爐膛結(jié)構(gòu)對鋼管淬火爐流動(dòng)與傳熱影響的模擬研究

陶曙明，蘇福永

前言

鋼管淬火爐是鋼管調(diào)質(zhì)工藝中的重要熱工設(shè)備，是用于淬火前加熱鋼管的步進(jìn)式加熱爐，它對物料加熱質(zhì)量的要求比普通軋鋼加熱爐要高。與普通的軋鋼加熱爐相比，鋼管淬火爐有以下不同：首先，普通加熱爐很長，可達(dá)到50 m以上，寬度為5 m左右，而鋼管淬火爐長寬均為15 m左右，近似為方形爐；其次，一般的加熱爐加熱對象為實(shí)心方坯或管坯，而淬火爐加熱對象為空心鋼管，且鋼管很長，非常容易彎曲，因此對爐溫均勻性要求更高；普通加熱爐加熱方式為端燒嘴與側(cè)燒嘴結(jié)合，而鋼管淬火爐為保證鋼管長度方向受熱均勻，燃燒器只安裝在端墻。目前對于普通軋鋼加熱爐的數(shù)值模擬很多，而對于鋼管淬火爐的數(shù)值模擬很少。蕭百佑使用非耦合法分別建立了全爐模型與鋼坯模型，模擬了鋼坯加熱爐內(nèi)流場與溫度場；R Prieler等對鋼坯步進(jìn)式加熱爐模擬時(shí)，爐內(nèi)氣相燃燒采用穩(wěn)態(tài)模型，鋼坯受熱采用非穩(wěn)態(tài)模型分別計(jì)算[1，2]；劉向軍等將鋼坯加熱與爐內(nèi)流場耦合計(jì)算，模擬得到鋼坯步進(jìn)式加熱爐溫度場；歐儉平采用PDF模型與NOx生成模型模擬得到了蓄熱式加熱爐內(nèi)流場與溫度場[3，4]；史煜宏模擬了連續(xù)式鋼管熱處理爐，獲得了鋼管表面熱流曲線[5]。筆者采用Fluent軟件對爐內(nèi)流動(dòng)與燃燒過程進(jìn)行模擬，并通過黑匣子實(shí)驗(yàn)對模型進(jìn)行了驗(yàn)證。同時(shí)對不同爐膛結(jié)構(gòu)下爐內(nèi)物理量場進(jìn)行了模擬研究，對比各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，以期為實(shí)際的爐膛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)。

1　爐膛模型的建立

1.1　物理模型

以某公司的鋼管淬火爐為例，鋼管淬火爐爐膛長14.24 m，爐寬14.8 m，爐膛高度4.2 m，排煙口設(shè)置在預(yù)熱端。

由于鋼管很長，鋼管在爐內(nèi)沿爐寬布置。為防止鋼管因受熱不均長度方向發(fā)生彎曲，將燃燒器全部布置在端墻，其中加熱段布置12個(gè)，相鄰間距1.23 m，均熱段布置10個(gè)，相鄰間距1.5 m。采用的燃料為混合煤氣，燃燒方式為擴(kuò)散燃燒。爐膛結(jié)構(gòu)簡圖如圖1。

圖1　鋼管淬火爐爐膛模型

由于達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)爐內(nèi)鋼管是均勻布置的，為減少計(jì)算成本，本文采用穩(wěn)態(tài)求解器，在爐內(nèi)鋼管運(yùn)動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，將鋼管設(shè)置為固定溫度。爐內(nèi)共布置48根鋼管，相鄰管間距0.296 m，鋼管長12 m，內(nèi)徑76.25 mm，厚度12.65 mm。

使用GAMBIT繪制網(wǎng)格，為在不同區(qū)域劃分不同密度的網(wǎng)格，將全爐切割為多個(gè)體。全爐網(wǎng)格數(shù)130萬左右，鋼管所在處及其附近采用局部加密的網(wǎng)格，如圖2。

