基于CFD 數值模擬的火焰清理機高溫燒嘴燃燒及冷卻研究

陳作炳，童程光，譚 虹，陳 昊，邱思信

隨著我國鋼鐵冶金技術的快速發展，國產化火焰清理技術在高品質、高附加值鋼鐵材料表面質量的提升中起到了至關重要的作用。但是設備投資及維護成本高和金屬損失率高，是制約火焰清理機廣泛應用于鋼坯表面清理的主要因素。能源介質、關鍵部件的結構對火焰清理機的使用成本有很大影響。由于國內正在使用的火焰清理技術大都是從國外引進的，部分核心技術尚未掌握，例如在火焰清理后的連板坯表面上會出現清理不完全、結瘤等問題。影響了后續產品質量。燒嘴作為火焰清理機的核心部件，直接與被清理產品的表面質量密切相關，同時燒嘴有非常惡劣的工作環境，燒嘴材質很重要，也是最容易造成損壞的核心部件之一。所以要想提高火焰清理質量，減少維修成本，就必須對燒嘴進行流場、燒嘴耦合仿真分析。

劉洋等人運用仿真技術，分析出了火焰清理機熔渣運行軌跡，找到了火焰清理過程中出現的“放炮”問題。秦志明認為調節好火焰清理機的火焰與冷卻水是降低設備故障和避免工藝缺陷的關鍵。張炯等人介紹了馬鋼板坯自動火焰清理機基本參數、工作原理、工作流程、板坯漏清原因及對策和應用情況。韓俊和陳濤分析了火焰清理機的技術參數和應用實例。陳驥等人對火焰清理過程中射流合并對板坯表面質量、沖擊溝痕等機理的研究。劉等人利用有限元分析軟件對火焰清理機燒嘴結構的射流分布進行了分析，并提出了結構優化方案。李光石等人闡述了火焰清理機的國產化與智能化開發應用的前景。

鋼坯生產過程中,鋼坯表面和皮下裂紋、夾渣等各種缺陷會導致軋制工序出現大量廢品和現貨，嚴重影響了軋制成品的質量。隨著我國鋼鐵冶金技術的快速發展，國產化火焰清理技術正在朝向在高品質、高附加值方向進行。關鍵部件的結構對清理效果有很大影響。由于國內正在使用的火焰清理技術大部分是從國外引進，部分核心技術尚未掌握，在火焰清理后的板坯表面上會出現清理不完全、結瘤等問題，影響了后續產品質量。為提高火焰清理機品質技術，對清理火焰和高溫燒嘴冷卻的研究具有重要意義。

鋼坯溝槽主要是由Coanda 效應引起的。被清理表面的傳熱特性與雷諾數、射流間距和射流板間距密切相關。連鑄坯有時會因存在中面縱向裂紋和橫向邊緣裂紋等表面缺陷而間歇性地出現問題。根據調查結果，確定了導致裂縫形成的關鍵因素包括火焰清理機的振動、燒嘴內流體的流動特性、鋼坯的化學性質，并確定了需要進行改造的關鍵區域。張炯等介紹了馬鋼板坯自動火焰清理機基本參數、工作原理、工作流程、板坯漏清原因及對策和應用情況。韓俊和陳濤分析了火焰清理機的技術參數和應用實例。陳驥等對火焰清理過程中射流合并對板坯表面質量、沖擊溝痕等機理的研究。劉海等利用有限元分析軟件對火焰清理機燒嘴結構的射流分布進行了分析，并提出了結構優化方案。李光石等闡述了火焰清理機的國產化與智能化開發應用的前景。

上述研究中，多數是研究燒嘴的射流燃燒，或是通過實驗研究介質對鋼坯清理效果影響，對于高溫燒嘴冷卻的研究，目前基本沒有這方面文獻。尤其是將射流燃燒連同燒嘴及冷卻水作整體化的多相流固耦合仿真研究。本文以目前應用最廣泛的燒嘴結構為研究對象，利用CFD、有限元、多相流固耦合等技術方法，將燃燒域、冷卻水域、燒嘴進行三相耦合模擬，研究了清理火焰的狀態和冷卻水換熱效率，并對高溫燒嘴的冷卻過程作詳細對比分析。

