田瑞嬌++梁曉玲

摘 要：盤形鍛造加熱爐的結構單一、爐子的熱效率低、自動化控制水平比較差、爐溫的均勻性差。為了提高加熱爐的熱效率，改善爐溫的均勻性，有必要對室式鍛造加熱爐進行研究及優(yōu)化。加熱爐內溫度較高，難以測量內部傳熱狀況，不利于實驗研究。為了研究加熱爐內的各種熱工過程，更加精細的知道加熱爐內氣體流動、火焰燃燒和內部傳熱過程，可以利用數(shù)值模擬技術進行模擬分析。本文以某公司盤形鍛造加熱爐為研究對象，對其進行數(shù)值模擬，結果表明整體的模擬結果比較真實可信，文中還為存在的問題指明了優(yōu)化方向，可為實際工作提供指導意義。

關鍵詞：盤形鍛造加熱爐 數(shù)值模擬 溫度場 速度場

引言

室式鍛造加熱爐生產能力較小，爐溫能夠進行靈活的控制，有利于加熱一些對加熱制度要求較為嚴格的特殊鋼坯。但是室式爐的結構比較單一，爐體制作過程比較粗糙，爐門等處的封閉性不好，會造成高溫爐氣的外漏，降低爐子的熱效率。另外，室式爐的自動化控制水平比較差，單憑人工控制很難掌握燃燒的效果和保證爐溫的均勻性。為了提高加熱爐的熱效率，改善爐溫的均勻性，有必要對室式鍛造加熱爐進行研究及優(yōu)化[1]。加熱爐內溫度較高，難以測量內部傳熱狀況，不利于優(yōu)化設計和開發(fā)新型高效的加熱爐。為了研究加熱爐內的各種熱工過程，更加精細的知道加熱爐內氣體流動、火焰燃燒和內部傳熱過程，可以利用數(shù)值模擬技術對其進行數(shù)值模擬[2-5]，得到爐內流場、溫度場、濃度場等的分布并對其進行分析研究，找出可行的節(jié)能優(yōu)化措施。本文以某公司盤形鍛造加熱爐為研究對象，對其進行數(shù)值模擬，并對模擬結果進行分析，尋求優(yōu)化方向。

1.物理模型的建立

1.1幾何模型

該盤形鍛造加熱爐的主要結構參數(shù)為：爐膛高度為1200 mm，爐子內徑為8369 mm，爐膛寬度為2835 mm，煙道內徑為2700 mm。選取爐底為計算基準水平面，燃燒器中心高度距爐底距離為500 mm，煙道高度為800 mm。燒嘴非均勻的分布在外墻體上，燒嘴的疏密程度以及燒嘴的熱負荷與加熱制度有關。一加段燒嘴較多且熱負荷最大，二加段次之，均熱段燒嘴最少且熱負荷較小，該盤形鍛造加熱爐結構俯視圖如圖1所示。盤形鍛造加熱爐內燃燒的是高爐煤氣和焦爐煤氣的混合氣體，混合比例為6：5。

圖2 盤形鍛造加熱爐網格劃分圖

1.2網格劃分

本文對幾何模型進行了簡化，只對爐膛空間進行數(shù)值模擬，且視爐門為常閉狀態(tài)，所以該幾何模型較為簡單且規(guī)則，綜合考慮計算的精度和收斂性，使用T-Grid對其整體進行劃分網格，主要包含四面體網格單元，劃分出200多萬個網格。網格生成圖如圖2所示。

2.數(shù)學模型的建立

幾乎所有的流動問題都要用到動量守恒方程和質量守恒方程[6]，若實際問題涉及傳質傳熱或可壓性流動性特征時，還需要使用能量守恒方程，若研究的流動問題帶有粘性特征時，還需要使用粘性應力方程。本文用到的主要方程有：

