軋鋼加熱爐爐內(nèi)隔墻的優(yōu)化布置模擬

王 潔，衛(wèi)文峰，羅桂梅，倪 陽，陸淋淋，李朝祥

(1.上海梅山鋼鐵股份有限公司熱軋廠，江蘇南京210039；2.安徽工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，安徽馬鞍山243002)

連續(xù)式加熱爐爐內(nèi)熱過程包含燃燒、傳熱、氣體流動等復(fù)雜的物理現(xiàn)象和化學(xué)反應(yīng)，爐氣、爐料以及爐壁之間存在復(fù)雜的相互作用[1-2]。無論采取何種爐型和熱工操作，都是為了實現(xiàn)高熱效率、高產(chǎn)量、低排放以及良好的板坯出爐溫度這一最終目標(biāo)[3]。計算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)已成為研究爐內(nèi)流動和傳熱的重要工具[4-6]。Gu等[7]通過模擬板坯加熱過程，同時考慮蓄熱式可逆燃燒過程和板坯運動，得出提高裝料溫度可減小斷面溫差，板坯整體加熱時間明顯縮短；Liu 等[8]開發(fā)UDF(用戶自定義函數(shù)，user-defined function)對某加熱爐板坯加熱特性進(jìn)行數(shù)值分析，提出了提高加熱介質(zhì)溫度均勻性的基本模型；Wang等[9]采用有限體積法(finite volume method，F(xiàn)VM)研究加熱爐內(nèi)板坯的加熱特性，結(jié)果證實在加熱段及均熱段采用6個側(cè)燃燒器的情況下加熱效率更高；Dubey等[10]建立了加熱爐鋼坯加熱的三維瞬態(tài)傳熱模型，該模型能夠預(yù)測任何停留時間下鋼坯的溫度場和氧化皮厚度；Yang等[11]在圖形處理單元(graphical processing unit，GPU)平臺上開發(fā)了步進(jìn)梁式加熱爐并行的數(shù)學(xué)模型，該模型將計算時間從數(shù)小時減少到數(shù)秒，不僅速度快一個數(shù)量級，且精度高。為實現(xiàn)加熱爐分段控溫的供熱要求，在連續(xù)式加熱爐爐膛內(nèi)部會設(shè)置一定數(shù)量的隔墻[12]，但不合理的隔墻結(jié)構(gòu)非但不能起到有效的控溫，甚至?xí)_亂爐膛內(nèi)部氣流流動狀態(tài)，無法實現(xiàn)分段控溫的目的[13]。鑒于此，文中以某公司大型步進(jìn)式軋鋼加熱爐為研究對象，在保證其他結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)不變的條件下，對3種爐內(nèi)隔墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究隔墻結(jié)構(gòu)對加熱爐爐內(nèi)各物理量的影響，以優(yōu)化爐內(nèi)隔墻結(jié)構(gòu)。

1 模型結(jié)構(gòu)及模擬條件

文中模擬的軋鋼加熱爐為某公司大型步進(jìn)式軋鋼加熱爐，有效長度為52 700 mm，寬度為11 700 mm，高度為4 700 mm。加熱爐沿長度方向分為換熱段、預(yù)熱段、第一加熱段、第二加熱段、均熱段。加熱爐采用高、焦、轉(zhuǎn)混合煤氣為燃料，空氣預(yù)熱溫度為660 Κ，煤氣預(yù)熱溫度為550 Κ，各段負(fù)荷分配見表1。

表1 燒嘴位置及流量分配Tab.1 Burner position and flow distribution

鑒于該加熱爐實際運行中爐膛上下壓力偏差大，溫度分布嚴(yán)重不對稱，利用Fluent流體計算軟件對加熱爐爐內(nèi)的溫度場、流場和壓力場進(jìn)行模擬。建立的加熱爐模型為：原加熱爐結(jié)構(gòu)模型；在原加熱爐結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，去除爐底全部隔墻的加熱爐模型(模型1)；在模型1 的基礎(chǔ)上，增設(shè)爐膛上部擋墻的加熱爐模型(模型2)。加熱爐原結(jié)構(gòu)模型、模型1及模型2的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1。將上述3種模型分別采用Gambit軟件建成適用于Fluent計算的網(wǎng)格模型。

1.1 模型假設(shè)