本文將對火焰清理機的燒嘴結構及工作原理進行簡要介紹，根據設備工作要求，結合企業設備實際工作情況，歸納了火焰清理機工作過程中的重要詳細參數。利用有限元分析軟件對燒嘴處的燃燒域、冷卻水域、燒嘴結構固體域進行三相流固耦合仿真分析，對燒嘴的工作高溫分布進行了分析，研究了冷卻水對燒嘴的溫度影響。高溫環境是影響燒嘴使用壽命的重要因素，高溫燒嘴冷卻效果的研究為火焰清理機的維護提供理論指導。

1 火焰清理機工作原理及燒嘴結構

火焰清理單元是火焰清理機產生高速射流的實用部件，通常稱之為“燒嘴”。燒嘴結構示意圖如圖1 所示，由燒嘴底座、大預熱塊、小預熱塊和靴塊（及其流域流道）部分組成。（流道構成）燒嘴底座包含所有四排燃氣通道和氧氣通道。大小預熱快與底座緊密貼合，底座內部的四排氣體通道其中燃氣、氧氣各一排通入大預熱快，小預熱塊內部通入一排燃氣通道，還剩一排氧氣通道由大小預熱塊之間約5mm 的縫隙噴出。

自動火焰清理機的工作原理：利用燒嘴產生的多孔燃氣、氧氣射流形成的非預混燃燒火焰，預熱鋼坯上的局部區域到其熔點，當這塊區域變為熔融狀態時，形成初始熔池，稱為預熱階段;初始熔池形成后，利用槽氧狹縫噴出的連續強氧氣流以一定角度沖擊熔池，同時鋼坯相對于清理機水平移動，隨著板坯移動并穿過火焰清理機，鋼表面上一小層被除去，因此這一層中的鋼缺陷也被除去了，稱之為清理階段。板坯相對于火焰清理機移動，移動速度越低，被清理深度越大，反之亦然。

2 數學模型

2.1 燃燒域

根據上述三維模型，火焰清理機每排是由8 個完全相同燒嘴單元并列而成，只需對其中一個燒嘴單元進行數值仿真計算。利用Space Claim 三維軟件將燒嘴內部管道流域抽取出來，再進行補充外部拓展流域，外部拓展流域尺寸大小要根據燒嘴實際工作情況來確定。例如拓展流域的下表面表示的是待清理鋼坯的上表面，第一，從氣體射流速度來看，當燒嘴出口到鋼坯垂直距離為80mm 時，氣體最大流速正好在鋼坯表面，這將達到最好清理效果。第二，從工藝上來看，在火焰清理過程中，燒嘴首先鎖緊鋼坯，在回升0mm ～25mm 來完成燒嘴對鋼坯的接觸，并達到一個合適的預熱位置，而靴塊有70mm 的厚度。所以從這兩個方面來看鋼坯位置的確定得到了一致性。另外拓展流域大小適當，太小將遺漏重要的燃燒區域，導致仿真結果不準確，太大浪費計算資源，影響計算效率。仿真原則盡可能按照實際情況進行模擬計算，可以忽略部分影響不大的細小特征因素，對局部重要特征區域要保留。

