火焰清理機燒嘴結構優化設計

劉海 劉洋

摘要：針對火焰清理機使用效果不佳的問題，本文利用有限元仿真技術分析了燒嘴射流分布規律，找到了燒嘴火焰最高流速區域與鑄坯高度不匹配的主要問題，并提出了兩種優化改進方案，最后基于流場分析技術，研制了新型鴨嘴式燒嘴。新燒嘴上機使用后，鑄坯清理時間和改判量大幅降低，成效顯著。

關鍵詞：火焰清理機;板坯連鑄;燒嘴;結構設計;仿真分析

隨著制造業的不斷發展，市場對鋼板表面質量要求越來越高，特別是汽車用鋼對鋼板表面質量的要求近乎苛刻。鋼坯表面質量的好壞是最終產品質量優劣的一個很重要的影響因素，如果板坯表面有小的瑕疵，軋制成材后將擴大成幾米的缺陷。為獲得高表面質量產品，減少產品質量缺陷，需要對板坯進行清理，去除板坯表面可見缺陷。相比其他表面清理工藝，自動火焰清理具有降低生產成本、改善工作環境、節省時間、提高產能等優勢，目前火焰清理技術已在寶鋼、首鋼、本鋼、舞鋼等鋼鐵企業廣泛應用。

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，導致火焰清理工藝仍存在一些問題，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，所以要想提高火焰清理質量，就必須從燒嘴流場分析入手。

一、火焰清理機主要技術參數和結構簡介

（一）主要技術參數

2014年，武鋼有限公司從美國L–TEC公司引進了一臺CM–90–8–1型板坯火焰清理機，其板坯清理厚度范圍為210mm～250mm，板坯清理寬度范圍為700mm～2150mm，板坯清理長度范圍為為6000mm～11000mm，其可清理超低碳鋼、低碳鋼、包晶鋼、中碳鋼、低合金鋼、高碳鋼等。

（二）火焰清理機結構

火焰清理機主要由清理機本體小車、能源介質閥站、能源介質軟管拖鏈等機械設備以及相應的電氣自動化設備組成。

清理機本體小車安裝在兩條軌道上，本體主要包括上下浮動梁、燒嘴支撐架和燒嘴。清理小車在清理位和檢修位之間移動，清理板坯時小車開至清理位，更換燒嘴等檢修情況時開至檢修位。

能源介質閥站用于控制保證火焰清理機正常工作使用的燃氣：氧氣、氮氣、壓縮空氣和水，閥站的各介質管路上有球閥、安全閥、調節閥、壓力變送器、壓力開關、壓力表等以及相應的電氣控制箱以便調節介質各項參數。

能源介質軟管拖鏈由各種能源介質軟管及其支撐拖鏈本體組成，用于連接能源介質閥站和清理小車上的管線。

電氣自動化設備主要包含傳動和控制柜PLC操作臺和監視設備等。

能源介質主要包括氧氣、天然氣、氮氣和壓縮空氣，其中氧氣工作壓力允許范圍為1.471MPa～1.961MPa，清理時壓力允許波動±0.275MPa，最大流量為543.1Nm3/min;天然氣工作壓力允許范圍為0.45MPa～0.55MPa，熱值為8300kcal/Nm3，最大流量為93.0Nm3/min;氮氣工作壓力允許范圍為0.4MPa～0.6Mpa，最大流量為33.0Nm3/min;壓縮空氣工作壓力必須大于0.55Mpa，最大流量為32.1Nm3/min。

二、燒嘴射流技術研究

引進的板坯火焰清理機在使用過程中，在使用過程中存在火焰不集中，板坯預熱速度慢，清理質量不佳等問題，為了找到原因，對燒嘴射流技術進行了研究。

（一）控制方程

在火焰清理機自動清理的過程中，燃料氣體與氧氣從燒嘴中噴出，這一過程是一個復雜湍流射流的問題。為了簡化計算，在整個建模過程中忽略溫度影響，假設整個射流過程為絕熱過程且流體介質為不可壓縮空氣，且氣體流動應遵守連續性方程和動量守恒方程。

