爐膛結構對鋼管淬火爐流動與傳熱影響的模擬研究

陶曙明，蘇福永

前言

鋼管淬火爐是鋼管調質工藝中的重要熱工設備，是用于淬火前加熱鋼管的步進式加熱爐，它對物料加熱質量的要求比普通軋鋼加熱爐要高。與普通的軋鋼加熱爐相比，鋼管淬火爐有以下不同：首先，普通加熱爐很長，可達到50 m以上，寬度為5 m左右，而鋼管淬火爐長寬均為15 m左右，近似為方形爐；其次，一般的加熱爐加熱對象為實心方坯或管坯，而淬火爐加熱對象為空心鋼管，且鋼管很長，非常容易彎曲，因此對爐溫均勻性要求更高；普通加熱爐加熱方式為端燒嘴與側燒嘴結合，而鋼管淬火爐為保證鋼管長度方向受熱均勻，燃燒器只安裝在端墻。目前對于普通軋鋼加熱爐的數值模擬很多，而對于鋼管淬火爐的數值模擬很少。蕭百佑使用非耦合法分別建立了全爐模型與鋼坯模型，模擬了鋼坯加熱爐內流場與溫度場；R Prieler等對鋼坯步進式加熱爐模擬時，爐內氣相燃燒采用穩態模型，鋼坯受熱采用非穩態模型分別計算[1，2]；劉向軍等將鋼坯加熱與爐內流場耦合計算，模擬得到鋼坯步進式加熱爐溫度場；歐儉平采用PDF模型與NOx生成模型模擬得到了蓄熱式加熱爐內流場與溫度場[3，4]；史煜宏模擬了連續式鋼管熱處理爐，獲得了鋼管表面熱流曲線[5]。筆者采用Fluent軟件對爐內流動與燃燒過程進行模擬，并通過黑匣子實驗對模型進行了驗證。同時對不同爐膛結構下爐內物理量場進行了模擬研究，對比各方案的優缺點，以期為實際的爐膛結構設計進行指導。

1　爐膛模型的建立

1.1　物理模型

以某公司的鋼管淬火爐為例，鋼管淬火爐爐膛長14.24 m，爐寬14.8 m，爐膛高度4.2 m，排煙口設置在預熱端。

由于鋼管很長，鋼管在爐內沿爐寬布置。為防止鋼管因受熱不均長度方向發生彎曲，將燃燒器全部布置在端墻，其中加熱段布置12個，相鄰間距1.23 m，均熱段布置10個，相鄰間距1.5 m。采用的燃料為混合煤氣，燃燒方式為擴散燃燒。爐膛結構簡圖如圖1。

圖1　鋼管淬火爐爐膛模型

由于達到穩態時爐內鋼管是均勻布置的，為減少計算成本，本文采用穩態求解器，在爐內鋼管運動達到穩定時，將鋼管設置為固定溫度。爐內共布置48根鋼管，相鄰管間距0.296 m，鋼管長12 m，內徑76.25 mm，厚度12.65 mm。

使用GAMBIT繪制網格，為在不同區域劃分不同密度的網格，將全爐切割為多個體。全爐網格數130萬左右，鋼管所在處及其附近采用局部加密的網格，如圖2。

圖2　鋼管處網格加密圖

1.2　數學模型

發生在鋼管淬火爐內的過程是一個復雜的流動、燃燒及傳熱的過程。筆者的研究對象為全爐內流場、溫度場及壓力場的變化，因此進行以下的假設簡化模型：

發生燃燒反應的范圍相比于爐膛尺寸很小，且本文不重點研究燃燒機理，因此將燃燒器簡化為同心圓環；忽略爐墻厚度，將爐墻設置為定熱流邊界；鋼管在爐內勻速運動，即鋼管在爐位置與在爐時間與是一一對應的。據此可根據鋼管溫升曲線設定爐內鋼管溫度。

基于以上假設，控制方程包括：

連續性方程：

能量方程：

動量方程：

湍流模型采用標準k-ε模型，控制方程如下：

由于所述燃燒器為擴散燃燒，因此采用非預混PDF燃燒模型；輻射模型使用DO模型；由于燃燒產生大量CO2與H2O，為輻射參與性介質，因此采用WSGGM輻射吸收系數模型。