圖2　鋼管處網(wǎng)格加密圖

1.2　數(shù)學(xué)模型

發(fā)生在鋼管淬火爐內(nèi)的過程是一個(gè)復(fù)雜的流動(dòng)、燃燒及傳熱的過程。筆者的研究對象為全爐內(nèi)流場、溫度場及壓力場的變化，因此進(jìn)行以下的假設(shè)簡化模型：

發(fā)生燃燒反應(yīng)的范圍相比于爐膛尺寸很小，且本文不重點(diǎn)研究燃燒機(jī)理，因此將燃燒器簡化為同心圓環(huán)；忽略爐墻厚度，將爐墻設(shè)置為定熱流邊界；鋼管在爐內(nèi)勻速運(yùn)動(dòng)，即鋼管在爐位置與在爐時(shí)間與是一一對應(yīng)的。據(jù)此可根據(jù)鋼管溫升曲線設(shè)定爐內(nèi)鋼管溫度。

基于以上假設(shè)，控制方程包括：

連續(xù)性方程：

能量方程：

動(dòng)量方程：

湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，控制方程如下：

由于所述燃燒器為擴(kuò)散燃燒，因此采用非預(yù)混PDF燃燒模型；輻射模型使用DO模型；由于燃燒產(chǎn)生大量CO2與H2O，為輻射參與性介質(zhì)，因此采用WSGGM輻射吸收系數(shù)模型。

1.3　定解條件

入口條件：速度入口，設(shè)定值如表1。

表1　速度入口設(shè)置值

出口條件：出口設(shè)置為壓力出口，出口壓力0 Pa，湍流強(qiáng)度5%，水力直徑1 m。

爐墻壁面邊界條件：無滑移邊界條件，壁面處流體速度為0，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，熱邊界為定熱流邊界。

鋼管壁面邊界條件：無滑移邊界條件，壁面處流體速度為0，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，48根鋼管按照實(shí)際溫度依次設(shè)置為定壁溫邊界，設(shè)定值在第2章測得。

2　管壁溫度與爐氣溫度的實(shí)驗(yàn)獲取

2.1　管壁溫度獲取實(shí)驗(yàn)

為將爐內(nèi)管壁溫度設(shè)置為準(zhǔn)確的壁溫，同時(shí)測得爐氣溫度對模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，對鋼管淬火爐進(jìn)行了埋偶實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)管示意圖如圖3。

圖3　黑匣子實(shí)驗(yàn)管示意圖

在管的內(nèi)部設(shè)置測量點(diǎn)，在接近管表面中部布置1個(gè)測量爐氣溫度的測量點(diǎn)。鋼管上挖出200×150 mm2的小塊，每個(gè)塊上打一個(gè)測試孔，將熱電偶安裝好后焊接上去。

安裝示意圖如圖4。

圖4　熱電偶安裝示意圖

鋼管加熱時(shí)間為39 min，實(shí)驗(yàn)測得的鋼管溫升曲線如圖5。

圖5　鋼管溫升曲線圖

依據(jù)管溫增長曲線，在爐膛模型內(nèi)依次將48根鋼管設(shè)置為定壁溫，設(shè)定值如表2（1～48為鋼管編號(hào)，1#靠近爐子入口端，48#靠近出口端）。

表2　鋼管壁溫設(shè)定值　℃

2.2　模擬爐溫的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了證明構(gòu)建的爐膛模擬模型是可信的，爐膛模型中在與實(shí)驗(yàn)時(shí)熱電偶安裝的相同位置處設(shè)置溫度監(jiān)測點(diǎn)，得到了模擬的爐溫結(jié)果。將FLUENT模擬得到的爐溫結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測得的爐溫進(jìn)行比較如圖6。

圖6　模擬爐溫與實(shí)測爐溫對比

兩條曲線溫度值與溫度趨勢吻合度較高，僅在爐膛入口處實(shí)測溫度較低，這是因?yàn)閷?shí)際生產(chǎn)中頻繁的開關(guān)爐門造成的爐溫?fù)p失。認(rèn)為模擬結(jié)果可信。

