杜文智,李凱華,茍遠波,吳 迪,魯思達,郭小虎
(1.西安航天源動力工程有限公司,陜西 西安 710100;2.西安航天動力研究所,陜西 西安 710100)
鋁熔煉爐是鋁加工工業(yè)中生產(chǎn)鋁合金的重要設備,其中使用最廣泛的是反射式熔鋁爐。鋁和鋁合金在熔鋁爐中各工藝過程的能耗、溫度情況如圖1所示[1]。鋁液升溫過程是整個工藝過程的最后一步,此時對熱負荷的需求大幅減少,但是爐膛熱負荷較高,鋁液溫度上升很快,極易過熱,出現(xiàn)鋁燒損的問題[2],因此對鋁液升溫過程傳熱特性的研究很有必要。
圖1 熔鋁爐工藝過程的能耗溫度關(guān)系
本文以30 t的圓型熔鋁爐作為原型,對液態(tài)鋁加熱過程的傳熱模型進行如下設置,以及必要的假設:熔鋁爐為直徑5.4 m、高2 m的圓柱體。鋁液布滿爐膛底部且占據(jù)了下部0.5 m的空間,與之對應,煙氣占據(jù)爐膛上部1.5 m的空間。熔鋁爐保溫性能良好,忽略散熱。鋁液不與熔鋁爐底部換熱,只受到來自煙氣的對流換熱、煙氣和爐壁的輻射換熱。
傳熱模型簡圖如圖2所示。
圖2 傳熱模型簡圖
鋁液的受熱功率見下式:
Q總=Qdl+Qlb+Qyq
(1)
式中,Q總和Qdl、Qlb、Qyq分別代表鋁液總吸熱功率和熔鋁爐煙氣對流傳熱功率、爐壁輻射傳熱功率、煙氣輻射傳熱功率(kW)。
1.2.1 煙氣對流傳功率Qdl
煙氣對流的傳熱模型按橫略平板[3]方式考慮,可由以下公式計算。
Qdl=hdl×△T×F1
(2)
hdl=Nu×λyq/lt
(3)
△T=Tlt-Tly
(4)
式中,λyq為天然氣燃燒煙氣導熱系數(shù),根據(jù)煙氣成分可知其為0.098 W/(m·K)。lt為特征長度,按爐膛半徑考慮,為2.7 m。根據(jù)《傳熱學》[3]可以算得Nu數(shù)為105.99。hdl為對流換熱系數(shù),根據(jù)以上參數(shù)可得為3.83 W/(m2·K)。
鋁液溫度Tly取初始熔化溫度660℃和熔池最終溫度760℃(圖1)[1]的平均值,即710℃。文獻[4]敘述爐膛溫度為1200℃,因此△T為490℃。
F1為鋁液輻射表面積,與爐膛截面積相同,為22.90 m2。
將以上參數(shù)帶入式(2)計算得出煙氣對鋁液的對流傳熱功率Qdl為43.00 kW。
1.2.2 爐壁輻射功率Qlb
鋁液接收到的爐壁輻射功率的計算公式為:
Qlb=εlb×F1×σ0×(Tlb4-Tly4)×X1,2×εly
(5)
式中,εlb和εly是爐壁內(nèi)表面和鋁液表面黑度;σ0是黑體輻射常數(shù),值為5.67×10-11kW/(m2·K4);Tlb是爐壁的溫度(K);X1,2是爐壁對鋁液的輻射角系數(shù)。
依據(jù)文獻[5]內(nèi)容,爐壁溫度在860.08℃到1071.2℃范圍,因此Tlb取1273K;1.2.1節(jié)中已經(jīng)說明Tly為710℃,即983K。鋁液發(fā)出的輻射都被爐壁吸收,因此鋁液對壁面的輻射角系數(shù)為1。則壁面對鋁液的輻射角系數(shù)可用下式表示X1,2:
X1,2=F1/F2
(6)
式中,F(xiàn)2為爐膛上表面與未被鋁液浸沒的側(cè)表面(即內(nèi)壁靠上的1.5 m部分)面積之和,即48.35 m2。帶入數(shù)據(jù)可得角系數(shù)X1,2為0.47。
根據(jù)文獻[2]所述,鋁液表面黑度εly為0.33。根據(jù)文獻[3]推薦的壁面溫度和爐壁黑度之間的擬合公式,當爐壁溫度Tlb為1273K,即1000℃時,爐壁表面黑度εlb為0.607。
εlb=0.8873-8×10-5×t-2×10-7×t2
(7)
需要注意的是,上式中爐壁溫度t的單位為℃。
將上述參數(shù)帶入式(5),可知爐壁輻射功率Qlb為209.73 kW。
1.2.3 煙氣輻射功率Qyq
煙氣輻射傳熱可由下式求得:
Qyq=εyq×F1×σ0×(Tlt4-Tly4)×εly
(8)
εyq=1-e-(kq×r×P×S)
(9)
kq=10×((0.78+1.6×rH2O)/(10×Pq×S)0.5-0.1)×(1-0.37×Tlt/1000)
(10)
式中,爐膛溫度Tlt、鋁液溫度Tly、鋁液表面黑度εly在以上分析中已知。
爐內(nèi)分壓P取為0.101325 MPa。根據(jù)煙氣成分,水蒸氣體積分數(shù)rH2O為17%;三原子分子(CO2和水蒸氣)占比r為25%,對應分壓Pq為0.025 MPa,爐膛有效輻射層厚度S是爐膛體積與爐膛輻射內(nèi)表面積之比的3.6倍,即2.56 m。因此kq為5.50,煙氣黑度εyq為0.30,Qyq為487.04 kW。
綜合以上參數(shù),計算得到鋁液收到的熱量為739.78 kW,并將所有數(shù)據(jù)匯總,見表1。
表1 鋁液吸收熱量匯總(kW)
鋁液加熱過程中,總換熱量大約為740 kW。輻射換熱明顯占據(jù)主導位置,煙氣輻射又是輻射中的主要換熱方式,占總換熱的65.84%。煙氣對流換熱占比只有5.81%,非常小,基本可以忽略。
同一爐型中,與固態(tài)鋁錠升溫過程相比,鋁液升溫過程所需的熱量較少,但吸熱功率較大,因此加熱時間較短。煙氣對流換熱功率占比太小,火焰沖擊增強傳熱的方式可以弱化。在做好保溫的前提下,可減少天然氣用量甚至不投入天然氣,利用爐內(nèi)余熱對鋁液加熱,從而實現(xiàn)節(jié)約能源的目的。
鋁液加熱過程熱功率較大,加熱速率較快,須控制好爐內(nèi)整體換熱情況,避免局部超溫。在控制鋁料燒損率滿足要求的前提下,盡可能提高爐溫,加強輻射換熱。
從以上傳熱模型計算及分析可知,熔鋁爐內(nèi)鋁液升溫階段的傳熱過程以輻射換熱為主,煙氣輻射傳熱又是輻射換熱的主要部分(約占到總換熱的65.84%)。從節(jié)能角度考慮,熔鋁爐在設計和操作時可通過減少天然氣用量甚至不投入天然氣,采用煙氣余熱加熱的方式實現(xiàn)鋁液加熱。在控制鋁料燒損率滿足要求的前提下,盡可能提高爐溫,加強輻射換熱。該結(jié)論可以作為工程設計的理論基礎,用于指導未來的工程設計。