（热能工程专业论文）倾动式铝液保温静置炉内多场耦合仿真与优化研究.pdf

h ， m a s t e r ，sd i s s e r t a t i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no nc o u p l e d m u l t i - f i e l di nat i l t i n g t y p ea l u m i n u mh o l d i n gf u r n a c e a p p l i c a n t ： 圣丛q 型璺塾璺望：塾竺旦g m a j o r ： s u p e r v i s o r ： 里! 竺堡兰墨2 1 圣坠竺竺塑垒i = j 竺望 s u b m i t t e dt o t h ef a c u l t yo fc e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n tt h er e q u i r e m e n tf o r t h ed e g r e eo fm a s t e r m a r c h ，2 0 1 0 s c h o o lo fe n e r g ys c i e n c ea n de n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h a , h u n a n ， er c h i n a 9川868 眦mmm-舢7i-y 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特另, l d n 以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 垂竖! 兰日期：丝年三局l 日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者虢酏导师签名凰 4 盗i 期：殴年互月卫日 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 倾动式铝液保温静置炉( 下文中简称铝液保温炉) 内的温度场均 匀与否是决定铝扁锭铸造质量好坏和生产效率高低的关键，均匀的温 度场和合理的热工制度能有效提高产品质量和生产率并降低能耗。全 面解析炉内温度场有助于掌握保温炉的运行状况和延长炉窑的使用 寿命，对设计和改造炉窑设备、优化工艺参数具有重要的指导意义。 本文以横向课题生产铝合金扁锭用5 0 t 保温炉仿真与优化研究” 为依托，以中国铝业青海分公司1 0 # 保温炉为研究对象，对保温炉燃 烧空间和铝液层内的流场及温度场进行了数值仿真与优化。 本文的主要研究内容和结论如下： 1 ) 以大型商业软件f l u e n t 为平台，结合自定义程序建立了保 温炉的计算模型；实现了保温炉内燃烧、流固传热的耦合模拟以及气 体搅拌过程模拟，并得到燃烧空间及铝液的流场和温度场。 2 ) 深入分析了保温炉仿真计算结果，得到了炉内的温度分布特 征。保温静置期最高燃烧温度为1 8 5 0 k ，铝液平均温度为l15 8 k ，铝 液层中的平面最大温差约为2 5 0 k 。气体搅拌作用下整体铝液区域温 差一般小于3 k ，而高温区仅占很小区域。本文以实测数据为依据， 数值计算所得燃气空间的温度计算平均误差为7 ，铝液空间的温度 计算平均误差为1 2 5 。 3 ) 深入研究了各个工艺参数对最高燃烧温度和铝液平均温度的 影响规律，结果表明：助燃空气温度每增加5 0 。c ，铝液平均温度升 高1 5 。c ；通过天然气控制的铝液温升率为7 。c ( n m 3 h - i ) ；此炉的最 佳过剩空气系数在1 2 5 1 3 0 之间；随着保温炉透气流量的增加，铝 液搅拌效果增强，铝液整体温度变得更为均匀。 4 ) 对保温炉现有的热工制度进行了优化研究，获得了该保温炉 最佳工艺制度，结果显示：燃烧器点火4 0 分钟温升率为1 6 5 。c r a i n ， 燃烧器关闭3 0 分钟和炉门打开1 0 分钟的温降率分别为0 5 3 。c r a i n d 和3 3 。c r a i n 一。从热工制度优化角度，保温炉采用间歇式的大火加热 方式比连续式的慢火加热效果要好；采用较高的助燃空气温度的和较 大的空气过剩系数是比较合理和经济的燃烧方式。 