加熱爐實際運行過程復(fù)雜，為使模擬順利進(jìn)行，在保證模型計算精度的前提下，對爐內(nèi)過程作如下簡化[14]：

1)爐內(nèi)傳熱處于穩(wěn)態(tài)工況下；

2)氣體視為不可壓縮氣體，不考慮爐膛內(nèi)的折射和散射情況；

3)輻射傳熱有關(guān)參數(shù)為常數(shù)，爐氣和火焰相關(guān)參數(shù)認(rèn)為是溫度的函數(shù)；

4)不考慮燃燒之外其他的化學(xué)反應(yīng)和變化過程；

5)爐頭、爐尾沒有逸氣或吸風(fēng)情況發(fā)生；

6)爐內(nèi)鋼坯看作連續(xù)固定溫度邊界。

1.2 邊界條件

1)入口條件 煤氣、空氣入口流速按表1中的流量計算，煤氣入口溫度550 Κ，空氣入口溫度660 Κ。除第二加熱段和均熱段采用頂部平焰燒嘴外，其余為側(cè)向燒嘴。

2)出口條件 采用壓力出口邊界條件，邊界類型設(shè)置為pressure-outlet，出口表壓按不同生產(chǎn)條件設(shè)置，以保證爐頭出口處表壓為0。

3)壁面條件 加熱爐爐墻及內(nèi)部隔墻、水梁立柱等均設(shè)置為第一類邊界條件，鋼坯表面為固定溫度邊界。

3個模型的空間域定義為：以加熱爐長度方向為x軸，長度方向的中點為x軸坐標(biāo)原點；高度方向上為y軸，加熱爐水梁表面為y軸原點；爐子寬度方向為z軸，z軸原點位于爐子寬度方向的中心點。

圖1 加熱爐模型結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)Fig.1 Schematic diagram of reheating furnace model(unit:mm)

2 模擬結(jié)果分析

2.1 原加熱爐爐內(nèi)物理場分布

為展示模擬計算結(jié)果，截取加熱爐模型截面z＝0.5 mm 處的縱向截面為例。在表1 所示的低負(fù)荷條件下，加熱爐在原結(jié)構(gòu)參數(shù)不變情況下的溫度場、速度場模擬結(jié)果分別如圖2，3。

圖2 原結(jié)構(gòu)加熱爐縱向截面的溫度分布Fig.2 Temperature distribution of the longitudinal section of original furnace

圖3 原結(jié)構(gòu)加熱爐縱向截面的速度分布Fig.3 Velocity distribution of the longitudinal section of original furnace

從圖2可看出，爐膛上下溫度分布不均勻，尤其在加熱爐尾部，上爐膛的溫度明顯高于下部爐膛。在爐膛尾部沒有供熱的條件下，這種不對稱的溫度分布幾乎無法消除，鋼坯一入爐就受到非對稱加熱。結(jié)合圖3可看出，爐尾部的上部爐膛氣流速度最高達(dá)18.90 m/s，而下部爐膛氣流速度僅為5.76 m/s。加熱段的高溫氣流主要沿著爐膛的上部進(jìn)入爐尾煙道，只有少量的氣流沿下部爐膛進(jìn)入煙道，從而造成爐尾溫度呈上高下低的分布趨勢，主要原因在于上爐膛只有較小的阻力壓降。綜合分析2，3可看出，無論是溫度分布還是速度分布，爐膛氣流分布不均的位置主要發(fā)生在加熱爐下爐膛換熱段與預(yù)熱段交界的隔墻處，下部隔墻形成的巨大氣流運動阻力是爐膛尾部氣流分布不均的主要原因。圖4為加熱爐縱向截面沿爐長方向的靜壓力分布。結(jié)合圖4 可看出，爐膛尾部爐膛靜壓力幾乎呈平直變化趨勢，只是從預(yù)熱段到均熱段，爐膛靜壓力呈逐步遞增趨勢。由此看出在加熱爐原結(jié)構(gòu)爐膛內(nèi)部，下部爐膛空間除由大量水梁、立柱構(gòu)成的氣流運動阻力及側(cè)向燒嘴封堵作用形成的氣流運動阻力外，還有隔墻構(gòu)成的氣流運動阻力，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于上部爐膛。上下爐膛空間存在連通效應(yīng)，下爐膛較大的氣體運動阻力迫使?fàn)t膛下部氣流上翻，造成爐內(nèi)上下爐膛空間氣流分布不對稱。無論爐膛尾部阻力如何調(diào)整，都無法改變這種不對稱性狀態(tài)，從而造成爐膛上下空間氣流分布不均，也即通常所說的氣流不能順行。

圖4 原結(jié)構(gòu)加熱爐縱向截面沿爐長方向的靜壓力分布Fig.4 Static pressure distribution along the vertical section of original furnace

