謝進明,郝兆龍,邢玉明,衛(wèi)文峰

(1.北京瑞晨航宇能源科技有限公司,北京 100191; 2.北京航空航天大學,北京 100191;3.上海梅山鋼鐵股份有限公司,江蘇 南京 430083)

中國是鋼鐵大國,每年生產鋼鐵都會消耗大量能源。在鋼鐵生產過程中加熱爐是不可或缺的重要設備,近年來,由于人們對環(huán)保問題的關注度越來越高,對加熱爐排放的要求也越來越嚴格,提高熱效率,減少污染物排成為了研究加熱爐的重要主題,針對加熱爐進行建模,通過數(shù)值模擬的方法分析加熱爐加熱鋼坯的實際過程已成為加熱爐研究的重要方法。

國內外對于加熱爐加熱鋼坯的數(shù)值研究已經(jīng)有了一定的基礎。Kim等人[1-3]考慮了湍流流動和輻射傳熱,在給定鋼坯溫度下進行穩(wěn)態(tài)傳熱計算,研究了板坯的吸收和發(fā)射率等參數(shù)對其傳熱特性的影響;Chakraborty[4]等計算了燃煤加熱爐內燃燒流動和傳熱,應用迭代方法模擬爐氣和鋼坯的傳熱過程;Han[5-8]等人模擬了加熱爐內非穩(wěn)態(tài)燃燒過程和鋼坯加熱特性,通過考慮板坯和爐壁的輻射傳熱,預測了加熱爐的熱效率;Tang[9]等建立了瞬態(tài)三維模型,應用UDF 實現(xiàn)了鋼坯運動;Dubey[10]等在模擬加熱時加入了氧化燒損模型;Gu[11]等以蓄熱式加熱爐為研究對象研究了瞬態(tài)的換向燃燒過程;Mayr[12]等將氣相燃燒與固相燃燒相互耦合,運用穩(wěn)態(tài)模擬的方法研究鋼坯的周期性加熱。國內對于加熱爐加熱鋼坯的數(shù)值研究一般有三種方式,一種是分開進行研究,首先單獨研究加熱爐,然后根據(jù)加熱爐的情況設定鋼坯的邊界條件研究其升溫過程。金明[13]等人針對板坯進行建模,通過設置板坯的邊界條件模擬其加熱過程,研究表明板坯加熱時要適當減少均熱溫度,縮短均熱時間。第二種方法是分段進行研究,對加熱爐預熱段,一級加熱段,二級加熱段和均熱段分別進行建模模擬用前一段結束時的工況作為下一段開始的工況。馮亮花[14]等人建立了板坯加熱二維模型,采用分段模擬的方法模擬了板坯在加熱爐各段的升溫情況,研究表明鋼坯角部溫度最高,延長均熱時間有利于鋼坯溫度的均勻分布;第三種方法是兩者結合,研究整體的加熱爐加熱鋼坯過程,這種方法更加貼合實際,目前采用的也較多,但是大都是二維網(wǎng)格:如王靜宇[15]等人針對異性坯進行了二維建模,研究了異性坯在加熱時,表面熱流分布規(guī)律和爐圍黑度對異型坯加熱過程及排煙溫度的影響?；蛘呤菍θ紵鬟M行了極大的簡化,直接簡化成兩個圓筒,一個進燃氣,一個進空氣,如:姜天馳[16]等人以實驗室規(guī)模具有中間輻射體的室狀加熱爐為研究對象研究了中間輻射體對鋼坯升溫速率的影響;齊鳳升[17]等人采用動網(wǎng)格方法模擬鋼坯運動,研究了加熱爐內墊塊對鋼坯溫度分布的影響。

目前,對于加熱爐的研究往往忽視燃燒器結構的影響,只研究加熱爐內的傳熱過程。而燃燒器作為加熱爐的核心部件,其技術水平直接決定了加熱爐的加熱性能?；诖?本文從燃燒器出發(fā),以一種新型燃料分級燃燒器為核心,以某鋼廠1422號線3號爐為研究背景,建立了1∶1全尺寸加熱爐模型。采用穩(wěn)態(tài)模擬與瞬態(tài)模擬結合的方法研究了鋼坯靜止在加熱爐均熱段時的加熱過程,得到了鋼坯的溫度分布情況,為后續(xù)的研究奠定基礎。

