫度流場(chǎng)

圖4 750mm 高度燒嘴-罩式爐速度流場(chǎng)

圖5 750mm 高度燒嘴-罩式爐速度矢量圖

（2）1500mm 高度燒嘴-罩式爐流場(chǎng)結(jié)果，如圖7 ～9所示。

圖6 750mm 高度燒嘴-罩式爐速度流線圖

圖7 1500mm 高度燒嘴-罩式爐溫度流場(chǎng)

圖8 1500mm 高度燒嘴-罩式爐速度流場(chǎng)

4.4 主要零部件的結(jié)果分析

由于燒嘴、外罩和內(nèi)罩之間對(duì)溫度均勻性起到了極大作用，因此，非常有必要進(jìn)行拆分單獨(dú)分析每個(gè)零部件溫差、速度等，從而為后續(xù)分析鋼卷加熱溫度均勻性打下基礎(chǔ)。

我們根據(jù)罩式爐本體CAE 仿真分析，已得出所有零部件位置的計(jì)算結(jié)果，表3 歸納了罩式爐在不同燒嘴高度上不同零部件的加熱結(jié)果。

圖9 1500mm 高度燒嘴-罩式爐速度矢量圖

圖10 1500mm 高度燒嘴-罩式爐速度流線圖

可以從表3 中統(tǒng)計(jì)結(jié)果看出：（1）方案1 中，加熱罩內(nèi)襯壁面溫度為727 ～1100℃，溫差373℃；方案2 中，加熱罩內(nèi)襯壁面溫度789 ～1000℃，溫差211℃。說明采用方案2 時(shí)加熱罩內(nèi)襯避免溫度更均勻，不同高度下，內(nèi)襯材料的線收縮率差距小，對(duì)內(nèi)襯工作壽命有直接影響。（2）方案1 中，加熱罩燃燒空間溫度720 ～1100℃，溫差380℃；方案2 中，加熱罩燃燒空間溫度789 ～965℃，溫差176℃。說明方案2 燃燒空間溫度分布更加均勻，進(jìn)而對(duì)內(nèi)罩溫度的均勻分布更有利。由于方案1 中，燃燒區(qū)熱量供給集中，導(dǎo)致燃燒空間溫度局部有1100℃，不利于內(nèi)罩長期安全使用。（3）方案1 中，煙氣出口溫度848℃，方案2 中煙氣出口溫度784℃，說明采用方案2 時(shí)，煙氣出口溫度比方案1 低64℃，排煙管外壁溫度低，能源一次利用率更高，操作環(huán)境相對(duì)更舒適。（4）方案1 中內(nèi)罩壁面溫度672 ～1000℃，溫差328℃；方案2 中內(nèi)罩避免溫度672 ～727℃，溫差55℃。說明方案2 內(nèi)罩溫度均勻，最高溫度727℃比方案1 低273℃，對(duì)內(nèi)罩工作壽命更有利。（5）方案1 和方案2 對(duì)鋼卷加熱溫度均可滿足其要求，但方案2尤佳。

5 結(jié)語

（1）本仿真理論結(jié)合實(shí)際，應(yīng)用有限元法嚴(yán)格根據(jù)三維模型轉(zhuǎn)化有限元仿真模型，參考罩式爐內(nèi)罩AISI309s 材料和罩式爐內(nèi)部氣氛和邊界條件進(jìn)行了計(jì)算分析，計(jì)算了罩式爐在不同高度燒嘴下內(nèi)外罩溫差和速度流場(chǎng)均勻性結(jié)果。

表3 各主要零部件（局部）流場(chǎng)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

（2）本次仿真雖模型簡化了循環(huán)風(fēng)機(jī)和爐臺(tái)，但其內(nèi)部出口網(wǎng)格仍嚴(yán)格根據(jù)風(fēng)機(jī)尺寸來劃分。

（3）從兩種不同高度燒嘴溫度流場(chǎng)圖中可以看出，750mm 高度燒嘴盡管加熱狀態(tài)迅猛，但對(duì)外罩耐材墻壁耐熱要求較高，高溫加熱集中，容易引起局部溫差大，同時(shí)，對(duì)內(nèi)罩內(nèi)部氫氣加熱溫度影響不大。而且從溫度場(chǎng)云圖來看，1500mm 高度燒嘴燃燒時(shí)內(nèi)罩氣流流向?qū)ΨQ且均勻，內(nèi)罩氫氣分層較750mm 高度燒嘴內(nèi)罩明顯，從而對(duì)鋼卷加熱起到了很好的均勻作用。

（4）由于兩種高度燒嘴的罩式爐內(nèi)罩與外面隔絕，只是內(nèi)罩外壁沿?zé)旄叨燃訜岬姆植几叨纫饻夭畈煌^為明顯，對(duì)內(nèi)罩流速影響不大。同時(shí)，煙氣出口拐角容易引起湍流，局部溫度和流速較大，但對(duì)內(nèi)罩影響也不大。

（5）兩種方案對(duì)鋼卷加熱溫度均可滿足其要求，但燒嘴布置間距的不同對(duì)溫度加熱罩內(nèi)壁溫度分布、內(nèi)罩表面溫度均勻性、排煙溫度、退火空間溫度均勻性等均有影響，且從仿真結(jié)果看，方案2 明顯優(yōu)于方案1。