脉冲燃烧炉炉温场的数值模拟

脉冲燃烧炉炉温场的数值模拟

钢渣的加热质量直接关系到钢产品的质量、产量、能耗和设备的使用寿命。提高钢渣的加热质量，提高钢的弹性，减少热交换时间的抗应力，减少燃料消耗和氧化损失。炉膛温度场的均匀性是衡量加热质量和保证钢坯加热均匀的一个重要因素。脉冲式加热炉能够很好地提高能源的利用率和钢坯加热质量,但炉膛温度场的均匀性仍有待进一步优化。合理的烧嘴布置和偏移角度,能够优化炉子热交换过程,有效组织炉膛气流,大大提高炉膛温度场的均匀性,改善加热质量。根据炉膛结构及尺寸、加热钢种、坯料形状、燃料及轧钢温度的不同,对烧嘴的分布和最佳偏移角度的要求都不相同。本文以某钢厂台车式脉冲燃烧加热炉为研究对象,通过对加热炉热流场的数值模拟,采用小步长试探的方法,优化得出了加热炉烧嘴的分布情况和偏移角度,改善了加热炉温度场的均匀性,获得了良好的加热效果,大大提高了产品的合格率和优质率。1分析加热炉的热流场价值1.1加热炉内炉气流动模型加热炉依靠燃料燃烧后生成的气态燃烧产物的流动过程把热量传给被加热的钢坯。以天然气为燃料的加热炉燃烧过程与气体力学紧密相关,加热过程中的炉膛内炉气流动、对流传热与燃烧过程几乎全部是湍流过程,湍流模型是加热炉热过程数学模型的基础。常见的湍流模型有:零方程模型、单方程模型和双方程模型。其中,湍流流动的k-ε双方程模型在实际工程应用中取得了巨大的成就,给出了大批与实验吻合的数值解,使越来越多的科技人员认识到湍流k-ε双方程模型的可靠性和实用性,是目前应用最广泛的工程模型。因此用k-ε双方程湍流模型描述加热炉内炉气流动过程,进而得到温度场的分布情况是完全适用的。鉴于炉膛热过程炉气流动的实际情况,本文采用了该模型。1.2湍流扩散方程加热炉燃烧过程是一个湍流燃烧过程,控制加热炉燃烧过程的基本方程由以下方程组成。连续方程:动量方程:组分方程:式中:ρ—流体密度t—时间ui、uj—直角坐标系i和j方向的速度xi、xj—直角坐标系i和j方向的坐标μ—黏性系数p—压力h—热焓Γh—热交换系数—热焓源项ωs—组分的质量分数Γs—组分扩散系数—反应源项湍流动能方程k:湍流扩散方程ε:式中:k为湍流脉动动能;μt=Cμρk2/ε为湍流动力黏性系数,Cμ=0.09;CD为系数,CD=0.08~0.38;l为湍流的脉动普朗特混合长度;ε为湍流脉动动能耗散系数;C1为系数,C1=1.44;C2为系数,C2=1.92。2内部温度场的均匀性优化2.1钢加热炉的工艺参数本文以某钢厂脉冲式台车加热炉为研究对象,加热炉的主要参数如表1所示。2.2烧前安全性模拟合理的喷嘴布置和偏移角度是实现高效燃烧、确保加热效果的关键。有关工具书中规定的上下排烧嘴能力比例为下排80%~90%,上排10%~20%。对日益发展的台车加热炉来讲,实践证明是不合适的。上下排布置能力应为下排50%~70%,上排30%~50%。国外同等规模的加热炉实际应用也是这种分配,否则就会引起上下温差加大,造成局部过热现象。本设计中,根据实际情况,烧嘴布置在加热炉两侧炉壁上,每侧分上下两排分布。初步确定为上排烧嘴数目小于下排。由于钢厂原有系统烧嘴总数为14个,满足加热需求,所以最终每侧炉壁上上排布置3个烧嘴,下排布置4个烧嘴。烧嘴的分布情况如图1所示。如图1,该台车式加热炉炉长为5.3m,宽为3m,高为3m,所采用的烧嘴为脉冲式烧嘴,所有烧嘴等间距分布。下排烧嘴安装高度为距炉膛底部0.6m处,距炉门和炉尾各0.7m,烧嘴间的距离为1.3m。上排烧嘴与下排烧嘴垂直间距为1.3m,与下排烧嘴交错布置,距炉门和炉尾各1.35m,各烧嘴间相距1.3m。根据本文1.2节的控制方程,借助于计算机,用数值方法对加热炉热流场进行数值模拟。模拟过程中采用小步长试探法逐步改变烧嘴偏离水平方向的角度,并不断观察模拟过程的数值结果和炉膛内流体分布变化规律,逐渐优化烧嘴的偏移角度,直到实现炉膛温度场的均匀分布。具体步骤为:先优化上排烧嘴的角度,从水平方向以1°的步长逐步向上偏移,探寻最佳偏移角度;再优化下排烧嘴的角度,同样从水平方向以1°的步长逐步向上偏移逼近最佳控制状态;最终得到了炉膛热流场和温度场的最佳分布,实现了加热过程燃烧氛围的最优控制。烧嘴偏移角度的优化不仅有利于温度场分布的均匀性,而且可以避免烧嘴火焰直烧钢坯,造成局部过热,这也是有利于提高钢坯加热质量的。修正后,上排烧嘴向上倾斜15°,下排烧嘴向上倾斜8°。3炉内温度分布合理布置烧嘴后,炉膛内温度场的均匀性得到了很大提高。炉膛中部接近钢坯的部分温度非常均匀,这样有利于钢坯温度的稳定和均匀,便于提高加热质量。烧嘴布置和偏移角度优化后,对加热炉热流场进行数值模拟,得到的炉内温度场分布如图2所示。图中深色区域表示温度较高,可达1600℃。随着颜色变浅,炉气温度沿炉宽方向从两侧到中间,由高到低呈梯度变化趋势,接近钢坯部分,炉气温度基本达到稳定,维持在1240~1260℃左右。沿炉长方向看,炉温分布均匀,炉前、炉中、炉后温度维持在同一温度范围。实际运行过程中,在炉膛前部、中部和尾部各取一个测量点,用热电偶测取实际炉温值,均热段三处炉温变化情况如图3所示。图3中,曲线1为炉前温度变化曲线,曲线2为炉中温度变化曲线,曲线3为炉尾温度变化曲线。从图中可以看出,炉膛温度达到稳定后,炉前、炉中和炉尾的温度基本上都维持1250℃左右,炉温分布均匀,达到了控制要求。4烧圆位置的影响通过对某钢厂台车式脉冲燃烧加热炉炉膛气流湍流模型的数值模拟,得到了炉膛内温度场的分布情况。对于该台车式加热炉,14个脉冲烧嘴即能满足加热需求。烧嘴安装在炉膛两侧炉壁上,上下各两排,均匀分布,上排3个烧嘴,下排4个烧嘴。数值模拟结果表明,上排烧嘴向上倾斜15°,下排烧嘴向上倾斜8°,能使炉膛温度