李進(jìn)心， 康泰宇， 郭 純

（安徽科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院， 安徽 鳳陽 233100）

引言

加熱爐設(shè)備是工業(yè)軋鋼加熱的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備，隨著科技的發(fā)展，生產(chǎn)能量消耗與日俱增，節(jié)能減排、提高品質(zhì)已成為當(dāng)務(wù)之急[1]。由于目前我國正處于飛速發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，對鋼鐵生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)高速化、智能化和高精度的發(fā)展方向，提出了新的技術(shù)要求。對加熱爐內(nèi)溫度場、加熱壓力場等分布場問題，常規(guī)的方法一般是通過現(xiàn)場模型檢測或進(jìn)行模型模擬實(shí)驗(yàn)。加熱數(shù)值分析模擬實(shí)驗(yàn)具有數(shù)據(jù)計(jì)算準(zhǔn)確、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參數(shù)準(zhǔn)確、修改及時(shí)、速度快等特點(diǎn)[2]。因此，通過采用數(shù)值分析模擬的方法，深入分析其對爐內(nèi)鋼坯高溫加熱產(chǎn)品質(zhì)量的影響，可為生產(chǎn)實(shí)際提供理論參考。同時(shí)，使用軟件模擬實(shí)驗(yàn)可減少不必要的浪費(fèi)，減輕實(shí)驗(yàn)負(fù)擔(dān)。

1 加熱爐模擬的發(fā)展前景

20 世紀(jì)以來，金屬材料應(yīng)用快速發(fā)展和新金屬材料制造技術(shù)的應(yīng)用，使現(xiàn)代金屬材料熱處理的制造工藝技術(shù)得到了不斷改進(jìn)和發(fā)展。一個(gè)顯著的技術(shù)發(fā)展歷史階段大約是在1901—1925 年，在現(xiàn)代金屬材料處理工程機(jī)械的設(shè)計(jì)制造中，20 世紀(jì)年代中期應(yīng)用的對井式爐的控制技術(shù)，首先進(jìn)行了控制氣體氧化滲碳。1858 年，發(fā)明了大型陶瓷高溫蓄熱室。1982 年，研制生產(chǎn)出了目前世界上第一套蓄熱式大型高溫陶瓷加熱淬火爐燃燒器[3]。鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)自動化是我國鋼鐵工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)重要技術(shù)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，而在軋鋼的工業(yè)生產(chǎn)中對于燃料的大量消耗，主要以生產(chǎn)軋鋼用的加熱爐為最多[4]。

從高壓加熱燃料爐膛、爐管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，到加熱爐膛和噴嘴的正確位置安放、安裝位置及幾何流體結(jié)構(gòu)，都可以利用CFD 模擬軟件對新型高壓湍流燃料加熱爐膛在燃燒時(shí)的過程規(guī)律，進(jìn)行各種數(shù)值模擬。該工藝設(shè)計(jì)過程成本低，能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地獲得燃燒污染物傳熱溫度場和爐內(nèi)燃燒熱流場的技術(shù)細(xì)節(jié)。同時(shí)，這種加熱爐溫度場數(shù)值模擬還可推廣應(yīng)用至其它機(jī)械零部件制造領(lǐng)域，具有佷廣的應(yīng)用前景。

