盘形锻造加热炉的数值模拟

田瑞娇++梁晓玲

摘 要：盘形锻造加热炉的结构单一、炉子的热效率低、自动化控制水平比较差、炉温的均匀性差。为了提高加热炉的热效率，改善炉温的均匀性，有必要对室式锻造加热炉进行研究及优化。加热炉内温度较高，难以测量内部传热状况，不利于实验研究。为了研究加热炉内的各种热工过程，更加精细的知道加热炉内气体流动、火焰燃烧和内部传热过程，可以利用数值模拟技术进行模拟分析。本文以某公司盘形锻造加热炉为研究对象，对其进行数值模拟，结果表明整体的模拟结果比较真实可信，文中还为存在的问题指明了优化方向，可为实际工作提供指导意义。

关键词：盘形锻造加热炉 数值模拟 温度场 速度场

引言

室式锻造加热炉生产能力较小，炉温能够进行灵活的控制，有利于加热一些对加热制度要求较为严格的特殊钢坯。但是室式炉的结构比较单一，炉体制作过程比较粗糙，炉门等处的封闭性不好，会造成高温炉气的外漏，降低炉子的热效率。另外，室式炉的自动化控制水平比较差，单凭人工控制很难掌握燃烧的效果和保證炉温的均匀性。为了提高加热炉的热效率，改善炉温的均匀性，有必要对室式锻造加热炉进行研究及优化[1]。加热炉内温度较高，难以测量内部传热状况，不利于优化设计和开发新型高效的加热炉。为了研究加热炉内的各种热工过程，更加精细的知道加热炉内气体流动、火焰燃烧和内部传热过程，可以利用数值模拟技术对其进行数值模拟[2-5]，得到炉内流场、温度场、浓度场等的分布并对其进行分析研究，找出可行的节能优化措施。本文以某公司盘形锻造加热炉为研究对象，对其进行数值模拟，并对模拟结果进行分析，寻求优化方向。

1.物理模型的建立

1.1几何模型

该盘形锻造加热炉的主要结构参数为：炉膛高度为1200 mm，炉子内径为8369 mm，炉膛宽度为2835 mm，烟道内径为2700 mm。选取炉底为计算基准水平面，燃烧器中心高度距炉底距离为500 mm，烟道高度为800 mm。烧嘴非均匀的分布在外墙体上，烧嘴的疏密程度以及烧嘴的热负荷与加热制度有关。一加段烧嘴较多且热负荷最大，二加段次之，均热段烧嘴最少且热负荷较小，该盘形锻造加热炉结构俯视图如图1所示。盘形锻造加热炉内燃烧的是高炉煤气和焦炉煤气的混合气体，混合比例为6：5。

图2 盘形锻造加热炉网格划分图

1.2网格划分

本文对几何模型进行了简化，只对炉膛空间进行数值模拟，且视炉门为常闭状态，所以该几何模型较为简单且规则，综合考虑计算的精度和收敛性，使用T-Grid对其整体进行划分网格，主要包含四面体网格单元，划分出200多万个网格。网格生成图如图2所示。

2.数学模型的建立

几乎所有的流动问题都要用到动量守恒方程和质量守恒方程[6]，若实际问题涉及传质传热或可压性流动性特征时，还需要使用能量守恒方程，若研究的流动问题带有粘性特征时，还需要使用粘性应力方程。本文用到的主要方程有：

连续方程：

（1）

动量方程：

（2）

能量方程：

（3）

其中： —密度， —速度， —稀疏相增加到连续相中的质量， —重力体积力和其它体积力，P—静压， —应力张量，H—焓值，m—质量分数。

本文选用标准 湍流模型、PDF扩散燃烧模型、P-1辐射模型，求解方法选用二阶迎风格式。将煤气入口定义为速度入口边界条件，各入口的速度根据不同加热段所需的热负荷来计算得到；空气入口定义为质量入口边界条件。燃烧器选用的是套管式，外管喷射空气，内管喷射燃气。烟气出口边界条件定义为压力出口。为了简化计算，本文将钢坯吸热量计算出来并以热流密度形式定义给炉底相应位置，所以炉底利用热流边界条件定义为吸热边界条件。炉子内外墙体、炉顶统一定义为wall边界条件，看作无滑移绝热壁面。

3.模拟结果分析

3.1压力场分析

图3为各加热段纵截面的炉膛压力场分布图，图4为烧嘴中心所在高度横截面炉膛的压力场分布图。

图3各加热段纵截面压力场分布

图4烧嘴中心所在高度横截面压力场分布

图5烧嘴中心高度横截面不同环线上压力分布

从图3和图4可以看出，整个炉膛处于微正压状态，平均压力在6 Pa左右。炉膛压力从一加段到均热段是越来越小的，这有利于烟气从一加段向均热段流动，烟气顺着钢坯加热方向移动。由于烟气的扰动作用较小，烟气对钢坯的对流换热也比较小。所以在钢坯加热的过程中，辐射换热是占主导的，而对流换热则是次要的。从一加段的压力分布可以看出，压力梯度比较大，在烧嘴附近压力较低，并且分布成环状，外环压力大内环压力低，这有利于烟气的回流，促进热交换，使炉温更均匀。在二加段中间部位压力稍低，四周压力略高，这说明在二加段也有烟气的回流形成了一个漩涡。均热段各处的压力几乎没有变化。从一加段到均热段，燃气的供给量越来越小，所以压力越来越小，烟气的扰动也越来越不剧烈。各加热段的烟道出口处压力都低于炉膛内的压力，这有利于烟气的排出。在炉门处由于没有燃料的供给，压力最低，容易吸均热段的烟气，造成均热段的热损失，不过这部分体积较小，影响可以忽略。

