基于CFD 数值模拟的火焰清理机高温烧嘴燃烧及冷却研究

陈作炳，童程光，谭 虹，陈 昊，邱思信

随着我国钢铁冶金技术的快速发展，国产化火焰清理技术在高品质、高附加值钢铁材料表面质量的提升中起到了至关重要的作用。但是设备投资及维护成本高和金属损失率高，是制约火焰清理机广泛应用于钢坯表面清理的主要因素。能源介质、关键部件的结构对火焰清理机的使用成本有很大影响。由于国内正在使用的火焰清理技术大都是从国外引进的，部分核心技术尚未掌握，例如在火焰清理后的连板坯表面上会出现清理不完全、结瘤等问题。影响了后续产品质量。烧嘴作为火焰清理机的核心部件，直接与被清理产品的表面质量密切相关，同时烧嘴有非常恶劣的工作环境，烧嘴材质很重要，也是最容易造成损坏的核心部件之一。所以要想提高火焰清理质量，减少维修成本，就必须对烧嘴进行流场、烧嘴耦合仿真分析。

刘洋等人运用仿真技术，分析出了火焰清理机熔渣运行轨迹，找到了火焰清理过程中出现的“放炮”问题。秦志明认为调节好火焰清理机的火焰与冷却水是降低设备故障和避免工艺缺陷的关键。张炯等人介绍了马钢板坯自动火焰清理机基本参数、工作原理、工作流程、板坯漏清原因及对策和应用情况。韩俊和陈涛分析了火焰清理机的技术参数和应用实例。陈骥等人对火焰清理过程中射流合并对板坯表面质量、冲击沟痕等机理的研究。刘等人利用有限元分析软件对火焰清理机烧嘴结构的射流分布进行了分析，并提出了结构优化方案。李光石等人阐述了火焰清理机的国产化与智能化开发应用的前景。

钢坯生产过程中,钢坯表面和皮下裂纹、夹渣等各种缺陷会导致轧制工序出现大量废品和现货，严重影响了轧制成品的质量。随着我国钢铁冶金技术的快速发展，国产化火焰清理技术正在朝向在高品质、高附加值方向进行。关键部件的结构对清理效果有很大影响。由于国内正在使用的火焰清理技术大部分是从国外引进，部分核心技术尚未掌握，在火焰清理后的板坯表面上会出现清理不完全、结瘤等问题，影响了后续产品质量。为提高火焰清理机品质技术，对清理火焰和高温烧嘴冷却的研究具有重要意义。

钢坯沟槽主要是由Coanda 效应引起的。被清理表面的传热特性与雷诺数、射流间距和射流板间距密切相关。连铸坯有时会因存在中面纵向裂纹和横向边缘裂纹等表面缺陷而间歇性地出现问题。根据调查结果，确定了导致裂缝形成的关键因素包括火焰清理机的振动、烧嘴内流体的流动特性、钢坯的化学性质，并确定了需要进行改造的关键区域。张炯等介绍了马钢板坯自动火焰清理机基本参数、工作原理、工作流程、板坯漏清原因及对策和应用情况。韩俊和陈涛分析了火焰清理机的技术参数和应用实例。陈骥等对火焰清理过程中射流合并对板坯表面质量、冲击沟痕等机理的研究。刘海等利用有限元分析软件对火焰清理机烧嘴结构的射流分布进行了分析，并提出了结构优化方案。李光石等阐述了火焰清理机的国产化与智能化开发应用的前景。

上述研究中，多数是研究烧嘴的射流燃烧，或是通过实验研究介质对钢坯清理效果影响，对于高温烧嘴冷却的研究，目前基本没有这方面文献。尤其是将射流燃烧连同烧嘴及冷却水作整体化的多相流固耦合仿真研究。本文以目前应用最广泛的烧嘴结构为研究对象，利用CFD、有限元、多相流固耦合等技术方法，将燃烧域、冷却水域、烧嘴进行三相耦合模拟，研究了清理火焰的状态和冷却水换热效率，并对高温烧嘴的冷却过程作详细对比分析。

本文将对火焰清理机的烧嘴结构及工作原理进行简要介绍，根据设备工作要求，结合企业设备实际工作情况，归纳了火焰清理机工作过程中的重要详细参数。利用有限元分析软件对烧嘴处的燃烧域、冷却水域、烧嘴结构固体域进行三相流固耦合仿真分析，对烧嘴的工作高温分布进行了分析，研究了冷却水对烧嘴的温度影响。高温环境是影响烧嘴使用寿命的重要因素，高温烧嘴冷却效果的研究为火焰清理机的维护提供理论指导。

1 火焰清理机工作原理及烧嘴结构

火焰清理单元是火焰清理机产生高速射流的实用部件，通常称之为“烧嘴”。烧嘴结构示意图如图1 所示，由烧嘴底座、大预热块、小预热块和靴块（及其流域流道）部分组成。（流道构成）烧嘴底座包含所有四排燃气通道和氧气通道。大小预热快与底座紧密贴合，底座内部的四排气体通道其中燃气、氧气各一排通入大预热快，小预热块内部通入一排燃气通道，还剩一排氧气通道由大小预热块之间约5mm 的缝隙喷出。