关键词：铝液保温炉，流固耦合，气体搅拌，数值模拟，优化 中南大学硕十学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e u n i f o r m i t yo ft e m p e r a t u r ef i e l di nt i l t i n g t y p ea l u m i n u mh o l d i n g f u m a c e ( s h o r t e df o ra l u m i n u mh o l d i n gf u r n a c e ) i ss i g n i f i c a n tt ot h e q u a l i t ya n dp r o d u c t i v i t yo ft h ea l u m i n u m ( o ri t sa l l o y ) i n g o t s s ot h e u n i f o r mt e m p e r a t u r ef i e l da n dr e a s o n a b l eh e a t i n gs c h e d u l ea r eh e l p f u lf o r i m p r o v i n gt h ep r o d u c tq u a l i t y , p r o d u c t i v i t ya n dt h ee n e r g ye f f i c i e n c y m o l e i n gt h et e m p e r a t u r ef i e l dg i v e ss c i e n t i f i cr e f e r e n c e sf o rc o n t r o l l i n g t h ew o r k i n gc o n d i t i o n sa n dp r o l o n g i n gt h el o n g e v i t yo ft h ef u m a c e ，a n d h a sg u i d a n c em e a n i n gt od e s i g n ，r e f o r mf u r n a c ee q u i p m e n t ，a n do p t i m i z e t h es c h e d u l ep a r a m e t e r s t h em a i nc o n c l u s i o n sa n di n n o v a t i o n so ft h ep a p e ra r ea sf o l l o w ： 1 ) n u m e r i c a lm o d e lf o ra l u m i n u mh o l d i n gf u r n a c eh a sb e e nb u i l tu p b a s e do nf l u e n tc o d ec o m b i n e dw i t hu s e rd e f i n e dp r o g r a m t h es i m u l m i o no fc o m b u s t i o n ，f l u i d - s o l i dc o u p l e dh e a tt r a n s f e r , a n dt h eg a ss t i r r i n gp r o c e s si np o r o u sp l u gh a v eb e e na c h i e v e d f o rt h ef i r s tt i m e ，t h ef l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l di nt h e c o m b u s t i o nc h a m b e ra sw e l la si nt h em o l t e na l u m i n u mz o n e h a v eb e e no b t a i n e d 2 ) 1 1 1 ec o m p u t a t i o n a lr e s u l t so ft h ef u m a c eh a v eb e e na n a l y z e d ，a n d t h ec h a r a c t e r i s t i co ft e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nh a sb e e no b t a i n e d t h em a x i m u mc o m b u s t i o nt e m p e r a t u r ei s18 50 k ，t h ea v e r a g e t e m p e r a t u r eo fm o l t e na l u m i n u mi s 1158 k ，a n dt h em a x i m u m t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ei nt h em e l tz o n ei s f o u n dt ob ea b o u t 2 5 0 k 1 1 1 ed i