1、1加热炉内流场的模拟与分析【摘要】本文采用了流体动力学的计算软件（CFD，Computational Fluid Dynamics） ，结合某钢铁公司的轧钢加热炉的使用情况，进行了加热炉流场的模拟和分析。主要分析了加热炉内部的气体是如何流动的，流动速度以及压力的分布情况。结果显示，该公司的加热炉还存在些许不足，因此后期需要得到改造。 【关键词】加热炉；模拟；分析 中图分类号：TU822+.2 文献标识码： A 一、前言 轧钢加热炉是当下使用较为普遍的一种加热炉，该加热炉主要使用金属加热的工艺，以及金属加热规定的制度进行工作。目前，轧钢加热炉内部的流场和温度场的分布情况已经是众多专家研究的重点对
2、象。 二、加热炉模拟的发展 加热炉、裂解炉设备是炼厂最常用的加热设备。生产实践中要使所设计的加热炉既满足热负荷的要求，又达到高效率、高质量、低能耗、低污染的目标，这就使得我们必须详细了解加热炉内燃烧、传热及污染物形成的过程及规律。数值模拟是对上述过程进行研究行之有效的方法。从最初的炉膛、炉管设计，到喷嘴的安放位置及几何结构，都可以利用CFD（Computational Fluid Dynamics，即计算流体力学）软件对加热炉进行数值模拟。利用 CFD软件对加热炉进行数值模拟已经成为研究炉内2燃烧和传热过程的强有力手段，其投资成本低，并能得到炉内温度场和流场的详细信息，可为设计新型高效加热炉提
3、供理论指导。随着湍流燃烧模型的不断完善以及数值计算的不断发展，该方法已逐渐成为研究加热炉内燃烧过程的常规方法。 三、加热炉的模型化 1、加热炉基本概况 某钢铁公司线材厂使用的轧钢加热炉是推钢式连续加热炉，供热的形式为端部、顶部和侧部供热，燃料选择高焦混合煤气，设计成端进侧出的进料形式，加热炉的具体结构如图 1。加热炉起初的设计目标是70t/h，后期提高了生产管理水平以及改变了送料方式，目前的生产能力上升到 98t/h。由于生产能力上升，因此，单个料坯能够燃烧的时间已经大大缩减，均热床的效果下降，这种料坯加热后期的水管黑印非常恶劣。同时，起初设计的炉膛结构只能够满足 70t/h的生产能力，在目前
4、生产效率提高的情况下，加热炉的部分结构已经不能够完全满足生产的需要，导致生产加热的效果远远不能够达到预计的要求。 图 1推钢式加热炉的外型轮廓图 按照火焰炉的设计结构和燃烧的情况，如果加热炉需要加热的染料发生了变动，内部的料坯运行的情况也会出现改变，炉内的供热以及供热分布也会出现不同的改变。如果要炉膛内供热分布和加热能够科学，加热炉内部的压力也必须能够适时的展开设计修正工作。按照加热炉热工方法，加热炉结构和操作的联系为：操作一定要严格按照结构的特征，3结构要尽可能的满足操作的需要。由于该钢铁公司的加热炉的产量出现了巨大的变化，而炉膛结构没有进行针对性的修成，所以，导致了加热炉不能够满足操作的需
5、要，科学的热工操作和调节效果达不到要求。 2、模型化设计 为便于模型研究，在不影响分析结果的前提下对加热炉进行假设： （一）加热炉处于正常生产下的稳定状态，忽略钢坯的移动速度，认为钢坯为相对静止； （二）为节省计算时间和计算空间，加热炉的计算模型按轴对称仅取加热炉实际炉宽尺寸的一半，其另一半按镜象处理；炉内钢坯被看成连续整体； （三）忽略钢坯下部的水梁结构； （四）矩型入口代替燃烧器圆形入口； （五）暂时不考虑浮力的影响。 考虑到加热炉内的气体流动特点，在直角坐标系中，建立不可压缩流体的时均控制方程，采用模型进行分析。其控制方程包括连续性方程、动量方程、k 方程、方程以及湍流粘性系数表达式。
6、3、炉内的温度场模拟 初始条件和边界条件： 喷嘴进口按预热温度和燃烧混合煤气的负荷确定相应的速度 u j和预热温度 T，特征长度取喷嘴的当量直径，湍流强度 I 由 I=0.16Re1/8确定； 加热炉在运行过程中，炉内压力保持微正压，故出口边界条件取压4力出口，且设定为 5 Pa； 假设为无滑移绝热壁面条件，炉膛内壁采用标准壁面函数，加热炉壁温 T wall 按各部分的具体情况取为定值。得到的加热炉内温度场为图2和图 3。 图 2炉长方向温度变化 图 3炉宽度方向炉温变化 四、计算结果与分析 图 2显示的为加热炉顺着长度方向轴向垂直截面表现出的流场速度矢量分布情况图，图 3是顺着炉子长度方向下