1.3　定解條件

入口條件：速度入口，設定值如表1。

表1　速度入口設置值

出口條件：出口設置為壓力出口，出口壓力0 Pa，湍流強度5%，水力直徑1 m。

爐墻壁面邊界條件：無滑移邊界條件，壁面處流體速度為0，近壁面采用標準壁面函數，熱邊界為定熱流邊界。

鋼管壁面邊界條件：無滑移邊界條件，壁面處流體速度為0，近壁面采用標準壁面函數，48根鋼管按照實際溫度依次設置為定壁溫邊界，設定值在第2章測得。

2　管壁溫度與爐氣溫度的實驗獲取

2.1　管壁溫度獲取實驗

為將爐內管壁溫度設置為準確的壁溫，同時測得爐氣溫度對模擬結果進行驗證，對鋼管淬火爐進行了埋偶實驗。實驗管示意圖如圖3。

圖3　黑匣子實驗管示意圖

在管的內部設置測量點，在接近管表面中部布置1個測量爐氣溫度的測量點。鋼管上挖出200×150 mm2的小塊，每個塊上打一個測試孔，將熱電偶安裝好后焊接上去。

安裝示意圖如圖4。

圖4　熱電偶安裝示意圖

鋼管加熱時間為39 min，實驗測得的鋼管溫升曲線如圖5。

圖5　鋼管溫升曲線圖

依據管溫增長曲線，在爐膛模型內依次將48根鋼管設置為定壁溫，設定值如表2（1～48為鋼管編號，1#靠近爐子入口端，48#靠近出口端）。

表2　鋼管壁溫設定值　℃

2.2　模擬爐溫的實驗驗證

為了證明構建的爐膛模擬模型是可信的，爐膛模型中在與實驗時熱電偶安裝的相同位置處設置溫度監測點，得到了模擬的爐溫結果。將FLUENT模擬得到的爐溫結果與實驗測得的爐溫進行比較如圖6。

圖6　模擬爐溫與實測爐溫對比

兩條曲線溫度值與溫度趨勢吻合度較高，僅在爐膛入口處實測溫度較低，這是因為實際生產中頻繁的開關爐門造成的爐溫損失。認為模擬結果可信。

3　模擬結果的分析與爐膛結構的優化

模擬得到的爐溫分布云圖如圖7，壓力分布云圖如圖8，速度矢量圖如圖9。

圖7　爐溫分布圖

圖8　壓力分布圖

從溫度分布云圖（圖7）來看，爐膛上部爐溫明顯高于下部，爐膛底部由于距離燃燒器最遠，為溫度最低的區域；從壓力分布云圖（圖8）來看，預熱段平均壓力高于均熱段與加熱段，爐內壓力最高的區域在爐膛角落處。這是由于氣流在此處碰撞爐墻方向發生變化，形成局部高壓區。由于噴出的熱空氣容易上升會在爐頂角落處形成最高壓。

圖9　速度矢量圖

從流場分布云圖（圖9）來看，燃燒器噴出的氣流大部分經煙道直接排出爐外，造成煙氣熱量的浪費；一部分會沿著爐底回流，在流經爐底時受壁面冷卻后降溫，在爐膛尾部穿過鋼管上升，這也是爐溫曲線在爐膛尾部突降的一個原因。

模擬得到鋼管內外表面所受熱流隨時間變化曲線如圖10。

圖10　鋼管內外表面熱流密度

從圖10曲線中可以看出，鋼管外表面熱流值隨入爐時間不斷減少；內壁面熱流值開始略有上升，這是因為管內攜帶的冷空氣尚未被完全加熱，此后內壁面熱流值開始下降，在爐時間達到1000 s后，內壁面熱流接近為0；鋼管外表面熱流值為內表面10倍左右，即鋼管溫升主要靠外表面受熱。

3.1　燃燒器角度對爐膛流動與傳熱的影響

燃燒器安裝傾角對爐內溫度場具有重要的影響。為研究不同燃燒器傾角對爐內溫度場的影響，本文共設置了0°，5°，10°，15°四種燃燒器傾角α，如圖11。

圖11　燃燒器傾角示意圖

由于下排燃燒器火焰距離鋼管很近，容易對鋼管表面造成燒損，因此只對上排燃燒器傾角進行優化。

模擬得到的四種傾角下爐內的溫度曲線如圖12。

圖12　不同燃燒器傾角下爐溫曲線

從溫度曲線來看，燃燒器安裝傾角對于爐內溫度場是有影響的。當燃燒器安裝傾角為0°時，爐膛的整體爐溫最高。隨著燃燒器傾角的增加，爐膛溫度整體下降。這是因為爐膛在加熱段與預熱段間有一段爐頂的壓下，傾角為21°，當燃燒器傾角為0°時，高溫煙氣會更多的碰撞爐墻，爐墻的壓下段與出口處的端墻對煙氣排出的阻力最大；傾角逐漸向20°增加時，爐墻壓下段與出口處端墻對煙氣的阻力逐漸減小，高溫煙氣會更多的流向煙道出口，造成熱量的浪費，導致與爐內鋼管的換熱不充分。