f f e r e n c ei n t e m p e r a t u r eo ft h ew h o l em o l t e n a l u m i n u ms p a c ei sl e s st h a n3 ki nt h ec o n d i t i o no fg a ss t i r r i n g ， a n dt h eh i 曲t e m p e r a t u r ez o n ei sas m a l la r e a a c c o r d i n ga st h e m e a s u r e dd a t a , t h ea v e r a g ee r r o ro fc a l c u l a t i v et e m p e r a t u r eo f c o m b u s t i o ns p a c ei s7 ，a n dm o l t e na l u m i n u mi s12 5 3 ) t h ei n f l u e n c e so fo p e r a t i n gp a r a m e t e r s o nt h em a x i m u m c o m b u s t i o nt e m p e r a t u r ea n dt h ea v e r a g et e m p e r a t u r eo fm o l t e n a l u m i n u mh a v eb e e ni n v e s t i g a t e di nd e e p t h er e s u l t ss h o wt h a t t h e a v e r a g et e m p e r a t u r eo fm o l t e na l u m i n u mi n c r e a s e s15 。c i l 中南人学硕士学位论文 a b s t r a c t w h i l et h et e m p e r a t u r eo fc o m b u s t i o n - s u p p o r t i n ga i ri n c r e a s e s 5 0 。c ；t h ei n c r e a s i n gr a t eo ft e m p e r a t u r ei s7 。c ( n m3 h - 1 ) w h i c h c a nb em a n i p u l a t e db yt h ef l u xo fn a t u r a lg a s ；t h eo p t i m a la i r e x c e s sr a t i oi sb e t w e e n1 2 5a n d1 3 0 ；t h es t i r r i n ge f f e c ti sm o r e i n t e n s e a n dt h ew h o l et e m p e r a t u r eo f m o l t e na l u m i n u mi sm o r e u n i f o r mw h i l et h ef l u xo fs t i r r i n gg a si n c r e a s e s 4 ) t h eo p t i m i z e ds c h e d u l eo ff u r n a c eh a sb e e nm a d ef o rt h ef i r s t t i m e ，a n dt h eo p t i m a lt h e r m a ls y s t e mo ft h ef u m a c eh a sb e e n o b t a i n e d t h ev a r i a t i o nt e n d e n c i e so fa v e r a g et e m p e r a t u r eo f m o l t e na l u m i n u mi nd i f f e r e n tm a n i p u l a t i o n sw e r ec a l c u l a t e d t h ei n c r e a s i n gr a t e so ft e m p e r a t u r e1 6 5 。c m i n 1a n dt h e d e c r e a s i n g r a t e so f t e m p e r a t u r e a r e0 53 。c m i n 1a n d 3 30 。