1 數(shù)學模型

1.1 幾何模型

本文針對某鋼廠1422號線3號爐進行1∶1全尺寸的建模,圖1為加熱爐帶鋼坯的幾何模型,爐子總長為50 200 mm,其中預熱段長4 820 mm,布置有4對燃燒器,一級加熱段長8 612 mm,布置有8對燃燒器,二級加熱段長8 342 mm,布置有8對燃燒器,均熱段長9 747 mm,側面布置有4對燃燒器,頂部布置有30臺燃燒器。

圖1 全爐模型圖

由于均熱段燃燒器布置復雜,既有橫向布置的燃燒器,又有豎直布置的燃燒器,為了更全面地探究鋼坯的升溫情況,將鋼坯擺放在均熱段兩排燃燒器之間,具體位置如圖1中方框中顯示區(qū)域,鋼坯底面距加熱爐底部2 500 mm,距加熱爐左側2 000 mm,鋼坯尺寸為1 050 mm×9 400 mm×210 mm,入爐溫度為300 K。

加熱爐所用的燃燒器是新研發(fā)的矩形燃料分級燃燒器,如圖2所示,有三個進氣口,空氣從空氣進口進入后少部分通過零級通道上的小孔與零級燃氣混合進行燃燒,大部分直接流入爐膛,燃氣除了點火所用的燃氣從零級通道進入,其余燃氣從一級燃氣進口流入分兩級流出在爐膛內與空氣混合進行燃燒。為了保證爐內的氣體流動盡可能地還原實際情況本文在模擬時沒有對燃燒器進行大的簡化。

圖2 燃燒器模型

1.2 基本控制方程

加熱爐內氣體的流動和傳熱滿足質量守恒方程,動量守恒方程以及能量守恒方程:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:ρ為密度,kg/m3;t為時間,s;u為速度,m/s;下標i,j為i,j方向上的分量,m/s;P為微元體所受到的壓力,Pa;Fi為體積力;τij為黏性應力,N;T為溫度,℃;k為導熱系數(shù),W/(m·℃)。

1.3 計算模型

加熱爐內煙氣流動的雷諾數(shù)為6.7×105,為湍流流動,所以采用湍流模型,本文采用運用較多的k-ε模型進行湍流模擬,其中Realizablek-ε模型和標準的k-ε模型相比能更好地模擬復雜的流體流動,所以本文選擇Realizablek-ε模型作為湍流模型。

組分輸運模型采用有限速率模型,燃燒采用組分輸運模型中的渦耗散(ED)模型進行模擬,本文使用的燃料成分如表 1所示,燃燒過程的反應機理由反應方程式(6)～式(11)控制。

表1 燃料組分 %

H2+0.5O2=H2O

(6)

CH4+2O2=CO2+2H2O

(7)

CO+0.5O2=CO2

(8)

C2H4+3O2=2CO2+2H2O

(9)

C2H6+3.5O2=2CO2+3H2O

(10)

C3H6+4.5O2=3CO2+3H2O

(11)

離散坐標輻射(DO)模型求解范圍涵蓋整個光學深度,且適用于動網(wǎng)格的計算,由于后續(xù)需要加上動網(wǎng)格再進行模擬,所以本文也采用該輻射模型進行初步模擬。

1.4 邊界條件設置

本文針對加熱爐和鋼坯進行了1∶1的全尺寸建模,使用ANSYS Fluent軟件進行模擬,模擬中每個燃燒器的進氣情況相同,單個燃燒器的燃氣流量為1 000 m3/h(標準),過剩系數(shù)均為1.2。所有的進口邊界均采用速度進口邊界,具體的設置如表2所示。出口采用壓力出口,壁面為標準壁面條件,熱量邊界條件為恒定熱流-5 000 W/m2。

表2 工況參數(shù)