2.2 改進(jìn)爐墻結(jié)構(gòu)的加熱爐爐內(nèi)物理量場

為獲得爐膛上下空間具有較好的阻力分配，在保持原爐型上部爐膛空間結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上，去除下部爐膛所有隔墻，構(gòu)建如圖1(b)所示的模型結(jié)構(gòu)(模型1)。采用Fluent 軟件對模型1加熱爐爐內(nèi)溫度場、流場和壓力場進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖5～7。

圖5 模型1縱向截面的溫度分布Fig.5 Temperature distribution of the longitudinal section of model 1

圖6 模型1縱向截面的速度分布Fig.6 Velocity distribution of the longitudinal section of model 1

從圖5可看出，在加熱爐尾部，上下爐膛溫差較原結(jié)構(gòu)有較大改善，下部爐膛溫度非常接近上部爐膛溫度。從圖6可看出，在加熱爐尾部，上部爐膛煙氣流速為17.05 m/s，下部爐膛貼近鋼坯處流速為7.60 m/s，仍沒有達(dá)到均勻分布?xì)饬鞯哪繕?biāo)。結(jié)合圖7可看出，爐膛尾部上下爐膛空間的靜壓力分布仍呈平直分布趨勢，表明此時爐膛尾部上下氣流運行阻力仍沒有達(dá)到平衡爐膛上下氣流分布的要求。為此在模型1的基礎(chǔ)上對加熱爐的內(nèi)部隔墻作進(jìn)一步改進(jìn)，即在模型1結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增設(shè)爐膛上部擋墻，如圖1(c)的模型2。采用Fluent軟件對模型2加熱爐爐風(fēng)溫度場、流場和壓力場進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖8，9。

由圖8可看出：增加加熱爐尾部的上部隔墻，在同樣生產(chǎn)條件下爐膛尾部爐膛空間的溫度分布較模型1 有明顯改善，從原上高下低的分布變?yōu)樯系拖赂叩姆植迹患訜釥t高溫段集中在加熱爐段下部，這樣的改變更加順應(yīng)加熱爐強(qiáng)化下加熱的要求。

由圖9可看出，從爐頭到爐尾，整個靜壓力呈遞減趨勢，說明整個爐膛區(qū)間內(nèi)，上部爐膛和下部爐膛的氣體運行阻力基本平衡。此時爐膛內(nèi)部隔墻結(jié)構(gòu)為爐內(nèi)氣流順行提供了前提條件，其不僅能很好地保證爐內(nèi)氣流順行，而且給爐膛整體壓力的調(diào)控和精確的分段控溫提供了保障。

圖7 模型1的縱向靜壓力分布Fig.7 Longitudinal static pressure distribution of model 1

圖8 模型2加熱爐縱向截面的溫度分布Fig.8 Temperature distribution of the longitudinal section of model 2

某公司利用軋鋼加熱爐爐修期間(2020 年4 月3 日至5 月25 日)，采用模型2 對原加熱爐爐墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，且對改造后的加熱爐進(jìn)行為期1 個月的爐尾煙氣溫度采集。結(jié)果表明，改造后加熱爐的平均爐尾煙氣上下溫差由原來的200～300 ℃減至70～80 ℃。應(yīng)用實踐表明，采取本文數(shù)值模擬的方法優(yōu)化爐內(nèi)隔墻結(jié)構(gòu)是可行的，具備實際應(yīng)用價值。

圖9 模型2的縱向靜壓力分布Fig.9 Longitudinal static pressure distribution of model 2

3 結(jié) 論

利用Fluent流體計算軟件對原結(jié)構(gòu)和改進(jìn)型隔墻結(jié)構(gòu)(模型1、模型2)加熱爐爐內(nèi)的流場、壓力場和溫度場進(jìn)行模擬，分析隔墻結(jié)構(gòu)對加熱爐爐內(nèi)各物理場的影響，得到如下主要結(jié)論：

1)上下部爐膛氣流阻力的不同是導(dǎo)致爐內(nèi)(換熱段及預(yù)熱段)區(qū)域溫度分布不均勻的主要原因；

2)除位于爐膛底部的隔墻影響爐膛下部氣流流動外，爐底支撐結(jié)構(gòu)(水梁、立柱)分布也是爐內(nèi)氣流流動不容忽略的因素；

3)去除爐底隔墻(除爐頭段)且增加上部爐膛隔墻可實現(xiàn)上下爐膛阻力平衡，使高溫區(qū)域下移，從而有效強(qiáng)化板坯下表加熱，板坯出爐溫度良好。