c m i n ，r e s p e c t i v e l y , w h e nb u r n e r sw e r ei g n i t e df o r4 0 m i n u t e s ，b u r n e r sw e r ec l o s e df o r30m i n u t e sa n dt h ed o o rw a s o p e n e df o r10m i n u t e s t a k i n go p t i m i z a t i o no far e a lt h e r m a l p r o c e s si n t oa c c o u n t ，t h e i n t e r m i t t e n tc a l e f a c t i o nm o d ei s s u p e r i o r t ot h e c o n t i n u o u s a d o p t i n gh i 曲t e m p e r a t u r eo f c o m b u s t i o na i ra n dr e l a t i v e l a r g e e x c e s sa i rr a t i oi sa n a p p r o p r i a t e c o m b u s t i o nm o d ew h i c hi sr e a s o n a b l ea n d e c o n o m i c a lr e l a t i v e l y k e yw o r d s ：a l u m i n u mh o l d i n gf u m a c e ，f l u i d s o l i dc o u p l e d ，g a s s t i r r i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o n i i i 中南大学硕士学位论文目录 目录 摘要i a 】【；s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 前言一1 1 2 铝液保温静置炉概述一2 1 2 1 铝液保温炉分类2 1 2 2 铝液保温炉工艺概况2 1 2 3 铝液保温炉结构及其传热特点3 1 3 工程背景及意义4 1 4 本文的主要研究内容5 第二章文献综述6 2 1 工业炉窑内气体流动、传热研究方法6 2 2 工业炉窑数值模拟的发展与国内外研究现状7 2 3 数值模拟技术在铝液保温炉的应用lo 2 4 铝液保温炉仿真数学模型综述1 2 2 4 1 炉内湍流流动模型1 2 2 4 2 炉内辐射换热模型1 3 2 4 3 气相燃烧模型1 4 2 4 4 气体搅拌仿真模型1 5 2 5 本章小结1 6 第三章铝液保温炉多物理场耦合计算模型1 7 3 1 概j 苤l7 3 2 基本假设1 7 3 3 基本守恒方程1 7 3 4 湍流模型18 3 5 燃烧反应模型2 0 3 6 火焰空间传热模型2 1 3 6 1 对流和热传递2 1 3 6 2 辐射传热模型2 2 3 7 流固耦合传热模型2 5 中南大学硕士学位论文 目录 3 8 气体搅拌计算模型2 5 3 9 本章小结2 6 第四章铝液保温炉内多场耦合仿真及结果分析2 8 4 1 铝液保温炉炉内燃烧与传热耦合计算2 8 4 1 1 物理模型及网格划分2 8 4 1 2 物性参数与边界条件2 9 4 2 燃烧空间的流场结果及分析3 l 4 2 1 平行于x y 平面截面的流场分布3 1 4 2 2 平行于x z 平面截面的流场分布3 2 4 2 3 平行于y z 平面截面的流场分布3 3 4 3 炉内温度场的计算结果及分析3 4 4 3 1 平行于x y 平面截面的温度场分布3 4 4 3 2 平行于x z 平面截面的温度场分布3 5 4 3 3 平行于y z 平面截面的温度场分布3 7 4 4 计算结果与测试结果的对比及分析3 8 4 5 气体搅拌时铝液流场与温度场计算结果及分析4 0 4 5 1 物理模型及网格划分4 0 4 5 2 物性参数与边界条件4 2 4 6 铝液保温炉内气体搅拌流场仿真结果及分析4 3 4 7 气体搅拌作用下铝液温度场分布4 6 4 8 本章小结4 7 第五章铝液保温炉热工制度优化分析4 8 5 1 铝液保温炉温度场影响因素分析4 8 5 1 1 天然气流量对炉内温度场的影响4 8 5 1 2 助燃空气温度对炉内温度场的影响5 0 5 1 3 过剩空气系数对炉内温度场的影响5 l 5 1 4 铝液高度对炉内温度场的影响5 4 5 2 铝液保温炉透气流量优化分析一5 4 5 2 1 气体流量对炉内铝液流场的影响分析一5 4 5 2 2 气体流量对温度场的影响5 5 5 3 铝液保温炉铝液动态变化分析5 7 5 3 1 燃烧器点火后铝液温升曲线5 7 5 3 2 燃烧器关闭铝液温降曲线5 8 5 3 3 炉门打开铝液温降曲线。一5 9 中南人学硕士学位论文目录 5 4 铝液保温炉最佳工况分析6 0 5 5 本章小结6 l 第六章全文总结6 3 参考文献6 5 攻读硕士学位期间参与的科研项目。