3　模擬結(jié)果的分析與爐膛結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

模擬得到的爐溫分布云圖如圖7，壓力分布云圖如圖8，速度矢量圖如圖9。

圖7　爐溫分布圖

圖8　壓力分布圖

從溫度分布云圖（圖7）來看，爐膛上部爐溫明顯高于下部，爐膛底部由于距離燃燒器最遠(yuǎn)，為溫度最低的區(qū)域；從壓力分布云圖（圖8）來看，預(yù)熱段平均壓力高于均熱段與加熱段，爐內(nèi)壓力最高的區(qū)域在爐膛角落處。這是由于氣流在此處碰撞爐墻方向發(fā)生變化，形成局部高壓區(qū)。由于噴出的熱空氣容易上升會(huì)在爐頂角落處形成最高壓。

圖9　速度矢量圖

從流場分布云圖（圖9）來看，燃燒器噴出的氣流大部分經(jīng)煙道直接排出爐外，造成煙氣熱量的浪費(fèi)；一部分會(huì)沿著爐底回流，在流經(jīng)爐底時(shí)受壁面冷卻后降溫，在爐膛尾部穿過鋼管上升，這也是爐溫曲線在爐膛尾部突降的一個(gè)原因。

模擬得到鋼管內(nèi)外表面所受熱流隨時(shí)間變化曲線如圖10。

圖10　鋼管內(nèi)外表面熱流密度

從圖10曲線中可以看出，鋼管外表面熱流值隨入爐時(shí)間不斷減少；內(nèi)壁面熱流值開始略有上升，這是因?yàn)楣軆?nèi)攜帶的冷空氣尚未被完全加熱，此后內(nèi)壁面熱流值開始下降，在爐時(shí)間達(dá)到1000 s后，內(nèi)壁面熱流接近為0；鋼管外表面熱流值為內(nèi)表面10倍左右，即鋼管溫升主要靠外表面受熱。

3.1　燃燒器角度對爐膛流動(dòng)與傳熱的影響

燃燒器安裝傾角對爐內(nèi)溫度場具有重要的影響。為研究不同燃燒器傾角對爐內(nèi)溫度場的影響，本文共設(shè)置了0°，5°，10°，15°四種燃燒器傾角α，如圖11。

圖11　燃燒器傾角示意圖

由于下排燃燒器火焰距離鋼管很近，容易對鋼管表面造成燒損，因此只對上排燃燒器傾角進(jìn)行優(yōu)化。

模擬得到的四種傾角下爐內(nèi)的溫度曲線如圖12。

圖12　不同燃燒器傾角下爐溫曲線

從溫度曲線來看，燃燒器安裝傾角對于爐內(nèi)溫度場是有影響的。當(dāng)燃燒器安裝傾角為0°時(shí)，爐膛的整體爐溫最高。隨著燃燒器傾角的增加，爐膛溫度整體下降。這是因?yàn)闋t膛在加熱段與預(yù)熱段間有一段爐頂?shù)膲合?，傾角為21°，當(dāng)燃燒器傾角為0°時(shí)，高溫?zé)煔鈺?huì)更多的碰撞爐墻，爐墻的壓下段與出口處的端墻對煙氣排出的阻力最大；傾角逐漸向20°增加時(shí)，爐墻壓下段與出口處端墻對煙氣的阻力逐漸減小，高溫?zé)煔鈺?huì)更多的流向煙道出口，造成熱量的浪費(fèi)，導(dǎo)致與爐內(nèi)鋼管的換熱不充分。

為定量描述不同燃燒器傾角下爐內(nèi)加熱效果，本文記錄了四種傾角下鋼管在爐內(nèi)加熱過程表面吸收的平均熱流值如表3。從表中看出，0°傾角下鋼管表面吸收的平均熱流最大；隨著傾角的增大，熱流值減小。