自动火焰清理机的工作原理：利用烧嘴产生的多孔燃气、氧气射流形成的非预混燃烧火焰，预热钢坯上的局部区域到其熔点，当这块区域变为熔融状态时，形成初始熔池，称为预热阶段;初始熔池形成后，利用槽氧狭缝喷出的连续强氧气流以一定角度冲击熔池，同时钢坯相对于清理机水平移动，随着板坯移动并穿过火焰清理机，钢表面上一小层被除去，因此这一层中的钢缺陷也被除去了，称之为清理阶段。板坯相对于火焰清理机移动，移动速度越低，被清理深度越大，反之亦然。

2 数学模型

2.1 燃烧域

根据上述三维模型，火焰清理机每排是由8 个完全相同烧嘴单元并列而成，只需对其中一个烧嘴单元进行数值仿真计算。利用Space Claim 三维软件将烧嘴内部管道流域抽取出来，再进行补充外部拓展流域，外部拓展流域尺寸大小要根据烧嘴实际工作情况来确定。例如拓展流域的下表面表示的是待清理钢坯的上表面，第一，从气体射流速度来看，当烧嘴出口到钢坯垂直距离为80mm 时，气体最大流速正好在钢坯表面，这将达到最好清理效果。第二，从工艺上来看，在火焰清理过程中，烧嘴首先锁紧钢坯，在回升0mm ～25mm 来完成烧嘴对钢坯的接触，并达到一个合适的预热位置，而靴块有70mm 的厚度。所以从这两个方面来看钢坯位置的确定得到了一致性。另外拓展流域大小适当，太小将遗漏重要的燃烧区域，导致仿真结果不准确，太大浪费计算资源，影响计算效率。仿真原则尽可能按照实际情况进行模拟计算，可以忽略部分影响不大的细小特征因素，对局部重要特征区域要保留。

2.2 冷却水域

冷却水对烧嘴的恒温保护非常重要。冷却水流道的设计遵循以下原则：①不与内部其他管路发生干涉；②不影响烧嘴的装配；③不影响到烧嘴本身结构强度；④冷却效果最大化。

根据传热原理，对流换热系数与流体比热容、冷却水流道导热系数成正比关系，且受流体雷诺数影响较大，雷诺数的增大大，传热效率随之提高。

流体流动状态直接影响流体的雷诺数，在冷却水管道内部添加耐高温湍流弹簧，改变流体流动状态，增强对流换热强度。

弹簧选为60%压缩量耐热型压缩圆线弹簧，具体弹簧型号选为DSCHA-10-80。

2.3 流固耦合模型

对于烧嘴的传热模拟，采用流固耦合的方法，将烧嘴外的燃烧域、烧嘴部件、冷却水组合成一体。通过流场计算得到烧嘴部件边界条件后，再对固体域及流体域进行多物理场求解。求解时根据物理场的性质不同，将计算域分为燃烧域、冷却水域和烧嘴部件固体域。

耦合边界上的热边界条件应满足下列关系式：

（1）耦合边界上的温度连续：烧嘴固体域的边界面温度等于冷却水域的边界面温度。

（2）耦合边界上的热流密度连续：烧嘴固体域的热流密度等于冷却水域的热流密度。

3 模拟结果分析

3.1 边界条件

火焰清理机能源介质工况参数，氧气：纯度≥99.5%，压力1.5MPa；焦炉煤气；压力0.5MPa；设备冷却水：净环水,压力0.5MPa。

3.2 燃烧仿真

3.2.1 燃烧域网格模型

考虑到整个燃烧域烧嘴出气口与外部拓展流域尺寸相差太大，且为满足计算精度，最小缝隙处至少需要存在两个网格。设置大尺寸拓展流域网格尺寸5mm，烧嘴管道区域进行局部细化，网格尺寸为2mm，烧嘴出气口网格尺寸为0.5mm。划分方式选择正六面体网格。划分后的整个燃烧域模型包含1037428 个单元，3551347 个节点。

3.2.2 求解方式

本文利用CFD 数值模拟了焦炉煤气的燃烧过程，计算过程中湍流模型选择标准k-模型，在标准k-模型中，流场中的流动均被认为是湍流流动，并不考虑分子之间的粘性，对于温度的求解采用非绝热方式，以恒定壁温作为边界条件，通过求解流场能量控制方程计算得到温度分布；考虑到P1 模型和DO 模型的广泛适用性，在计算域较大时二者都能得到合理的结果，为了减少计算量，本文辐射换热模型选择P1 模型。

焦炉煤气的主要成分为H2、CH4、CO。主要化学反应为：①氢气与氧气反应生成水；②甲烷与氧气反应生成二氧化碳和水；③一氧化碳与氧气反应生成二氧化碳。反应式中指前因子设为4.9×109，反应活化能198835J/mol。