：6 9 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 9 致谢7 0 中南人学硕士学位论文第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 铝锭及铝合金铸锭是铝材及铝加工产品生产的原料，其生产工艺有两种：一 是用重熔铝锭配料，铝加工厂的铸锭生产车间多采用此种工艺；二是直接用电解 铝液配料，多为电解铝厂生产铝锭及铝合金铸锭的所采用的工艺。 从世界范围看，工业发达国家直接利用电解铝液配料生产铝及铝合金扁铸锭 已经非常普遍，而我国在电解铝熔体直接配料生产铝合金扁铸锭近年来才起步， 直接利用电解铝熔体的总量还有限。全世界电解铝厂的重熔铝锭仅占原铝产量的 约4 5 ，而我国却高达8 0 左右。利用电解铝熔体配料直接生产铝及铝合金的 扁铸锭，与用重熔用铝锭生产铝及铝合金的扁铸锭相比，既省去重熔工序、节约 能耗，又可减少烧损、减少环境污染、降低生产成本。 随着市场价格竞争的加剧及铝深加工成本意识的逐步增强，铝板带生产企业 正在逐步改变原有的坯料供应方式，开始由电解铝厂专业化生产铝合金扁铸锭。 国内代表性的企业主要有：中国铝业青海分公司、中国铝业贵州分公司、万基铝 业有限公司、中铝河南分公司、伊川电力集团、山东南山集团、青铜峡铝业集团、 山东魏桥铝业有限公司和四川眉山晨曦铝业有限责任公司等。据不完全统计，国 内已建铝及铝合金扁铸锭生产线( 含加工厂的熔铸系统和电解铝厂) 生产能力合 计约2 7 5 万吨，其中电解铝厂铝合金的扁铸锭生产能力约1 4 4 万吨。 目前在建的铝合金扁铸锭生产线有加宁铝业有限公司、青海嘉瑞铝业有限公 司、焦作万方铝业股份有限公司、亚洲铝业( 中国) 有限公司、南山集团东海熔 铸厂、中铝连城铝业有限公司、中孚铝业等；拟建的铝及铝合金扁铸锭项目主要 有山西铝厂以及新建铝板带项目的扁铸锭车问( 如东北轻合金有限责任公司) 等。 在建和拟建项目新增铝及铝合金扁铸锭产能在2 3 7 万吨年左右，其中电解铝厂 铝及铝合金扁铸锭生产能力约1 0 7 万吨年【l j 。 按照上述统计，在建和拟建项目投产后，国内铝及铝合金扁铸锭产能将达到 5 1 0 万吨年，其中电解铝厂铝合金扁铸锭供应能力2 5 0 万吨年。 中铝青海分公司采用电解铝熔体配料技术，主要生产3 1 0 4 等型号铝合金扁 铸锭。整个铸造系统配置了熔炼炉、倾动式保温静置炉、铝液铸造系统。在生产 过程中存在一些技术问题，导致了产品合格率低下。为了解决3 1 0 4 铝合金扁铸 锭生产中的质量问题，稳定生产工艺，提高成品率，实现3 1 0 4 铝合金扁锭的高 效规模生产。同时为了进一步提高产品质量，实现生产达标的目的，同时对我国 提高铝熔铸技术提供必要的经验，中铝青海分公司与能源科学与工程学院合作， 中南大学硕士学位论文第一章绪论 共同对铝扁锭生产中的关键技术铝液保温炉工艺技术进行研究。本文以此课 题为背景，在完成课题任务的基础上撰写成文的。 1 2 铝液保温静置炉概述 1 2 1 铝液保温炉分类 铝液保温静置炉( 以下简称保温炉) 根据其加热方式，可以分为两类：电加 热式保温炉和燃料加热式保温炉。 电加热式保温炉内部除了使用绝缘砖隔热外，还必须有与之配套的加热设 施。一般采用镍铬带或硅碳硅钼棒作为加热元件进行加热保温，使保温炉内维 持一定温度，从而使铝液始终处于熔融状态。这种炉型的加热元件的价格比较昂 贵，长度约为3 m 的一根炉丝价格达1 0 0 0 元，如果由于某种原因炉丝熔断，不 仅造成生产成本较高，而且更换炉丝需要较大的劳动强度，此外，电耗成本也较 高，因此电加热式保温炉应用已逐渐减少。 燃料加热式保温炉一般采用天然气在铝液的上部空间加热，通过热传递加热 铝液。燃料加热式保温炉通常需要配置较好的燃烧系统和控制系统，不仅能够获 得较大的温升率，而且可以方便地制定和修改工艺参数及过程变量控制参数，准 确的控制铝液温度。中铝青海分公司第二电解厂的铝合金扁铸锭生产系统即应用 天然气供热的保温炉。 1 2 2 铝液保温炉工艺概况 铝液保温炉是铝及铝合金铸造生产中用来将不同成分原料液均化成合格料 液的中间反应储存容器。从铝电解槽中出来的铝液被直接送到熔炼炉熔炼，而从 熔炼炉排出的合金液在保温炉内处于熔融状态，对其进行加热、加冷料、搅拌等， 以保证铝液维持在一定的温度范围，并且各合金的成分达到铝合金扁锭的标准， 然后将料液除氢，再经铸造机生产成铝合金锭。 中国铝业青海分公司5 0 t 倾动式保温静置炉采用荷兰t h e r m c o n 公司技术， 以天然气为燃料，每炉生产周期2 - - 3 小时。 为了有效控制铸锭质量( 包括合金元素的均化、晶体型态、杂质含量、气孔 率等) ，保证不同成分的铝液混合均匀，需要将保温炉液体层内温度控制在合理 的范围内( 一般需保持在7 5 0 - - - 9 0 0 0 c ) 2 1 ，并尽量使温度场分布均匀。