2.2 冷卻水域

冷卻水對燒嘴的恒溫保護非常重要。冷卻水流道的設計遵循以下原則：①不與內部其他管路發生干涉；②不影響燒嘴的裝配；③不影響到燒嘴本身結構強度；④冷卻效果最大化。

根據傳熱原理，對流換熱系數與流體比熱容、冷卻水流道導熱系數成正比關系，且受流體雷諾數影響較大，雷諾數的增大大，傳熱效率隨之提高。

流體流動狀態直接影響流體的雷諾數，在冷卻水管道內部添加耐高溫湍流彈簧，改變流體流動狀態，增強對流換熱強度。

彈簧選為60%壓縮量耐熱型壓縮圓線彈簧，具體彈簧型號選為DSCHA-10-80。

2.3 流固耦合模型

對于燒嘴的傳熱模擬，采用流固耦合的方法，將燒嘴外的燃燒域、燒嘴部件、冷卻水組合成一體。通過流場計算得到燒嘴部件邊界條件后，再對固體域及流體域進行多物理場求解。求解時根據物理場的性質不同，將計算域分為燃燒域、冷卻水域和燒嘴部件固體域。

耦合邊界上的熱邊界條件應滿足下列關系式：

（1）耦合邊界上的溫度連續：燒嘴固體域的邊界面溫度等于冷卻水域的邊界面溫度。

（2）耦合邊界上的熱流密度連續：燒嘴固體域的熱流密度等于冷卻水域的熱流密度。

3 模擬結果分析

3.1 邊界條件

火焰清理機能源介質工況參數，氧氣：純度≥99.5%，壓力1.5MPa；焦爐煤氣；壓力0.5MPa；設備冷卻水：凈環水,壓力0.5MPa。

3.2 燃燒仿真

3.2.1 燃燒域網格模型

考慮到整個燃燒域燒嘴出氣口與外部拓展流域尺寸相差太大，且為滿足計算精度，最小縫隙處至少需要存在兩個網格。設置大尺寸拓展流域網格尺寸5mm，燒嘴管道區域進行局部細化，網格尺寸為2mm，燒嘴出氣口網格尺寸為0.5mm。劃分方式選擇正六面體網格。劃分后的整個燃燒域模型包含1037428 個單元，3551347 個節點。

3.2.2 求解方式

本文利用CFD 數值模擬了焦爐煤氣的燃燒過程，計算過程中湍流模型選擇標準k-模型，在標準k-模型中，流場中的流動均被認為是湍流流動，并不考慮分子之間的粘性，對于溫度的求解采用非絕熱方式，以恒定壁溫作為邊界條件，通過求解流場能量控制方程計算得到溫度分布；考慮到P1 模型和DO 模型的廣泛適用性，在計算域較大時二者都能得到合理的結果，為了減少計算量，本文輻射換熱模型選擇P1 模型。

焦爐煤氣的主要成分為H2、CH4、CO。主要化學反應為：①氫氣與氧氣反應生成水；②甲烷與氧氣反應生成二氧化碳和水；③一氧化碳與氧氣反應生成二氧化碳。反應式中指前因子設為4.9×109，反應活化能198835J/mol。

3.2.3 燃燒域仿真結果

燃燒域最高溫度為4047℃，最高溫火焰位于在射流氣體的交匯處。高溫區域較集中，且靠近鋼坯，有利于快速形成熔池。在高溫火焰以外附近區域，溫度迅速下降，有利于保護燒嘴及鋼坯傳送設備。火焰剛度強，溫度高，火焰形態小，集中性強。

氣體最大流速280m/s，在射流方向與鋼坯相交處氣體混好效果最好，流速最大，利于形成高溫清理火焰。鋼坯表面氣流穩定，利于保證表面清理平整度。清理面以上的流域空間存在旋流，但不與鋼坯表面接觸且旋流速度小，對清理質量不產生影響。