3.2.3 燃烧域仿真结果

燃烧域最高温度为4047℃，最高温火焰位于在射流气体的交汇处。高温区域较集中，且靠近钢坯，有利于快速形成熔池。在高温火焰以外附近区域，温度迅速下降，有利于保护烧嘴及钢坯传送设备。火焰刚度强，温度高，火焰形态小，集中性强。

气体最大流速280m/s，在射流方向与钢坯相交处气体混好效果最好，流速最大，利于形成高温清理火焰。钢坯表面气流稳定，利于保证表面清理平整度。清理面以上的流域空间存在旋流，但不与钢坯表面接触且旋流速度小，对清理质量不产生影响。

3.3 冷却水仿真结果

冷却水的边界条件可根据第二节工况得知，进口压力为0.5MPa，水温300K；管道壁面热边界条件，由3.2.3 中可知烧嘴环境温度应设为烧嘴整体平均温度458.17℃。由烧嘴材料属性可查阅为密度：8900kg/m3，导热系数：401W/m·K。可以看出结构1 整条冷却水管道换热系数平均值为364.5067Wm^-2K^-1，一般管道拐角处换热系数值大。结构2 设计带湍流弹簧的冷却水管整体对流换热系数提高到了445.069Wm^-2K^-1，相对结构1 的层流冷却管道对流换热系数提高了80.56Wm^-2K^-1，根据对流换热理论，由于结构2 的流体雷诺数值大，相应对流换热系数值越大。从分布图来看，增加湍流弹簧后的冷却水管道换热强度高的位置不在只是在管道拐角处，更多的分布在直管表面部分，使烧嘴得到了更好的冷却效果。。

3.4 多相流固耦合仿真结果

利用流固耦合，将无冷却水的烧嘴、有冷却水但没有湍流弹簧的烧嘴、冷却水带湍流弹簧的烧嘴三种结构仿真结果一起对比分析。3 种结构的烧嘴工作时的表面最高温度都达到1993.8℃，且最高温度点均位于烧嘴出口表面，因为该位置最接近高温的火焰。烧嘴最低温度都为22℃，这是烧嘴内部与冷却水接触的壁面温度。而烧嘴整体平均温度相差很大，没有冷却水的结构A 烧嘴平均温度是745℃；通冷却水的结构B 烧嘴平均温度是507.08℃；冷却水带湍流弹簧的结构C 烧嘴平均温度是458.17℃。冷却水的通入使烧嘴降低了237.92℃；湍流弹簧的加入使烧嘴又降低了48.91℃。从温度分布图来看，结构A 的高温覆盖面积较大，结构B 相对而言，大大降低了烧嘴上的高温覆盖面积，对于最后优化的结构C 已经使得烧嘴高温面积覆盖达到了最小，冷却效果达到了最佳。烧嘴靠近火焰的壁面区域因为吸收高温火焰的热量，热流密度最大，换热强度高。其次是烧嘴内部冷却管道壁面，冷却水与烧嘴温差大，烧嘴主要依靠冷却水带走高温热量，热流密度也较大。最后是与周围大气接触的烧嘴表面热流密度较低。

4 结论

（1）利用CFD 软件，模拟了烧嘴在实际工况工作时的火焰状态，对火焰清理机燃烧域的温度场进行了仿真，分析结果表明最高火焰温度4320℃，且高温火焰位于烧嘴出气口，接近钢坯表面的位置。该位置燃气与氧气达到了充分混合的效果，最高温接近钢坯表面满足火焰清理的最佳状态。

（2）结合对流换热理论，通过数值模拟研究了烧嘴内部冷却水的换热效率，通过在冷却水中加入小型耐高温弹簧，改变了冷却水的流动状态，从而提高了整个冷却管道壁面的平均对流换热系数，改善了冷却效果。

（3）通 过ANSYS Workbench 软 件 中Fluent、Steady-State Thermal 两个模块对烧嘴固体域、燃烧域、冷却水域三相流固耦合模拟计算，对比分析了三种不同结构烧嘴的高温分布情况。仿真结果表明：由于烧嘴出口接近于高温火焰，烧嘴最高温度均为1993℃，且皆位于烧嘴出口；由于内部的常温冷却水，烧嘴最低温度均为22℃，皆位于烧嘴内部的冷却水管道壁面；烧嘴整体平均温度相差较大，通入冷却水的烧嘴平均温度降低较多，冷却效果明显，最终以带湍流弹簧的烧嘴冷却效果为最佳，烧嘴平均温度降低了287℃。

（4）通过对比分析，发现烧嘴内部冷却水及冷却管道结构对烧嘴的冷却有着重要的影响。烧嘴是火焰清理机的核心部件，跟换成本高，通过本次对比仿真分析，为烧嘴的维护提供了理论指导，节省了实验成本。