為定量描述不同燃燒器傾角下爐內加熱效果，本文記錄了四種傾角下鋼管在爐內加熱過程表面吸收的平均熱流值如表3。從表中看出，0°傾角下鋼管表面吸收的平均熱流最大；隨著傾角的增大，熱流值減小。

表3　不同傾角下鋼管表面吸收熱流平均值

綜合爐溫及鋼管吸熱效率因素的考慮，認為燃燒器0°傾角為最佳方案。

3.2　擋墻對爐膛流動與傳熱的影響

由于燃燒器全部安裝在端部，而淬火爐長度僅有15 m左右，因此燃燒器噴出的高溫煙氣很容易從預熱段的煙道直接排出，這在速度分布云圖中可以直觀看出。為了使高溫氣體在爐內停留時間更長，換熱更充分，本文在淬火爐預熱段增加擋墻，阻止高溫煙氣的直接排出擋墻位置如圖13。擋墻厚度232 mm，本文共分3種擋墻高度，分別為0.7 m，1 m以及1.3 m，模擬研究擋墻對淬火爐的影響。

圖13　擋墻位置示意圖

模擬得到3種擋墻高度爐內溫度曲線與擋墻不存在時爐內溫度曲線對比如圖14。

圖14　不同擋墻高度下爐溫曲線

從曲線中可以看出，擋墻存在時在預熱段爐溫低于無擋墻時爐溫，入爐1 m后開始高于無擋墻下的爐溫。產生這種現象的原因，是擋墻的存在隔斷了一部分預熱段與加熱段的爐氣，導致高溫爐氣不能很順利的進入預熱段，從而使預熱段溫度下降，如圖15；在加熱段，擋墻阻擋了將要進入煙道的氣流，高溫煙氣碰撞擋墻后回流至爐內進行充分換熱。此外，擋墻存在會將爐門與高溫氣體隔開，減少了高溫氣體對爐外的輻射與對流換熱。因此加熱段與均熱段爐膛溫度有明顯升高。從圖14中可以看出，隨著擋墻高度的增加，預熱段爐溫越低，加熱段與均熱段爐溫越高。

圖15　擋墻存在時爐內溫度分布

為定量描述擋墻存在對鋼管加熱的影響，記錄3種擋墻高度與無擋墻時鋼管表面在爐內吸收的平均熱流值如表4。

表4　不同擋墻高度下鋼管表面吸收熱流值

從表4中可以看出，擋墻的存在可以提高爐氣與鋼管的換熱效率，且隨著擋墻高度的增加，換熱效率增加越明顯。3種擋墻高度下相對于沒有擋墻時鋼管吸收熱量分別增加了2.64%、3.52%、3.70%。

但擋墻的存在會使爐內壓力升高。爐內壓力過高會影響爐子的壽命，帶來安全隱患，因此需要追蹤不同擋墻高度下爐內最高壓力。3種擋墻高度下爐膛的壓力值如表5。

表5　不同擋墻高度下爐膛壓力值

隨著擋墻高度的增加，爐內平均壓力與最高壓力均有明顯增加。

由于擋墻為1.3 m比1 m時鋼管吸熱量增加很少，但爐內最高壓力與平均壓力增加較大，綜合考慮以上兩因素，認為擋墻高度為1 m為最優方案。

4　結論

（1）爐膛上部為爐內高溫區，高溫煙氣的流動決定了爐膛上部角落處為爐內最高壓區；鋼管外表面吸熱為內表面10倍；

（2）燃燒器安裝傾角對爐內溫度場有影響，傾角越大，爐溫越低，鋼管吸熱量越低，傾角為0°時爐溫最高，鋼管吸熱量最大；

（3）擋墻存在會降低預熱段爐溫，提高加熱段與均熱段爐溫，增加爐氣與鋼管換熱效率；擋墻高度越高，鋼管吸熱量越大，爐內壓力增大，擋墻高度為1 m時為最優方案。

[參考文獻]

[1]蕭百佑.扁鋼坯加熱爐熱流場之非耦合模擬研究[D].臺北：臺灣大學，2008.

[2]Prieler R,Mayr B,Demuth M,et al.Prediction of the heating characteristic of billets in a walking hearth type reheating furnace using CFD[J].International Journal of Heat&Mass Transfer,2016,92:675-688.

[3]劉向軍，趙燕，潘小兵.步進式加熱爐內鋼坯加熱過程的模擬研究[J]. 鋼鐵，2005，40(7)：76-79.

[4]歐儉平，吳道洪，肖澤強.蓄熱式加熱爐內流體流動、燃燒與傳熱的數值模擬[J]. 工業爐，2003，25(1)：44-47.

[5]史煜宏，姜澤毅，武文斐.連續式鋼管熱處理爐熱工過程數值模擬[J].內蒙古科技大學學報，2004，23(1)：52-56.