对于保温 炉，主要通过炉底1 3 组透气砖供入的氩气进行气体搅拌来实现铝液温度均匀化， 每组气体流量为1 5 - - 3 0 l m i n 。保温炉炉底透气砖系采用奥地利奥美公司的技 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 术和产品。 保温炉具体生产工艺过程如下：在上炉铝液铸造完成之后，保温炉处于暖炉 状态，铝液从熔炼炉经流槽到保温炉内，首先处于静置加热状态，期间要加热冷 料和废料，这个状态要维持一段时间，其主要目的是使铝液温度升高，同时造渣。 然后开炉门扒渣，用人工方法搅拌铝液，使铝液整体温度变得均匀。之后开气搅 拌，主要是为了铝液脱氢和除渣，通过化验铝液成分，如果不合格则重复加料、 搅拌直至合格，如果铝液合格则开始静置铸造，整个周期结束。 因此，整个工艺过程主要是两步：静置加热工序和气体搅拌工序。每个工序 对铝液的铸造都是重要的。 1 2 3 铝液保温炉结构及其传热特点 铝液保温炉大体上可以分为三个部分：燃烧系统、上部燃烧空间以及铝液空 间。中国铝液青海分公司第二电解厂1 0 # 保温炉燃烧系统由助燃风机、电动调节 蝶阀、燃气空气比例调节、稳压阀、电磁阀、安全快断阀、压力开关等构成。 该炉配有2 个德国k r o m 公司z 1 0 2 0 0 型亚高速烧嘴，呈约l o 。向熔池倾斜， 其燃烧火焰出口速度可达8 0 m s - 1 以上，可确保对铝金属熔体有良好的对流传热 效果，使该炉具有4 0 0 c l - 1 的升温能力1 3 。 上部燃烧空间主要是火焰和高温烟气流动区域，上部空间包括了燃烧器进 口、烟气出口、铝液进出口、炉门、炉内烟气温度测点等。上部空间燃气的热量 通过对流与辐射传热方式传递给铝液，使得铝液温度升高或保持在一定范围。图 1 1 说明了上部燃气空间向铝液传递热量的方式( 黑线表示对流换热、红线表示 辐射换热) 。 铝液空间布置1 3 块透气砖，用来搅拌铝液，一来使得铝液各成分混合均匀， 二来保证铝液各区温度分布均匀。透气砖采用多孔介质结构，分三排排列，通入 氩气进行搅拌，同时还能起到液料除氢的效果。 图1 - 1 保温炉传热示意图 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 工程背景及意义 本文拟以中国铝业股份有限公司青海分公司第二电解厂1 0 # 倾动式保温静置 炉为具体的研究对象。1 0 # 系统主要生产技术和主要装备从国外引进，生产线装 备具备当今世界先进水平。自2 0 0 5 年1 1 月2 9 日正式投产以来，生产实践表明， 因设计时我国还没有颁布铝合金扁铸锭行业标准( 2 0 0 6 年颁布的) ，使得铸造的 铝锭质量与现在市场的要求存在一定的差距。 存在的主要问题有：由于车间环境温度低( 厂房内在7 1 0 0 c ) ，铝熔体经 流槽、在线除气和过滤装置后温降过大，为保证生产要求的7 0 0 士5 的铸造温 度，只能提高保温炉内的铝熔体温度，改善炉子空间和铝熔体的温度分布，使得 各区域温度尽可能分布均匀，直至接近7 5 0 0 c 的临界过烧温度。即便如此，生产 过程中还发生铸造井远端的结晶器不能正常生产，生产出的3 1 0 4 铝合金扁铸锭 常常出现组织疏松和晶粒度粗大，技术废料多，严重时几乎到了不能生产的地步。 另外，从中国铝业青海分公司的生产报表显示，中国铝业青海分公司生产3 1 0 4 铝合金扁铸锭的综合成品率在7 7 8 2 ，其中：几何废料率占9 ( 头2 0 0 m m ， 尾3 0 0 m m ) ，技术废料率占7 1 2 ，与设计产品方案的综合成品率9 4 6 差距 较大，生产成本也随其提高，生产线产能也受到影响。由此可见，制定稳定生产 工艺，提高铸锭的综合成品率迫在眉睫。 为了全面地解决上述问题，青海分公司委托苏州有色金属设计院对铸造系统 进行技术改造，这主要针对生产线的铸造部分。在熔炼炉和保温炉系统部分，炉 内的铝熔体的温度分布对产品的质量也起着很重要的作用，而铝熔体的温度分布 与炉内燃烧和气体搅拌过程直接相关。为此，该公司于2 0 0 8 年9 月正式立项并委 托中南大学对保温炉内燃烧过程进行多场耦合仿真计算，并对工艺条件和操作参 数进行优化研究。项目以1 0 # 炉为研究对象，研究后再在其它炉上应用推广。 目前该厂保温炉助燃空气调节缺乏可靠的依据，同时对铝液测温点和搅拌气 体流量的控制，特别是保温炉作业周期内的加热方式，都只能凭借现场观察和个 人经验。个人之间的技术差异造成了加热方式和各操作参数的的偏差，这不仅多 损耗了天然气和氩气，而且导致生产过程中铝液温度分布不均匀，生产出来的铝 扁锭在深加工的时候出现上述的各种问题。 