（二）三維模型建立

由于板坯上下表面的噴嘴結構形式相同，為了計算方便，僅選取了板坯上方的一組燒嘴（23個）進行系統仿真（。根據現場燒嘴結構尺寸建立了三維仿真模型后，結合燃氣工作參數，對邊界條件進行了設定。其中氧氣總流量為506Nm3/min，每一個噴嘴的氧氣流量為22Nm3/min;天然氣總流量為92Nm3/min，平均到每一個噴嘴孔大約為4Nm/min;燒嘴與板坯之間的噴射角度為35°;燒嘴出口距離板坯垂直距離為40mm。

（三）仿真結果分析

從燒嘴射流云圖上可以看出，燒嘴內氧氣最高流速為300m/s，位于燒嘴射流方向與燒嘴下方距離20mm水平面的交匯處，而且隨著距離的變大，燒嘴流速逐漸降低。目前，essu燒嘴與板坯的垂直距離為40mm，由此可見該燒嘴火焰流速最大的位置不在板坯上，這嚴重影響了板坯清理效果;同時，從燒嘴流場分布圖上發現，氧氣射流方向一致性較差，且部分氧氣射流呈回流狀態，這就導致板坯在清理過程中表面熔融鋼液部分回流，在板坯表面形成結瘤，這與實際情況較為一致。

由此可進，必須對燒嘴結構進行改進性，優化燒嘴與板坯距離，使燒嘴出口氧氣最高流速與板坯相切，從而來提升板坯火焰清理效果。

三、燒嘴結構優化設計

為了提升板坯清理效果，提出了兩種燒嘴改進方案。第一種是將燒嘴與板坯垂直距離下降20mm，使氧氣燒嘴的最高流速位置與板坯相交;第二種是將燒嘴與板坯垂直距離下降40mm，使燒嘴出口直接與板坯接觸。

（一）方案一仿真結果分析

從燒嘴射流云圖上可以看出，燒嘴內氧氣最高流速仍為300m/s，主要位于燒嘴氧氣射流與板坯接觸的部位;同時，氧氣流場運動方向一致性較好，均沿著噴嘴方向向前，極少氣流呈回旋狀態，這說明該方案有利于火焰清理。

（二）方案二仿真結果分析

與方案一相比，該方案燒嘴內氧氣最高流速也為300m/s，主集中在燒嘴氧氣射流與板坯接觸的部位，氧氣流場運動方向一致性雖然比改進前有所提高，但仍然較差，部分氧氣存在回流和逆向運動。

終上所述，兩種改進方案均有利于提高氧氣流場運動一致性，但方案二的改進效果較差，因此方案一的改進方案最優，更有利于板坯表面清理。

（三）燒嘴結構優化

為了達到將燒嘴與板坯垂直距離下降20mm的目的，通過理論計算，設計了新型鴨嘴式燒嘴，即將原來燒嘴的上部預熱塊從60mm增加到100mm，并采用整體鑄造技術，將原來上預熱塊的組裝式結構變成整體式結構，這樣極大縮短了燒嘴更滑時間。

四、效果分析

新型鴨嘴式燒嘴上機應用之后，燒嘴火焰高度集中，板坯清理速度明顯變快，單塊板坯清理時間由原來平均60秒縮短為40秒。同時，鍍鋅汽車面板軋后夾雜發生率同比下降了34.3%，單線類缺陷條數平均值從3.77條降至1.86條，雙線類缺陷則從0.29條降至0.23條，產品質量得到大幅度提升。

五、結論

（1）利用有限元仿真分析軟件對火焰清理機燒嘴射流分布進行了深入研究，找到了燒嘴火焰最高流速區域與鑄坯高度不匹配的主要問題。

（2）提出了兩種不同的優化改進方案，并通過燒嘴射流分布規律研究，完成了新型鴨嘴式燒嘴結構設計。

（3）新型鴨嘴式燒嘴上機后，使單塊板坯清理時間降低1/3，產品質量缺陷量降低34.3%，成效顯著。

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