2 模擬結果驗證

2.1 網(wǎng)格無關性驗證

本文采用Fluent Meshing來進行網(wǎng)格劃分,運用單體燃燒和對燒模擬的網(wǎng)格劃分方式對加熱爐進行網(wǎng)格劃分,最終劃分出的網(wǎng)格數(shù)量為5 050 w,網(wǎng)格最小正交質量為0.13,滿足計算要求。

本文針對全爐模型采用的是一比一的建模方式,模型的尺寸較大,最關鍵的是模型復雜,燃燒器多而且燃燒器內有很多小孔,所以劃分出的網(wǎng)格數(shù)多,有5 050 w,如果直接用該模型進行網(wǎng)格無關性驗證需要耗費大量的時間及資源。依據(jù)之前的對燒模擬和單體燃燒器模擬的網(wǎng)格無關性驗證結果,對燒模擬采用單燒模擬網(wǎng)格無關時的網(wǎng)格劃分方式得到的網(wǎng)格其模擬結果也是網(wǎng)格無關的,所以本文的模擬也采用該網(wǎng)格劃分方式。

2.2 實驗驗證

之前針對單體燃燒器的進行過工程實驗測試,燃燒器模型如圖3所示,模擬所用的模型是按照該實物模型1∶1建立的,圖4為試驗現(xiàn)場的燃燒實況圖。

圖3 燃燒器實物模型

圖4 燃燒實況

圖5所示為溫度測點分布,在距燃燒器3 m處開始布置熱電偶。沿中軸線每隔0.5 m設置一組熱電偶,在圖中所示中心軸線第1、3、5、7、9和12組熱電偶處沿徑向方向每隔0.5 m設置熱電偶,并在中心軸線第1、3、5和7組熱電偶位置處向上0.5 m及向下0.6m處設置2組豎直方向熱電偶。

圖5 實驗爐內熱電偶布置圖

測量了爐內的溫度分布,并與數(shù)值結果進行比較。100%負荷下空氣過剩系數(shù)為1的爐內中心軸線溫度分布如圖6所示,爐膛火焰溫度最大相對偏差為3.48%。模擬值與實驗值基本一致,驗證了模擬方法的準確性。

圖6 爐膛中心軸線溫度分布

3 結果分析

本文針對加熱爐和鋼坯進行了1∶1全尺寸建模,采用穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)結合的方法,首先用穩(wěn)態(tài)方法模擬了鋼坯絕熱時(即鋼坯不參與傳熱,其溫度恒定為300 K)的加熱爐溫度分布,待其穩(wěn)定后再打開鋼坯的傳熱模型,采用瞬態(tài)方法模擬鋼坯靜止在均熱段時的升溫情況,主要分析了加熱爐內的溫度分布,鋼坯的溫度分布以及鋼坯的升溫過程,結果如下。

3.1 加熱爐內溫度分布

圖7為加熱爐內的溫度分布隨加熱時間的變化,從圖中可以看出,加熱時間越長,爐內溫度越高,溫度分布更加均勻,剛開始加熱時爐內平均溫度為1 724 K,加熱60 min后,平均溫度為1 803.52 ℃。在本文所述工況下,均熱段溫度最高,預熱段和兩個加熱段溫度相同。均熱段溫度過高會增加鋼坯的氧化燒損,所以后續(xù)研究中,均熱段的熱負荷應該要小于兩個加熱段的熱負荷。為了進一步減少鋼坯的氧化燒損,應當盡量降低鋼坯在高溫區(qū)的停留時間,所以預熱段的熱負荷也要小于加熱段的熱負荷。

圖7 加熱爐溫度分布

圖7分別是沿加熱爐長度方向和寬度方向的截面云圖,從圖7中可以看出由于噴射方向的原因,頂部燃燒器噴出的燃氣大部分會通過鋼坯周圍繞到鋼坯的下表面進行加熱,而橫向布置的燃燒器噴出的燃氣主流速度方向為沿加熱爐寬度方向,而沿高度方向的速度很小,只有很少的燃氣會繞過鋼坯到達鋼坯上表面,所以導致鋼坯上表面的煙氣溫度稍低于鋼坯下表面的煙氣溫度。