連續(xù)方程：

（1）

動量方程：

（2）

能量方程：

（3）

其中： —密度， —速度， —稀疏相增加到連續(xù)相中的質量， —重力體積力和其它體積力，P—靜壓， —應力張量，H—焓值，m—質量分數(shù)。

本文選用標準 湍流模型、PDF擴散燃燒模型、P-1輻射模型，求解方法選用二階迎風格式。將煤氣入口定義為速度入口邊界條件，各入口的速度根據(jù)不同加熱段所需的熱負荷來計算得到；空氣入口定義為質量入口邊界條件。燃燒器選用的是套管式，外管噴射空氣，內管噴射燃氣。煙氣出口邊界條件定義為壓力出口。為了簡化計算，本文將鋼坯吸熱量計算出來并以熱流密度形式定義給爐底相應位置，所以爐底利用熱流邊界條件定義為吸熱邊界條件。爐子內外墻體、爐頂統(tǒng)一定義為wall邊界條件，看作無滑移絕熱壁面。

3.模擬結果分析

3.1壓力場分析

圖3為各加熱段縱截面的爐膛壓力場分布圖，圖4為燒嘴中心所在高度橫截面爐膛的壓力場分布圖。

圖3各加熱段縱截面壓力場分布

圖4燒嘴中心所在高度橫截面壓力場分布

圖5燒嘴中心高度橫截面不同環(huán)線上壓力分布

從圖3和圖4可以看出，整個爐膛處于微正壓狀態(tài)，平均壓力在6 Pa左右。爐膛壓力從一加段到均熱段是越來越小的，這有利于煙氣從一加段向均熱段流動，煙氣順著鋼坯加熱方向移動。由于煙氣的擾動作用較小，煙氣對鋼坯的對流換熱也比較小。所以在鋼坯加熱的過程中，輻射換熱是占主導的，而對流換熱則是次要的。從一加段的壓力分布可以看出，壓力梯度比較大，在燒嘴附近壓力較低，并且分布成環(huán)狀，外環(huán)壓力大內環(huán)壓力低，這有利于煙氣的回流，促進熱交換，使爐溫更均勻。在二加段中間部位壓力稍低，四周壓力略高，這說明在二加段也有煙氣的回流形成了一個漩渦。均熱段各處的壓力幾乎沒有變化。從一加段到均熱段，燃氣的供給量越來越小，所以壓力越來越小，煙氣的擾動也越來越不劇烈。各加熱段的煙道出口處壓力都低于爐膛內的壓力，這有利于煙氣的排出。在爐門處由于沒有燃料的供給，壓力最低，容易吸均熱段的煙氣，造成均熱段的熱損失，不過這部分體積較小，影響可以忽略。

圖5為燒嘴中心高度橫截面不同環(huán)線上的壓力分布曲線。從圖5可以看出，爐內壓力變化的大致趨向是從一加段到均熱段成遞減趨勢，有利于煙氣順著鋼坯移動方向流動。從內側（靠近煙道一側）到外側（靠近燒嘴一側），爐內壓力是越來越小的，這有利于煙氣的回流，增加煙氣停留時間，從而提高燃料利用效率。

3.2 速度場分析

圖6為各加熱段縱截面的速度矢量圖。從圖6可以看出，一加段在燃料噴入后形成上下兩個漩渦，漩渦區(qū)煙氣的速度在10 m/s左右，漩渦以外的區(qū)域煙氣速度比較小，在5 m/s左右。二加段在爐膛上部也形成一個旋渦狀，速度較小，在9 m/s以下。均熱段爐膛內煙氣的速度整體偏低，在5 m/s左右，在爐膛中間也形成漩渦，但是速度太小，漩渦不明顯。另外，局部出現(xiàn)倒吸冷空氣的現(xiàn)象。在煙道附近由于抽力作用，速度稍大，明顯的看到流體向外排。燃氣從燒嘴噴出時，以很高的射流速度噴向空間，爐內距離燒嘴較近的煙氣在射流的卷吸作用下，也獲得一定的流速，和燃氣一起向爐膛內部空間擴散開來，隨著擴散過程的進行，燃氣和煙氣的碰撞越來越多，動能在運動中被傳遞和消耗，速度逐漸減緩下來?？偟膩碚f，燃氣沿燒嘴中心線噴出，在中心線上速度是先升高，后緩慢遞減，同時以中心線為中心向四周逐漸降低。在燃氣噴射卷吸的過程中，鄰近的氣體隨燃氣一起運動起來，而稍遠一點的煙氣因為卷吸作用相對較小，相反被卷吸走的氣體留下的低壓位置產生壓差，因此這部分煙氣會產生回流現(xiàn)象。

