全氢罩式退火炉加热罩烧嘴间距布置仿真分析

冀勇，余飞

（中冶南方（武汉）热工有限公司，湖北 武汉 430223）

1 概述

1.1 背景

某全氢罩式炉加热罩采用煤气间接加热，内罩充满氢气保护钢卷均匀加热，以满足薄板光亮退火的要求。炉台下方采用强制循环风机提高炉内保护气体流速和循环量，强化炉内对流传热，改善炉温的均匀性，达到节能、增产与提高产品质量的综合效果。由于烧嘴高度对加热外罩与内罩之间烟气加热时内外罩壁的温差存在较大影响，因此，需要进行流场模拟仿真确定最佳烧嘴加热高度。

为了全面、高效并尽可能准确地模拟罩式炉在热对流循环氢气的作用下，分析两种高度烧嘴的火焰温度对内外罩炉温、钢卷温度均匀性要求，采用计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，简称CAE）技术方法对该全氢罩式炉进行温度流场模拟仿真分析。

1.2 分析内容及要求

（1）用Solid Edge 软件对罩式炉设备进行三维建模，并建立罩式炉气流本体的流场仿真分析模型。

（2）模拟两种高度烧嘴加热时的罩式炉内部温度均匀性流场分析。

（3）结合两种不同高度烧嘴加热效果，分析内外罩热均匀性，找出烧嘴均布最佳高度位置。

2 技术资料及数据

由于CAE 网格建模为内罩、钢卷、气体三大部分，重点分析内罩热辐射、热传导与对流。本罩式炉内罩材质采用AISI 309S 耐热钢。其炉体内部参数设定具体如表1。

3 CAD 模型与CAE 模型

采用Solid Edge 格式的罩式炉钢结构三维CAD 装配模型如图1 所示。其中，零件共460 个，不重复零件个数为97 个。

表1 全氢罩式炉相关参数

图1 罩式炉三维CAD 模型1/4 剖面图

图2 罩式炉三维CAE 模型半剖图（含750mm 或1500mm 烧嘴高度）

4 温度流场分析

4.1 分析的方法

分析方法包括求解器及其相应仿真算法的选择。为了全面且真实地仿真全氢罩式炉内部保护气体流场的大小和分布，计算内部氢气温度流场以及对钢卷部分温度热辐射与对流，分析出两种高度烧嘴的燃烧火焰对内罩氢气流场均匀性的差异。因此，根据该罩式炉结构三维Solid Edge 模型，将罩式炉壳体内外气体与内罩等建立网格模型。这里，选用可用于主流通用流体仿真软件fluent 作为求解器。

4.2 边界条件的设置

全氢罩式炉是由上下各6 个烧嘴均布安装，设置了外罩烟气出口，内罩隔断以及内罩钢卷对流板、钢卷和循环风机组成。因此，该罩式炉可以设置的进出口和墙的边界条件设置如表2。

4.3 两种烧嘴高度-罩式炉流场结果

（1）750mm 高度烧嘴-罩式炉流场结果。由于高低烧嘴倾角与转角均不同，这里以出口面作为中心剖面截图（图3 ～6）。

表2 罩式炉边界条件设置

图3 750mm 高度烧嘴-罩式炉温度流场

图4 750mm 高度烧嘴-罩式炉速度流场

图5 750mm 高度烧嘴-罩式炉速度矢量图

（2）1500mm 高度烧嘴-罩式炉流场结果，如图7 ～9所示。

图6 750mm 高度烧嘴-罩式炉速度流线图

图7 1500mm 高度烧嘴-罩式炉温度流场

图8 1500mm 高度烧嘴-罩式炉速度流场

4.4 主要零部件的结果分析

由于烧嘴、外罩和内罩之间对温度均匀性起到了极大作用，因此，非常有必要进行拆分单独分析每个零部件温差、速度等，从而为后续分析钢卷加热温度均匀性打下基础。

我们根据罩式炉本体CAE 仿真分析，已得出所有零部件位置的计算结果，表3 归纳了罩式炉在不同烧嘴高度上不同零部件的加热结果。

图9 1500mm 高度烧嘴-罩式炉速度矢量图

图10 1500mm 高度烧嘴-罩式炉速度流线图

可以从表3 中统计结果看出：（1）方案1 中，加热罩内衬壁面温度为727 ～1100℃，温差373℃；方案2 中，加热罩内衬壁面温度789 ～1000℃，温差211℃。说明采用方案2 时加热罩内衬避免温度更均匀，不同高度下，内衬材料的线收缩率差距小，对内衬工作寿命有直接影响。（2）方案1 中，加热罩燃烧空间温度720 ～1100℃，温差380℃；方案2 中，加热罩燃烧空间温度789 ～965℃，温差176℃。说明方案2 燃烧空间温度分布更加均匀，进而对内罩温度的均匀分布更有利。由于方案1 中，燃烧区热量供给集中，导致燃烧空间温度局部有1100℃，不利于内罩长期安全使用。（3）方案1 中，烟气出口温度848℃，方案2 中烟气出口温度784℃，说明采用方案2 时，烟气出口温度比方案1 低64℃，排烟管外壁温度低，能源一次利用率更高，操作环境相对更舒适。（4）方案1 中内罩壁面温度672 ～1000℃，温差328℃；方案2 中内罩避免温度672 ～727℃，温差55℃。说明方案2 内罩温度均匀，最高温度727℃比方案1 低273℃，对内罩工作寿命更有利。（5）方案1 和方案2 对钢卷加热温度均可满足其要求，但方案2尤佳。

5 结语

（1）本仿真理论结合实际，应用有限元法严格根据三维模型转化有限元仿真模型，参考罩式炉内罩AISI309s 材料和罩式炉内部气氛和边界条件进行了计算分析，计算了罩式炉在不同高度烧嘴下内外罩温差和速度流场均匀性结果。

表3 各主要零部件（局部）流场结果统计

（2）本次仿真虽模型简化了循环风机和炉台，但其内部出口网格仍严格根据风机尺寸来划分。

（3）从两种不同高度烧嘴温度流场图中可以看出，750mm 高度烧嘴尽管加热状态迅猛，但对外罩耐材墙壁耐热要求较高，高温加热集中，容易引起局部温差大，同时，对内罩内部氢气加热温度影响不大。而且从温度场云图来看，1500mm 高度烧嘴燃烧时内罩气流流向对称且均匀，内罩氢气分层较750mm 高度烧嘴内罩明显，从而对钢卷加热起到了很好的均匀作用。

（4）由于两种高度烧嘴的罩式炉内罩与外面隔绝，只是内罩外壁沿烧嘴高度加热的分布高度引起温差不同较为明显，对内罩流速影响不大。同时，烟气出口拐角容易引起湍流，局部温度和流速较大，但对内罩影响也不大。

（5）两种方案对钢卷加热温度均可满足其要求，但烧嘴布置间距的不同对温度加热罩内壁温度分布、内罩表面温度均匀性、排烟温度、退火空间温度均匀性等均有影响，且从仿真结果看，方案2 明显优于方案1。