為了進一步研究鋼坯周圍環(huán)境的溫度分布,截取了鋼坯上下表面所處截面的溫度云圖隨時間的變化情況,如圖8所示。從圖8中可以看出,除了鋼坯的上下表面,鋼坯周圍的環(huán)境溫度幾乎相同,而且隨著加熱時間的改變,兩截面的溫度分布始終保持相同,尤其在加熱60 min后,鋼坯溫度與煙氣溫度一致,加熱爐內除均熱段以外溫度幾乎相同,有利于鋼坯的均勻受熱。但是由于燃燒器噴出的火焰溫度高于周圍煙氣的溫度,而鋼坯的左右兩側此時正好處于火焰中心,所以在鋼坯達到煙氣溫度后會繼續(xù)緩慢升溫,所以均熱時間不能太長。

圖8 鋼坯上下表面所在截面溫度云圖

3.2 鋼坯溫度分布隨時間變化

圖9是鋼坯正視截面在不同加熱時間的溫度分布。從圖9中可以明顯地看出鋼坯底部的升溫要比頂部的升溫速度快,尤其在100 min時,云圖中顯示很明顯,底部區(qū)域已經(jīng)達到1 539 ℃,但是頂部還只達到1 500 ℃。

圖9 鋼坯正面溫度變化圖

如圖10所示,為鋼坯近上表面,近下表面以及中截面在各個加熱時間的溫度云圖。由圖10中也可以明顯看出,鋼坯下表面最先變黃,然后是上表面最后中截面才變黃,進一步說明鋼坯下表面的升溫速率是最快的。結合加熱爐的溫度分析可知,這是由于頂部燃燒器噴出的燃氣會繞到鋼坯下表面,而橫向布置的燃燒器則不會有燃氣繞到上表面,所以鋼坯下表面有兩部分燃氣進行加熱,升溫更快。但是隨著加熱時間的延長,鋼坯各個截面的溫度分布逐漸均勻,最終三個截面的溫度幾乎相同。

圖10 鋼坯上中下表面溫度圖

為了更準確地分析鋼坯的溫度分布情況,截取了鋼坯上,中,下,左,右五個截面的中軸線,分析其溫度分布。圖11～圖13為五條曲線在加熱時間10,60和150 min時的溫度分布情況。從圖11～圖13中可以看出,鋼坯側面的溫度是最高的,這是由于鋼坯擺放位置的影響,鋼坯側面正好被頂部燃燒器噴出的火焰直接加熱,所以溫度高,左側平均溫度為1 172 ℃,右側平均溫度為1 127 ℃。但是加熱時間越長,這一影響越小,加熱60 min時,鋼坯底部的溫度已經(jīng)和左右兩側的溫度差不多了,和左側的平均溫差為9.83 ℃,最終五條曲線的溫度分布比較接近,最大溫差只有32.43 ℃,最大平均溫差只有17.42 ℃。從圖11～圖13中還能看出開始時溫度最低的是中間的軸線,但是加熱時間越長,中間軸線的溫度逐漸接近上面的軸線最終甚至超過上表面軸線的溫度,結合之前的分析可知這是由于底部的溫度較高,鋼坯底部迅速升溫帶著中間的溫度也迅速升高,最終超過頂部的溫度。

圖11 10 min時鋼坯溫度分布曲線

圖12 60 min時鋼坯溫度分布曲線

圖13 150 min時鋼坯溫度分布曲線

均熱段底部溫度較高有利于鋼坯的溫度均勻分布,因為在實際中鋼坯是擺放在橫梁上進行加熱的,在加熱過程中鋼坯與橫梁接觸的面溫度上升最慢,會產生黑印,而均熱段底部溫度高能使鋼坯底部溫度上升得更快,從而平衡這一因素使得鋼坯的溫度分布更加均勻,進一步驗證了該模擬能準確反映實際的加熱情況。