圖6 各加熱段縱截面速度矢量圖

由圖6中還可以看到，在燒嘴的上、下方都有與燃氣流動相反方向的回流。雖然回流的速度不高，但可以增大在空間的擾動，將射流影響擴散到更遠的區(qū)域。從燃燒的角度來看，卷吸和回流都會使燃氣和空氣混合更加充分，增加燃料燃燒時的含氧濃度，使燃燒反應更加充分。在換熱角度來看，卷吸和回流會使冷、熱氣流混合，強化對流換熱效果，提高換熱效率。因此，適當?shù)木砦突亓鲗ΡP形鍛造加熱爐內的熱工過程是有利的。均熱段由于壓力過低出現(xiàn)的倒吸冷空氣的現(xiàn)象，會造成爐溫的降低，廢氣量的增加，減少向爐內的傳熱，增大廢氣熱損失，有待于改進。

3.3 溫度場分析

圖7為各加熱段縱截面的溫度場分布圖，圖8為燒嘴中心所在高度橫截面的溫度場分布圖。

圖7 各加熱段縱截面溫度場分布

圖8 燒嘴中心所在高度橫截面溫度場分布

從圖7和8可以看出，一加段火焰較長，爐膛整體溫度在1500 K左右，爐膛內各處的溫度分布比較均勻。但是火焰的溫度偏高，火焰的中心溫度可以達到2000 K，而且靠近爐膛底部的鋼坯，會造成加熱的鋼坯產生局部過燒的現(xiàn)象，破壞物料內部金屬組織結構，影響產品品質?？梢钥紤]調整燒嘴的角度，使其向上傾斜。二加段火焰稍短，火焰溫度比一加段也有所下降，二加段整體溫度在1400 K左右，圖中可以看出，在燒嘴上下方區(qū)域，溫度偏低，這是由于缺少對流換熱造成的，氣體的擾動太弱。但是整體的溫度相差不大，在100 K左右，可以忽略此處，也可以通過改變燒嘴的角度或者增加燃氣的供給量來增加氣體的擾動。均熱段火焰較短小，整體溫度在1400 K左右，這是由于燃氣的速度較小。均熱段就是用于維持加熱爐內溫度，給物料充分時間均熱，使其內部熱量平衡分配，溫度場盡量均勻。因此供氣量并不需要太大，只要維持工件鍛造溫度即可。

4.結論

從以上的分析可知，該盤形鍛造加熱爐內的壓力維持在6 Pa左右，比較合適，但是壓力場的分布略顯不均勻；速度場有漩渦出現(xiàn)，有利于熱量的交換，但是在均熱段出現(xiàn)倒吸冷空氣的現(xiàn)象；溫度場相對較均勻，但是平均溫度略低。整體的模擬結果比較真實可信，可為實際工作提供指導意義，但上述存在的問題需要改進，可嘗試通過降低爐膛壓力、調整燒嘴角度等措施進行優(yōu)化。

參考文獻：

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[6]趙博寧.天然氣在蓄熱式鍛造加熱爐上的應用及模擬[D].西北工業(yè)大學，2007，13（3）：15-17

作者簡介：

田瑞嬌（1990-），女，漢族，安徽靈璧人，助教，碩士，主要從事能源與動力工程研究；梁曉玲（1989-），女，漢族，吉林松原人，助教，碩士，主要從事流體機械方向研究.

基金項目：

安徽省教學研究重大項目（校級2016jyxm0908）