3.3 冷卻水仿真結果

冷卻水的邊界條件可根據第二節工況得知，進口壓力為0.5MPa，水溫300K；管道壁面熱邊界條件，由3.2.3 中可知燒嘴環境溫度應設為燒嘴整體平均溫度458.17℃。由燒嘴材料屬性可查閱為密度：8900kg/m3，導熱系數：401W/m·K。可以看出結構1 整條冷卻水管道換熱系數平均值為364.5067Wm^-2K^-1，一般管道拐角處換熱系數值大。結構2 設計帶湍流彈簧的冷卻水管整體對流換熱系數提高到了445.069Wm^-2K^-1，相對結構1 的層流冷卻管道對流換熱系數提高了80.56Wm^-2K^-1，根據對流換熱理論，由于結構2 的流體雷諾數值大，相應對流換熱系數值越大。從分布圖來看，增加湍流彈簧后的冷卻水管道換熱強度高的位置不在只是在管道拐角處，更多的分布在直管表面部分，使燒嘴得到了更好的冷卻效果。。

3.4 多相流固耦合仿真結果

利用流固耦合，將無冷卻水的燒嘴、有冷卻水但沒有湍流彈簧的燒嘴、冷卻水帶湍流彈簧的燒嘴三種結構仿真結果一起對比分析。3 種結構的燒嘴工作時的表面最高溫度都達到1993.8℃，且最高溫度點均位于燒嘴出口表面，因為該位置最接近高溫的火焰。燒嘴最低溫度都為22℃，這是燒嘴內部與冷卻水接觸的壁面溫度。而燒嘴整體平均溫度相差很大，沒有冷卻水的結構A 燒嘴平均溫度是745℃；通冷卻水的結構B 燒嘴平均溫度是507.08℃；冷卻水帶湍流彈簧的結構C 燒嘴平均溫度是458.17℃。冷卻水的通入使燒嘴降低了237.92℃；湍流彈簧的加入使燒嘴又降低了48.91℃。從溫度分布圖來看，結構A 的高溫覆蓋面積較大，結構B 相對而言，大大降低了燒嘴上的高溫覆蓋面積，對于最后優化的結構C 已經使得燒嘴高溫面積覆蓋達到了最小，冷卻效果達到了最佳。燒嘴靠近火焰的壁面區域因為吸收高溫火焰的熱量，熱流密度最大，換熱強度高。其次是燒嘴內部冷卻管道壁面，冷卻水與燒嘴溫差大，燒嘴主要依靠冷卻水帶走高溫熱量，熱流密度也較大。最后是與周圍大氣接觸的燒嘴表面熱流密度較低。

4 結論

（1）利用CFD 軟件，模擬了燒嘴在實際工況工作時的火焰狀態，對火焰清理機燃燒域的溫度場進行了仿真，分析結果表明最高火焰溫度4320℃，且高溫火焰位于燒嘴出氣口，接近鋼坯表面的位置。該位置燃氣與氧氣達到了充分混合的效果，最高溫接近鋼坯表面滿足火焰清理的最佳狀態。

（2）結合對流換熱理論，通過數值模擬研究了燒嘴內部冷卻水的換熱效率，通過在冷卻水中加入小型耐高溫彈簧，改變了冷卻水的流動狀態，從而提高了整個冷卻管道壁面的平均對流換熱系數，改善了冷卻效果。

（3）通 過ANSYS Workbench 軟 件 中Fluent、Steady-State Thermal 兩個模塊對燒嘴固體域、燃燒域、冷卻水域三相流固耦合模擬計算，對比分析了三種不同結構燒嘴的高溫分布情況。仿真結果表明：由于燒嘴出口接近于高溫火焰，燒嘴最高溫度均為1993℃，且皆位于燒嘴出口；由于內部的常溫冷卻水，燒嘴最低溫度均為22℃，皆位于燒嘴內部的冷卻水管道壁面；燒嘴整體平均溫度相差較大，通入冷卻水的燒嘴平均溫度降低較多，冷卻效果明顯，最終以帶湍流彈簧的燒嘴冷卻效果為最佳，燒嘴平均溫度降低了287℃。

（4）通過對比分析，發現燒嘴內部冷卻水及冷卻管道結構對燒嘴的冷卻有著重要的影響。燒嘴是火焰清理機的核心部件，跟換成本高，通過本次對比仿真分析，為燒嘴的維護提供了理論指導，節省了實驗成本。