保温静置炉是铝合金熔铸的关键设备，炉膛温度场和流速场、铝液层内温度 场和流速场分布对合金熔炼过程及产品质量( 合金晶形与均化、夹杂、气孔率、 成品率等) 有十分重要的影响，但至今对炉内过程的系统性研究较少。 本文针对中国铝业股份有限公司青海分公司生产铝合金扁锭用的5 0 t 保温静 置炉，在热工综合测试的基础上，对炉内燃烧释热场、温度场和流速场进行多场 耦合仿真研究，以详细了解炉内温度场、铝熔体温度场的结构和分布状况，对炉 中南人学硕士学位论文第一章绪论 膛及铝液温度测温点进行科学指导，对炉膛及铝液温度与流速的控制、作业周期 提出合理化建议，以便掌握各种操作参数对熔炼过程的影响规律，为改善保温炉 的工艺技术条件和操作制度提供定量、科学的依据，为提高产品质量和降低能耗 提供指导。 1 4 本文的主要研究内容 对于铝液保温炉来说，调整燃烧的目的是寻求最佳的燃烧工况，建立起良好 的炉内气体流场，而这是保证铝液温度均匀的关键所在。因此，以相对低廉的投 资和较短的研究周期，解决实现保温炉内温度均匀分布问题，以及提高铝扁锭合 格率的问题具有重要的现实意义。 结合本项目的研究内容，本文所进行的主要研究工作大体分为三部分：第一 部分，基准工况下，耦合铝液研究保温炉上部燃气空间气体流速场和火焰分布状 况，计算铝液层中的温度分布，并对计算结果进行验证。第二部分，以耦合铝液 的燃烧释热场中燃气与铝液的热流量作为气体搅拌模拟中铝液上表面的边界条 件，对气体搅拌过程中铝液的流动和温度分布进行了计算。第三部分，寻求铝液 温度场的影响因素及其影响规律，优化原有的热工制度和热工参数，以便完善保 温炉运行时的操作制度并规范操作，从另一侧面起到节能减排和提高保温炉运行 效率的效果。 为此，本文的后续几章内容为： 第二章：文献综述。将讨论相关技术的国内外研究进展和现状。 第三章：铝液保温炉多物理场耦合计算模型。根据研究对象，适当简化，建 立耦合计算的数学模型。 第四章：铝液保温炉内多场耦合仿真及结果分析。根据建立的物理模型和数 学模型，确定边界条件，耦合铝液计算上部空间燃烧释热场、流场，铝液温度场， 并对上部空间的温度场和铝液空间的温度场分别进行验证。同时，对气体搅拌下 铝液的流动和温度分布进行计算。 第五章：铝液保温炉热工制度优化分析。结合测试结果和多工况仿真计算结 果，确定保温炉铝液温度分布的影响因素及其影响规律，并对保温炉的工艺条件 与热工制度进行优化研究与综合评价。 第六章：结论与建议。将总结本文的主要内容和取得的研究成果，总结创新 点，并提出今后工作的建议。 5 中南大学硕士学位论文第二章文献综述 第二章文献综述 弟一早义陬琢怂 铝液保温炉内燃烧、传热及透气砖作用下气体搅拌过程比较复杂，涉及物理 化学反应、传热传质等方面知识。本文主要从热工的角度研究保温炉铝液温度场 的影响因素及变化规律，采用数值计算方法对其进行计算。本章将根据查阅的国 内外文献资料，分别围绕数值模拟技术和数学模型的发展和国内外研究现状进行 文献评述。 2 1 工业炉窑内气体流动、传热研究方法 在保温炉热工研究过程中，温度场的研究是其重要的组成部分。虽然保温炉 在许多年前就己经在国外出现，但由于没有热工理论的指导，炉内温度的测试和 研究缺乏科学的理论依据。近百年来，随着热工理论的逐渐形成，对窑炉的测试 和研究有了很大的发展【4 】。从上世纪初至今，窑炉热工过程的研究方法主要有原 型研究法、相似模拟法、比拟模拟法、数值模拟法等【4 l 【5 】。 原型研究法：原型研究法是以生产中的窑炉原型为研究对象，直接进行研究。 它通过测定和分析窑炉热工参数，观察并判断窑炉各种现象来研究窑炉热工 过程。原型研究主要包括三个重要环节原型参数实测、数据处理、结果分析。 像保温炉热平衡测试、隧道窑温车测试等都属于原型研究。此方法主要出现 在上个世纪初，在此期间，窑炉热工过程研究还停留在粗浅的定性水平上， 现在己经很少有人采用这种方法。 相似模拟法：相似模拟法是基于相似原理，制作原型的实体模型，模拟原型 中的热工过程进行研究。相似模拟法主要应用于两个方面：一是模拟过程取 得基本参数，如对流放热系数的测定；二是模拟生产设备进行实验，为设计 生产设备取得有用信息。 比拟模拟法：比拟模拟法是用一种本质现象去模拟另一种本质现象，虽然两 种现象的本质不相同，但是可以利用描述现象的数学方程的类似原理来进行 比拟模拟。上世纪4 0 5 0 年代，基于类似的比拟方法有了突出的进展，用电 流比拟热流，用对流传质过程比拟对流传热过程，例如，采用导电纸，导电 液或电网模拟二维或三维温度场。由于电的测量容易而且准确，因而电比拟 有很大的优越性。 数值模拟法：数值模拟法是应用数学模型在电子数字计算机上通过数值计算 方法和逻辑方法来反映原型过程的运动规律。数学模型不同于实体模型，数 中南大学硕士学位论文第二章文献综述 学模型通常是单一的方程式或一组方程式或若干组方程式。 