圖14為鋼坯中截面的中軸線上溫度分布隨加熱時間的變化,從圖14中可以看出,開始時鋼坯的溫度分布比較均勻,只有兩端的溫度有些許起伏,溫差為238.611 5 ℃,這主要是由于兩側溫度上升快,中間溫度上升慢,而隨著加熱時間的延長,中軸線上的溫度曲線越來越平,大約60 min時溫度曲線幾乎成一條直線,溫差為26.83 ℃,而此時正好是鋼坯達到目標溫度的時間,所以本文所用的工況既可以保證達到目標溫度,又能保證較好的加熱質量,是合適的加熱工況。

圖14 中截面軸線溫度分布隨時間變化曲線

3.3 鋼坯升溫速率及溫差隨時間變化

圖15為鋼坯上中下三個截面上的平均溫度隨加熱時間的變化,從圖15中可以看出三截面的升溫趨勢相同,升溫速度先增加后減小,最后三截面的溫度相同而且升溫速率很小,曲線斜率幾乎為0。在后續(xù)的模擬中鋼坯在爐子內是勻速運動的,加熱爐全長約50 000 mm,其中加熱段長度為17 000 mm,總加熱時間為150 min,所以主要的加熱時間為51 min(即3 060 s),該工況下加熱到1 200 ℃以上只需要2 100 s,加熱3 000 s時,鋼坯中心溫度已經(jīng)達到1 400 ℃,遠遠超出目標溫度,但是考慮到此時的位于均熱段,煙氣溫度比加熱段高100 ℃左右,所以可以認為目前的工況能滿足加熱條件。

圖15 三截面平均溫度隨時間變化

圖16為鋼坯三個截面之間的溫差隨時間的變化,三截面兩兩之間的溫差都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,其中上下表面的溫差最小因為其最接近煙氣,而兩截面所處的溫度環(huán)境溫差不大,所以兩表面的溫差也很小。依照上文的計算,后續(xù)動網(wǎng)格模擬時,均熱時間為29 min(1 740 s),如果保證鋼坯加熱到目標溫度后正好進入均熱段,那么在本文條件下加熱時間應為1 800 s,均熱時間為1 740 s共3 540 s,此時三截面之間的溫差已經(jīng)非常小,最大溫差只有24.12 ℃,繼續(xù)增加均熱時間,溫差的減小非常有限。

圖16 鋼坯溫差隨時間變化

4 結論與展望

本文針對加熱爐和鋼坯的耦合換熱模型進行了1∶1全尺寸的建模,為了更加吻合實際工藝,盡可能地保留燃燒器的原始特征,劃分了網(wǎng)格數(shù)為5 050 w的大規(guī)模網(wǎng)格,初步模擬了鋼坯靜止在均熱段時的加熱過程,對加熱爐以及鋼坯在加熱過程中的溫度分布進行了分析,得出的結論如下:

(1)通過對該模型鋼坯加熱過程的分析,結果能滿足鋼坯的加熱要求,模型能描述加熱鋼坯時的傳熱過程。

(2)加熱爐加熱鋼坯時均熱段溫度最高,比其他各段高100 ℃,加熱鋼坯時,由于頂部燃燒器噴出的火焰繞過鋼坯對其下表面進行加熱,導致下表面的溫度升高更快。

(3)鋼坯升溫過程中各表面溫差先增大后減小加熱60 min時鋼坯達到目標溫度,且各表面軸線上的平均溫差最小,為9.83 ℃,后續(xù)繼續(xù)加熱時由于均熱段進行了二次加熱,溫差反而增大,最終溫差為17.42 ℃。

(4)本文所述工況條件下,鋼坯達到目標溫度時所用的加熱時間和均熱時間共64 min,與實際估算的時間80 min相差16 min,基本符合實際情況。

(5)本文對以燃燒器為核心研究加熱爐加熱鋼坯的方法進行了初步模擬,驗證了該方法能夠準確描述鋼坯加熱的過程,后續(xù)將繼續(xù)采用該方法進行數(shù)值研究,研究爐膛內的氣氛,燃氣成分以及燃燒器布置等對加熱爐加熱鋼坯的影響,為新型的加熱爐工藝技術開發(fā)做理論基礎。