表3　不同傾角下鋼管表面吸收熱流平均值

綜合爐溫及鋼管吸熱效率因素的考慮，認(rèn)為燃燒器0°傾角為最佳方案。

3.2　擋墻對爐膛流動(dòng)與傳熱的影響

由于燃燒器全部安裝在端部，而淬火爐長度僅有15 m左右，因此燃燒器噴出的高溫?zé)煔夂苋菀讖念A(yù)熱段的煙道直接排出，這在速度分布云圖中可以直觀看出。為了使高溫氣體在爐內(nèi)停留時(shí)間更長，換熱更充分，本文在淬火爐預(yù)熱段增加擋墻，阻止高溫?zé)煔獾闹苯优懦鰮鯄ξ恢萌鐖D13。擋墻厚度232 mm，本文共分3種擋墻高度，分別為0.7 m，1 m以及1.3 m，模擬研究擋墻對淬火爐的影響。

圖13　擋墻位置示意圖

模擬得到3種擋墻高度爐內(nèi)溫度曲線與擋墻不存在時(shí)爐內(nèi)溫度曲線對比如圖14。

圖14　不同擋墻高度下爐溫曲線

從曲線中可以看出，擋墻存在時(shí)在預(yù)熱段爐溫低于無擋墻時(shí)爐溫，入爐1 m后開始高于無擋墻下的爐溫。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，是擋墻的存在隔斷了一部分預(yù)熱段與加熱段的爐氣，導(dǎo)致高溫爐氣不能很順利的進(jìn)入預(yù)熱段，從而使預(yù)熱段溫度下降，如圖15；在加熱段，擋墻阻擋了將要進(jìn)入煙道的氣流，高溫?zé)煔馀鲎矒鯄蠡亓髦翣t內(nèi)進(jìn)行充分換熱。此外，擋墻存在會(huì)將爐門與高溫氣體隔開，減少了高溫氣體對爐外的輻射與對流換熱。因此加熱段與均熱段爐膛溫度有明顯升高。從圖14中可以看出，隨著擋墻高度的增加，預(yù)熱段爐溫越低，加熱段與均熱段爐溫越高。

圖15　擋墻存在時(shí)爐內(nèi)溫度分布

為定量描述擋墻存在對鋼管加熱的影響，記錄3種擋墻高度與無擋墻時(shí)鋼管表面在爐內(nèi)吸收的平均熱流值如表4。

表4　不同擋墻高度下鋼管表面吸收熱流值

從表4中可以看出，擋墻的存在可以提高爐氣與鋼管的換熱效率，且隨著擋墻高度的增加，換熱效率增加越明顯。3種擋墻高度下相對于沒有擋墻時(shí)鋼管吸收熱量分別增加了2.64%、3.52%、3.70%。

但擋墻的存在會(huì)使?fàn)t內(nèi)壓力升高。爐內(nèi)壓力過高會(huì)影響爐子的壽命，帶來安全隱患，因此需要追蹤不同擋墻高度下爐內(nèi)最高壓力。3種擋墻高度下爐膛的壓力值如表5。

表5　不同擋墻高度下爐膛壓力值

隨著擋墻高度的增加，爐內(nèi)平均壓力與最高壓力均有明顯增加。

由于擋墻為1.3 m比1 m時(shí)鋼管吸熱量增加很少，但爐內(nèi)最高壓力與平均壓力增加較大，綜合考慮以上兩因素，認(rèn)為擋墻高度為1 m為最優(yōu)方案。

4　結(jié)論

（1）爐膛上部為爐內(nèi)高溫區(qū)，高溫?zé)煔獾牧鲃?dòng)決定了爐膛上部角落處為爐內(nèi)最高壓區(qū)；鋼管外表面吸熱為內(nèi)表面10倍；

（2）燃燒器安裝傾角對爐內(nèi)溫度場有影響，傾角越大，爐溫越低，鋼管吸熱量越低，傾角為0°時(shí)爐溫最高，鋼管吸熱量最大；

（3）擋墻存在會(huì)降低預(yù)熱段爐溫，提高加熱段與均熱段爐溫，增加爐氣與鋼管換熱效率；擋墻高度越高，鋼管吸熱量越大，爐內(nèi)壓力增大，擋墻高度為1 m時(shí)為最優(yōu)方案。

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