经过不断地努力，保温炉内流场、温度场、浓度场的耦合仿真模拟从最原始 的原型研究法到现在的数值模拟法，每一种方法都有各自的优缺点，如表2 1 所 示。从比较中可以看出，数值模拟方法较其他方法有很大的优越性，虽然热工过 程的复杂性使得建立数学模型有一定困难，但是随着计算流体力学、计算传热学、 以及计算燃烧学不断发展，数学模型的建立必将更为成熟和深入。 表2 - 1 炉窑多物理场研究方法比较 2 2 工业炉窑数值模拟的发展与国内外研究现状 数值模拟技术是指对研究对象进行适当地简化，建立计算模型和设定边界条 件，通过离散方法对数学模型进行离散，从而得出计算结果。目前计算流体力学 常用的湍流的数值模拟方法主要有以下三种：直接模拟( d i r e c tn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，d n s ) ，大涡模拟( 1 a r g ee d d ys i m u l a t i o n , l e s ) ，应用r e y n o l d s 时均方程 ( r e y n o l d s a v e r a g i n ge q u a t i o n s ) 。 随着计算机技术日新月异的发展，数值模拟技术发展与应用在过去的3 0 年 中得到了飞速的进步。其技术方面的发展主要包括几何模型的网格结构及生成、 n s 方程解的算法、湍流模型、方程离散格式等数值技术【6 】。 网格生成技术大体分为结构网格和非结构网格生成技术两大类。目前结构网 格生成技术发展己相对成熟，其生成方法大致有适体坐标法、对角直角坐标法、 正交曲线坐标系法三种。结构化网格虽有很多优点，且很适合具有简单几何结构 问题的解决，但对于多部件的复杂流动外形，生成结构网格是困难的，即使勉强 生成网格，其质量也不能保证，从而影响了计算解的真实性和精度。为此，近十 年来又发展了块结构化网格和非结构网格。其中前者是基于结构化网格的思想， 根据问题的条件把整个求解区域划分成若干个子区域，然后对各子区域生成结构 7 中南大学硕士学位论文 第二章文献综述 化网格。另外，在块结构网格生成法中，为了节省人工网格分区和计算机自 动分区的时间，美国的j a s h a w ( 1 9 9 2 ) 和m g b r ( 1 9 9 6 ) 分别发展了自动分 区解法并提出了最小递减区域合并法【6 j 。 非结构网格生成技术在2 0 世纪8 0 年代末到9 0 年代初得到了迅速的发展。 前沿推进法是非结构网格生成法的一种，由l 0 1 9 8 5 年提出。非结构网格生成的 另外一种重要方法是d e l a u n a y 三角形化法。这是一种基于计算几何学的严密规 则上的网格生成法，它是目前主要的网格生成法之一。随着结构化和非结构化网 格在实际应用中碰到的问题，m t a f l o s m i s 等人( 1 9 9 5 ) 在二维湍流计算中提出了 三角形和四边形混合网格的建议k n a k a h a s h i ( 1 9 9 3 ) 提出了三维混合网格。 在上述网格技术得到很大发展的同时，其他网格技术近年来也得到了相应的 发展并引起了不少研究者的兴趣，如自适应网格技术、非结构化直角坐标网格等。 早在1 9 6 5 年，美国科学家h a r l o w w e l c h 就提出了交错网格的思想，促使了 n s 方程原始变量法的发展。为了解决压力没有独立方程的困难，后来在原始变 量法的基础上又提出了人工压缩法( 1 9 6 7 由c h o r i n 提出) 、惩罚法、分步法( 其 思想最早也是由c h o d n 提出) 及压力修正法等。其中以压力修正法应用最广， 它源于19 7 2 年，由p a t a n k a r 与s p a l d i n g 提出的s i m p l e 算法。s i m p l e r ( 19 8 0 ) 、 s i m p l e s t ( 1 9 8 1 ) 、s i m l e c ( 1 9 8 6 ) 等系列算法都是在此法的思想基础上由 p a t a n k a r 和r a i t h b y 等科学家提出的。每种算法都有其各自的特点，但它们都有 一个共同特点在流场迭代求解的任何一个层次上，速度场都必须满足质量守恒方 程，以保证流场迭代收敛。 上述各种压力修正法都是基于交错网格而发展起来的。交错网格虽然成功的 解决了很多问题，但随着数值计算的问题由二维发展到三维，由规则区域发展到 不规则区域，由单重网格发展到多重网格，它的缺点就日益突出。在2 0 世纪8 0 年代，美国两所大学的博士论文中率先提出了将求解的各变量和物性值都置于同 一套网格中的想法，1 9 8 8 年，p e r l e 等撰文也进一步论述了这一想法，此后这种 方法得迅速的发展起来，并得到了较为广泛的运用，这就是基于同位网格的 s i m p l e 系列算法，它成