图5为烧嘴中心高度横截面不同环线上的压力分布曲线。从图5可以看出，炉内压力变化的大致趋向是从一加段到均热段成递减趋势，有利于烟气顺着钢坯移动方向流动。从内侧（靠近烟道一侧）到外侧（靠近烧嘴一侧），炉内压力是越来越小的，这有利于烟气的回流，增加烟气停留时间，从而提高燃料利用效率。

3.2 速度场分析

图6为各加热段纵截面的速度矢量图。从图6可以看出，一加段在燃料喷入后形成上下两个漩涡，漩涡区烟气的速度在10 m/s左右，漩涡以外的区域烟气速度比较小，在5 m/s左右。二加段在炉膛上部也形成一个旋涡状，速度较小，在9 m/s以下。均热段炉膛内烟气的速度整体偏低，在5 m/s左右，在炉膛中间也形成漩涡，但是速度太小，漩涡不明显。另外，局部出现倒吸冷空气的现象。在烟道附近由于抽力作用，速度稍大，明显的看到流体向外排。燃气从烧嘴喷出时，以很高的射流速度喷向空间，炉内距离烧嘴较近的烟气在射流的卷吸作用下，也获得一定的流速，和燃气一起向炉膛内部空间扩散开来，随着扩散过程的进行，燃气和烟气的碰撞越来越多，动能在运动中被传递和消耗，速度逐渐减缓下来。总的来说，燃气沿烧嘴中心线喷出，在中心线上速度是先升高，后缓慢递减，同时以中心线为中心向四周逐渐降低。在燃气喷射卷吸的过程中，邻近的气体随燃气一起运动起来，而稍远一点的烟气因为卷吸作用相对较小，相反被卷吸走的气体留下的低压位置产生压差，因此这部分烟气会产生回流现象。

图6 各加热段纵截面速度矢量图

由图6中还可以看到，在烧嘴的上、下方都有与燃气流动相反方向的回流。虽然回流的速度不高，但可以增大在空间的扰动，将射流影响扩散到更远的区域。从燃烧的角度来看，卷吸和回流都会使燃气和空气混合更加充分，增加燃料燃烧时的含氧浓度，使燃烧反应更加充分。在换热角度来看，卷吸和回流会使冷、热气流混合，强化对流换热效果，提高换热效率。因此，适当的卷吸和回流对盘形锻造加热炉内的热工过程是有利的。均热段由于压力过低出现的倒吸冷空气的现象，会造成炉温的降低，废气量的增加，减少向炉内的传热，增大廢气热损失，有待于改进。

3.3 温度场分析

图7为各加热段纵截面的温度场分布图，图8为烧嘴中心所在高度横截面的温度场分布图。

图7 各加热段纵截面温度场分布

图8 烧嘴中心所在高度横截面温度场分布

从图7和8可以看出，一加段火焰较长，炉膛整体温度在1500 K左右，炉膛内各处的温度分布比较均匀。但是火焰的温度偏高，火焰的中心温度可以达到2000 K，而且靠近炉膛底部的钢坯，会造成加热的钢坯产生局部过烧的现象，破坏物料内部金属组织结构，影响产品品质。可以考虑调整烧嘴的角度，使其向上倾斜。二加段火焰稍短，火焰温度比一加段也有所下降，二加段整体温度在1400 K左右，图中可以看出，在烧嘴上下方区域，温度偏低，这是由于缺少对流换热造成的，气体的扰动太弱。但是整体的温度相差不大，在100 K左右，可以忽略此处，也可以通过改变烧嘴的角度或者增加燃气的供给量来增加气体的扰动。均热段火焰较短小，整体温度在1400 K左右，这是由于燃气的速度较小。均热段就是用于维持加热炉内温度，给物料充分时间均热，使其内部热量平衡分配，温度场尽量均匀。因此供气量并不需要太大，只要维持工件锻造温度即可。

4.结论

从以上的分析可知，该盘形锻造加热炉内的压力维持在6 Pa左右，比较合适，但是压力场的分布略显不均匀；速度场有漩涡出现，有利于热量的交换，但是在均热段出现倒吸冷空气的现象；温度场相对较均匀，但是平均温度略低。整体的模拟结果比较真实可信，可为实际工作提供指导意义，但上述存在的问题需要改进，可尝试通过降低炉膛压力、调整烧嘴角度等措施进行优化。

参考文献：

[1]张艳明，宋扬.室式锻造加热炉的设计创新[J].工业炉，2012，（1）：10-13

[2]陈闵叶，凌志光.室状加热炉金属加热过程的数值模拟[M].能源研究与信息2007，（12）：271-275

[3]张旦天等.环形加热炉热过程数学模型及其数值仿真系统[J].Equipment Manufactring Technology，2007，（9）：38-41

[4]陈光等.中板厂加热炉数学模型数值模拟[J].冶金能源，2009，28（6）：18-23

[5]Sang Heon Han， SeungWookBaek， Sang Hun Kang.Numerical analysis of heating characteristics of a slab in a bench scale reheating furnace[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2007，（50）：89-92

[6]赵博宁.天然气在蓄热式锻造加热炉上的应用及模拟[D].西北工业大学，2007，13（3）：15-17

作者简介：

田瑞娇（1990-），女，汉族，安徽灵璧人，助教，硕士，主要从事能源与动力工程研究；梁晓玲（1989-），女，汉族，吉林松原人，助教，硕士，主要从事流体机械方向研究.

基金项目：

安徽省教学研究重大项目（校级2016jyxm0908）