7、部炉膛水平截面的速度矢量分布情况图。从图 2能够分析出，在炉膛的上半个空间内，伴随着燃料不断被送入到炉膛，在炉膛维护功能的导向效果中，出现了炉头速度低，炉尾速度不断变大的速度矢量。从速度矢量不断增加长度的情况看，炉内气体的流动速度已经不断加快，这种情况能够与炉顶顺着长度方向设置的燃烧器符合。由炉头至炉尾，距离炉头越近，高温气流的辐射放热效果将会不断加强，然而气流速度不断加快，这可以为低温的入炉钢坯塑造一个非常适合的对流换热场所。所有这些的流动情况能够形成一个符合逆流加热的炉内温度场。再看图 3，炉膛下半部结构空间，顺着炉子长度方向上的速度场分布情况有非常大的不同，第一加热段和第二加5热段的速度
8、流动情况差别比较大。 分析图 3中，下部炉膛的水平截面的速度情况后发现，即使加热炉的宽度超过了 9m，但是，由于使用了双侧和端部供热的方式，第一加热段下部炉膛空间的速度分布情况依然是很科学均匀。而第二加热段的下部炉膛空间的速度分布情况却不是非常科学均匀。在依照统计分析和计算后的结果来看，之所以会出现这种不均匀的情况，最重要的原因是下部炉膛中间有隔墙的存在。由图能够分析出，隔墙的下游部分有比较激烈的绕流，因此，这个隔墙很大程度上导致了气流的顺行不够的顺畅。再看图 2里面的第一个图，图片显示在靠近炉膛侧墙 50mm的地方的纵向截面速度分布情况，从图片分析来看，位于上部炉膛和下部炉膛的交界处的速度矢
9、量的方向是侧向上，所以，这一处的气流是有激烈侧上翻的迹象。预热段下部炉膛空间的速度矢量越靠近炉尾就越大，这和烟道抽力效果的实际情况比较符合。 分析炉膛的静压分布后，结果表现在图 4、图 5中，炉膛的上部空间的静压分布是较为均匀的，这一点与上部炉膛空间极其均匀的速度场分布比较吻合。下部炉膛中的第一加热段的炉膛中部，有一个比较突出的高静压区域，其分布于底部隔墙的上方，所以，这一高静压区之所以能够形成是因为隔墙会对炉内气流运动造成一定的阻隔。 上面的数值模拟计算分析得出的结论发现，加热炉的速度场与静压力场的数据和加热炉的现有结构、运行情况非常的符合。加热炉在承受高生产效率的时候，炉膛高温朝着炉尾扩散
10、，但是，炉底的隔墙阻止了高温气流朝着炉尾延伸，导致了下部炉膛压力失去控制，使烟道抽力的6调节失去了基本的效果。导致了炉膛下部隔墙以下的加热效果变差，料坯下表面缺乏受热，这一点与强化加热需要的加热要求不符合，这也是生产过程中有水管黑印的根本性因素。所以，本文通过研究把炉膛底部的隔墙去除，随后再次模拟计算的炉膛静压分布情况见图 6。 图 4 沿加热炉长度方向的轴向垂直截面速度矢量分布图 图 5 沿炉长方向水平截面的速度矢量分布图（y= -500mm） 图 6 沿加热炉长度方向轴向垂直截面上的静压分布图 图 7 加热炉沿长度方向水平截面上的静压分布图（y=-500mm） 图 8除去炉膛底部隔墙后的炉
11、膛静压分布 五、加热炉技术发展方向 1、高效的相变热传导技术的应用。相变热传导以水蒸气作为传热介7质，换热效率高。水在封闭的炉壳内受热蒸发、冷凝，水损失小，密闭炉壳内不易结垢，热传导系数稳定，使得加热炉维持在较高换热效率(大于 90%)，而且运行安全可靠。 2、加速国产化高效燃烧器研究，重点创新发展转杯雾化和内部混合雾化、外部混合雾化技术。这些先进的雾化技术不仅雾化效果好、燃烧完全、火筒清洁，而且能适应各种轻油、重油和天然气燃料。为了使燃烧器处于良好的工作状态，建议增设燃料油处理系统，清除燃料油中的固体杂质。 3、换热盘管结构形式和材料研究。换热盘管是非常关键的部件之一，盘管设计必须考虑适应不
12、同的生产介质，包括油类、气类和污水类介质，考虑各种介质的腐蚀性和管体结垢。同时，在结构上要考虑方便清理、维护和更换。 4、自动化控制与监测技术的应用。自动化控制是流程设备的发展方向，加热炉也不例外。实践证明，自动化控制实现自动吹扫、供空气、自动点火、燃烧、自动停机和启动，自动控制运行参数，可使燃料利用率达 99.5%以上，加热炉效率达 88%91%，方便操作，生产介质温度可以精确控制。 六、结束语 综上所述，本文使用了数值模拟的办法，准确的对轧钢加热炉的流场进行了模拟和分析，分析的结果已经能够很好的体现出改轧钢加热炉的流场情况和压力、温度场分布情况，可以为后续的改造提供参考依据。8【参考文献】 1青格勒.步进梁式加热炉内板坯数值模拟M.北京科技大学学报,2010. 2李宝宽.一种间歇式轧钢加热炉温度场的研究J.东北大学学报:自然科学版,2008,29(5).
