加熱爐溫度場數值模擬研究進展★

李進心， 康泰宇， 郭 純

（安徽科技學院機械工程學院， 安徽 鳳陽 233100）

引言

加熱爐設備是工業軋鋼加熱的關鍵技術設備，隨著科技的發展，生產能量消耗與日俱增，節能減排、提高品質已成為當務之急[1]。由于目前我國正處于飛速發展的關鍵時期，對鋼鐵生產線實現高速化、智能化和高精度的發展方向，提出了新的技術要求。對加熱爐內溫度場、加熱壓力場等分布場問題，常規的方法一般是通過現場模型檢測或進行模型模擬實驗。加熱數值分析模擬實驗具有數據計算準確、實驗數據參數準確、修改及時、速度快等特點[2]。因此，通過采用數值分析模擬的方法，深入分析其對爐內鋼坯高溫加熱產品質量的影響，可為生產實際提供理論參考。同時，使用軟件模擬實驗可減少不必要的浪費，減輕實驗負擔。

1 加熱爐模擬的發展前景

20 世紀以來，金屬材料應用快速發展和新金屬材料制造技術的應用，使現代金屬材料熱處理的制造工藝技術得到了不斷改進和發展。一個顯著的技術發展歷史階段大約是在1901—1925 年，在現代金屬材料處理工程機械的設計制造中，20 世紀年代中期應用的對井式爐的控制技術，首先進行了控制氣體氧化滲碳。1858 年，發明了大型陶瓷高溫蓄熱室。1982 年，研制生產出了目前世界上第一套蓄熱式大型高溫陶瓷加熱淬火爐燃燒器[3]。鋼鐵工業生產自動化是我國鋼鐵工業應用領域的一個重要技術基礎產業，而在軋鋼的工業生產中對于燃料的大量消耗，主要以生產軋鋼用的加熱爐為最多[4]。

從高壓加熱燃料爐膛、爐管的結構設計，到加熱爐膛和噴嘴的正確位置安放、安裝位置及幾何流體結構，都可以利用CFD 模擬軟件對新型高壓湍流燃料加熱爐膛在燃燒時的過程規律，進行各種數值模擬。該工藝設計過程成本低，能夠及時、準確地獲得燃燒污染物傳熱溫度場和爐內燃燒熱流場的技術細節。同時，這種加熱爐溫度場數值模擬還可推廣應用至其它機械零部件制造領域，具有佷廣的應用前景。

2 模擬軟件介紹

目前，國內外加熱爐溫度場數值模擬軟件較多，其中應用較為廣泛的有ANSYS、CFX4.4 和FLUENT等軟件[5]。ANSYS 軟件是目前最為常用的加熱爐溫度場數值模擬工具，具有簡潔明了的畫面和標準的控制過程。ANSYS 軟件是一種集化學熔融和流體分子力學結構、電磁和流體聲學于一體的大型力學分析軟件。軟件中包含前端的處理軟件模塊、分析、計算時的軟件處理模塊和計算后處理軟件模塊[6]。前處理器的虛擬模塊配置可以自動提供一個能夠自動設計并進行物體數學實驗建模，方便于實驗用戶自行設計構建一個相應的物體數學實驗模型。后處理器能夠把分析的結果用圖片展示的方法準確地呈現在用戶界面上[7]。因此，ANSYS 軟件能力強大，完全可以幫助用戶進行對加熱爐溫度場數值的模擬分析研究。FLUENT 是現在國際和社會廣泛使用的商用CFD 軟件工具包，在系統中，前處理器模塊可以快速完成前處理任務，主要是用于快速進行運算處理分析的解答、運算過程模擬及運算流場的綜合應用。后處理器模塊大部分是使用于運算數據的處理分析信息和分析處理結果的可視化，可以高效查看和處理解析運算結果[8]。

