全氫罩式退火爐加熱罩燒嘴間距布置仿真分析

冀勇，余飛

（中冶南方（武漢）熱工有限公司，湖北 武漢 430223）

1 概述

1.1 背景

某全氫罩式爐加熱罩采用煤氣間接加熱，內罩充滿氫氣保護鋼卷均勻加熱，以滿足薄板光亮退火的要求。爐臺下方采用強制循環風機提高爐內保護氣體流速和循環量，強化爐內對流傳熱，改善爐溫的均勻性，達到節能、增產與提高產品質量的綜合效果。由于燒嘴高度對加熱外罩與內罩之間煙氣加熱時內外罩壁的溫差存在較大影響，因此，需要進行流場模擬仿真確定最佳燒嘴加熱高度。

為了全面、高效并盡可能準確地模擬罩式爐在熱對流循環氫氣的作用下，分析兩種高度燒嘴的火焰溫度對內外罩爐溫、鋼卷溫度均勻性要求，采用計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，簡稱CAE）技術方法對該全氫罩式爐進行溫度流場模擬仿真分析。

1.2 分析內容及要求

（1）用Solid Edge 軟件對罩式爐設備進行三維建模，并建立罩式爐氣流本體的流場仿真分析模型。

（2）模擬兩種高度燒嘴加熱時的罩式爐內部溫度均勻性流場分析。

（3）結合兩種不同高度燒嘴加熱效果，分析內外罩熱均勻性，找出燒嘴均布最佳高度位置。

2 技術資料及數據

由于CAE 網格建模為內罩、鋼卷、氣體三大部分，重點分析內罩熱輻射、熱傳導與對流。本罩式爐內罩材質采用AISI 309S 耐熱鋼。其爐體內部參數設定具體如表1。

3 CAD 模型與CAE 模型

采用Solid Edge 格式的罩式爐鋼結構三維CAD 裝配模型如圖1 所示。其中，零件共460 個，不重復零件個數為97 個。

表1 全氫罩式爐相關參數

圖1 罩式爐三維CAD 模型1/4 剖面圖

圖2 罩式爐三維CAE 模型半剖圖（含750mm 或1500mm 燒嘴高度）

4 溫度流場分析

4.1 分析的方法

分析方法包括求解器及其相應仿真算法的選擇。為了全面且真實地仿真全氫罩式爐內部保護氣體流場的大小和分布，計算內部氫氣溫度流場以及對鋼卷部分溫度熱輻射與對流，分析出兩種高度燒嘴的燃燒火焰對內罩氫氣流場均勻性的差異。因此，根據該罩式爐結構三維Solid Edge 模型，將罩式爐殼體內外氣體與內罩等建立網格模型。這里，選用可用于主流通用流體仿真軟件fluent 作為求解器。

4.2 邊界條件的設置

全氫罩式爐是由上下各6 個燒嘴均布安裝，設置了外罩煙氣出口，內罩隔斷以及內罩鋼卷對流板、鋼卷和循環風機組成。因此，該罩式爐可以設置的進出口和墻的邊界條件設置如表2。

4.3 兩種燒嘴高度-罩式爐流場結果

（1）750mm 高度燒嘴-罩式爐流場結果。由于高低燒嘴傾角與轉角均不同，這里以出口面作為中心剖面截圖（圖3 ～6）。

表2 罩式爐邊界條件設置

圖3 750mm 高度燒嘴-罩式爐溫度流場

圖4 750mm 高度燒嘴-罩式爐速度流場

圖5 750mm 高度燒嘴-罩式爐速度矢量圖

（2）1500mm 高度燒嘴-罩式爐流場結果，如圖7 ～9所示。

圖6 750mm 高度燒嘴-罩式爐速度流線圖

圖7 1500mm 高度燒嘴-罩式爐溫度流場

圖8 1500mm 高度燒嘴-罩式爐速度流場

4.4 主要零部件的結果分析

由于燒嘴、外罩和內罩之間對溫度均勻性起到了極大作用，因此，非常有必要進行拆分單獨分析每個零部件溫差、速度等，從而為后續分析鋼卷加熱溫度均勻性打下基礎。

我們根據罩式爐本體CAE 仿真分析，已得出所有零部件位置的計算結果，表3 歸納了罩式爐在不同燒嘴高度上不同零部件的加熱結果。

圖9 1500mm 高度燒嘴-罩式爐速度矢量圖

圖10 1500mm 高度燒嘴-罩式爐速度流線圖

可以從表3 中統計結果看出：（1）方案1 中，加熱罩內襯壁面溫度為727 ～1100℃，溫差373℃；方案2 中，加熱罩內襯壁面溫度789 ～1000℃，溫差211℃。說明采用方案2 時加熱罩內襯避免溫度更均勻，不同高度下，內襯材料的線收縮率差距小，對內襯工作壽命有直接影響。（2）方案1 中，加熱罩燃燒空間溫度720 ～1100℃，溫差380℃；方案2 中，加熱罩燃燒空間溫度789 ～965℃，溫差176℃。說明方案2 燃燒空間溫度分布更加均勻，進而對內罩溫度的均勻分布更有利。由于方案1 中，燃燒區熱量供給集中，導致燃燒空間溫度局部有1100℃，不利于內罩長期安全使用。（3）方案1 中，煙氣出口溫度848℃，方案2 中煙氣出口溫度784℃，說明采用方案2 時，煙氣出口溫度比方案1 低64℃，排煙管外壁溫度低，能源一次利用率更高，操作環境相對更舒適。（4）方案1 中內罩壁面溫度672 ～1000℃，溫差328℃；方案2 中內罩避免溫度672 ～727℃，溫差55℃。說明方案2 內罩溫度均勻，最高溫度727℃比方案1 低273℃，對內罩工作壽命更有利。（5）方案1 和方案2 對鋼卷加熱溫度均可滿足其要求，但方案2尤佳。

5 結語

（1）本仿真理論結合實際，應用有限元法嚴格根據三維模型轉化有限元仿真模型，參考罩式爐內罩AISI309s 材料和罩式爐內部氣氛和邊界條件進行了計算分析，計算了罩式爐在不同高度燒嘴下內外罩溫差和速度流場均勻性結果。

表3 各主要零部件（局部）流場結果統計

（2）本次仿真雖模型簡化了循環風機和爐臺，但其內部出口網格仍嚴格根據風機尺寸來劃分。

（3）從兩種不同高度燒嘴溫度流場圖中可以看出，750mm 高度燒嘴盡管加熱狀態迅猛，但對外罩耐材墻壁耐熱要求較高，高溫加熱集中，容易引起局部溫差大，同時，對內罩內部氫氣加熱溫度影響不大。而且從溫度場云圖來看，1500mm 高度燒嘴燃燒時內罩氣流流向對稱且均勻，內罩氫氣分層較750mm 高度燒嘴內罩明顯，從而對鋼卷加熱起到了很好的均勻作用。

（4）由于兩種高度燒嘴的罩式爐內罩與外面隔絕，只是內罩外壁沿燒嘴高度加熱的分布高度引起溫差不同較為明顯，對內罩流速影響不大。同時，煙氣出口拐角容易引起湍流，局部溫度和流速較大，但對內罩影響也不大。

（5）兩種方案對鋼卷加熱溫度均可滿足其要求，但燒嘴布置間距的不同對溫度加熱罩內壁溫度分布、內罩表面溫度均勻性、排煙溫度、退火空間溫度均勻性等均有影響，且從仿真結果看，方案2 明顯優于方案1。