3 加熱爐溫度場模擬

3.1 加熱爐內燃料對溫度場的模型

為了更加方便地研究和控制使用加熱爐，大部分研究將基于加熱爐的溫度控制[9]。在一般應用情況下，只是在加熱爐檢測點周圍的一個細小檢測區域檢測研究整個加熱爐內燃料的平均工作溫度，而不是研究整個加熱爐內平均溫度的復雜變化情況。整個加熱爐內平均溫度的復雜變化情況與整個加熱爐內所有燃料的總發熱量以及加熱爐的承受能力等復雜變化情況密切相關。通過對加熱爐電熱絲進行發熱過程的溫度值來看，加熱爐對整個燃料和所有電熱絲發熱過程所消耗的時間，比加熱爐對燃料和鍛件進行傳熱過程所消耗的時間要小。在通常情況下，兩段式加熱爐溫度的變化動態和特性主要是由兩段式加熱爐對材料和鍛件進行傳熱的過程所影響和決定的，傳熱的形式和過程可以分為導熱、對流和輻射三種傳熱方式，三種傳熱各有不同[10]。

3.2 蓄熱式加熱爐數值模擬

通過基本假設條件，建立蓄熱式加熱爐數值模型，如圖1 所示。使用同一側換向燃燒組織的方式，可以使加熱爐內具有比較理想的溫度，即在加熱爐爐體寬度上的不同溫度場幾乎一致，在加熱爐爐體長度方向上不同溫度場的分布也比較理想。蓄熱式加熱爐采用同側換向燃燒組織的方式，爐膛內相鄰射流場的分布比較平均，并且在爐膛內相鄰射流相互之間的作用下，會逐漸發生強烈復雜的射流混合，并且相鄰射流會漸漸與爐膛內回流時產生的燃燒煙氣相互組合，形成復雜的旋渦，具有一定高溫的燃燒煙氣，在加熱爐內的停留時間逐漸變長，這樣也就有利于大大提高蓄熱式爐子的燃燒熱量綜合利用效率，有利于蓄熱式鍛件質量合格。蓄熱式鍛件在加熱爐內各階段的平均燃燒溫度相對均勻，而在沿加熱爐中鍛件上下表面的平均O2的濃度以及加熱爐中CO2的濃度相對較低，易使鍛件形成一種高溫低氧的蓄熱式燃燒環境，這種燃燒環境變化也有利于蓄熱式鍛件的連續加熱和鍛件的溫度控制。

3.3 步進式加熱爐板坯溫度場的數值模擬

1）在加熱處理過程中，溫度較高的是鋼坯的角部，而鋼坯的斷面與中心的溫度差值較小。

2）鋼坯的溫度在加熱段升高較快，鋼坯的斷面溫度差值最大，預熱段的鋼坯斷面溫度差值較小，均熱段鋼坯斷面溫度差值最小。

3）鋼坯出爐后均熱段斷面溫差稍大于鋼坯加熱工藝需求，應該加長均熱的時間來滿足加熱均勻性的工藝需求。

3.4 步進梁式加熱爐溫度場的數值模擬

通過軟件設計，建立了步進梁式加熱爐鋼坯的完整數學模型和物理動態模型，如圖2 所示。采用有限容積溫度計算方法（FVM），對整個步進梁數學虛擬模型的溫度場進行了離散化計算和仿真。利用Visual-Fortran 計算方法，成功地設計了步進梁式加熱爐內鋼坯溫度場的數值模擬計算，通過數值模擬得出外界因素對加熱鋼坯溫度的影響，空氣量和燃料量的添加差異影響著鋼坯的品質。通過設計和測量，進行分析模擬計算，記錄加熱爐內的溫度場變化分布，得到了加熱爐內鋼坯在整個加熱爐內加熱時間變化研究過程中，上下爐溫度、鋼坯內部的各個不同溫度、不同點之間的變化關系曲線分布。將模擬分析得到的數據結果與加熱爐進行實操實測結果相對比，模擬分析的溫度差值與加熱爐中實際測量值基本相符。

4 結語

通過使用軟件建立模型，模擬加熱爐內的溫度場進行分析，然后以模擬數據為依據進行加熱，可以大大節約制造成本，減少不合格產品，避免造成不必要的浪費。研究成果可為傳統加熱爐應用提供重要理論依據，同時，還可廣泛推廣應用于其他工程機械工業零部件設計制造應用領域。