2 模擬軟件介紹

目前，國內(nèi)外加熱爐溫度場數(shù)值模擬軟件較多，其中應(yīng)用較為廣泛的有ANSYS、CFX4.4 和FLUENT等軟件[5]。ANSYS 軟件是目前最為常用的加熱爐溫度場數(shù)值模擬工具，具有簡潔明了的畫面和標(biāo)準(zhǔn)的控制過程。ANSYS 軟件是一種集化學(xué)熔融和流體分子力學(xué)結(jié)構(gòu)、電磁和流體聲學(xué)于一體的大型力學(xué)分析軟件。軟件中包含前端的處理軟件模塊、分析、計(jì)算時(shí)的軟件處理模塊和計(jì)算后處理軟件模塊[6]。前處理器的虛擬模塊配置可以自動提供一個(gè)能夠自動設(shè)計(jì)并進(jìn)行物體數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)建模，方便于實(shí)驗(yàn)用戶自行設(shè)計(jì)構(gòu)建一個(gè)相應(yīng)的物體數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。后處理器能夠把分析的結(jié)果用圖片展示的方法準(zhǔn)確地呈現(xiàn)在用戶界面上[7]。因此，ANSYS 軟件能力強(qiáng)大，完全可以幫助用戶進(jìn)行對加熱爐溫度場數(shù)值的模擬分析研究。FLUENT 是現(xiàn)在國際和社會廣泛使用的商用CFD 軟件工具包，在系統(tǒng)中，前處理器模塊可以快速完成前處理任務(wù)，主要是用于快速進(jìn)行運(yùn)算處理分析的解答、運(yùn)算過程模擬及運(yùn)算流場的綜合應(yīng)用。后處理器模塊大部分是使用于運(yùn)算數(shù)據(jù)的處理分析信息和分析處理結(jié)果的可視化，可以高效查看和處理解析運(yùn)算結(jié)果[8]。

3 加熱爐溫度場模擬

3.1 加熱爐內(nèi)燃料對溫度場的模型

為了更加方便地研究和控制使用加熱爐，大部分研究將基于加熱爐的溫度控制[9]。在一般應(yīng)用情況下，只是在加熱爐檢測點(diǎn)周圍的一個(gè)細(xì)小檢測區(qū)域檢測研究整個(gè)加熱爐內(nèi)燃料的平均工作溫度，而不是研究整個(gè)加熱爐內(nèi)平均溫度的復(fù)雜變化情況。整個(gè)加熱爐內(nèi)平均溫度的復(fù)雜變化情況與整個(gè)加熱爐內(nèi)所有燃料的總發(fā)熱量以及加熱爐的承受能力等復(fù)雜變化情況密切相關(guān)。通過對加熱爐電熱絲進(jìn)行發(fā)熱過程的溫度值來看，加熱爐對整個(gè)燃料和所有電熱絲發(fā)熱過程所消耗的時(shí)間，比加熱爐對燃料和鍛件進(jìn)行傳熱過程所消耗的時(shí)間要小。在通常情況下，兩段式加熱爐溫度的變化動態(tài)和特性主要是由兩段式加熱爐對材料和鍛件進(jìn)行傳熱的過程所影響和決定的，傳熱的形式和過程可以分為導(dǎo)熱、對流和輻射三種傳熱方式，三種傳熱各有不同[10]。

3.2 蓄熱式加熱爐數(shù)值模擬

通過基本假設(shè)條件，建立蓄熱式加熱爐數(shù)值模型，如圖1 所示。使用同一側(cè)換向燃燒組織的方式，可以使加熱爐內(nèi)具有比較理想的溫度，即在加熱爐爐體寬度上的不同溫度場幾乎一致，在加熱爐爐體長度方向上不同溫度場的分布也比較理想。蓄熱式加熱爐采用同側(cè)換向燃燒組織的方式，爐膛內(nèi)相鄰射流場的分布比較平均，并且在爐膛內(nèi)相鄰射流相互之間的作用下，會逐漸發(fā)生強(qiáng)烈復(fù)雜的射流混合，并且相鄰射流會漸漸與爐膛內(nèi)回流時(shí)產(chǎn)生的燃燒煙氣相互組合，形成復(fù)雜的旋渦，具有一定高溫的燃燒煙氣，在加熱爐內(nèi)的停留時(shí)間逐漸變長，這樣也就有利于大大提高蓄熱式爐子的燃燒熱量綜合利用效率，有利于蓄熱式鍛件質(zhì)量合格。蓄熱式鍛件在加熱爐內(nèi)各階段的平均燃燒溫度相對均勻，而在沿加熱爐中鍛件上下表面的平均O2的濃度以及加熱爐中CO2的濃度相對較低，易使鍛件形成一種高溫低氧的蓄熱式燃燒環(huán)境，這種燃燒環(huán)境變化也有利于蓄熱式鍛件的連續(xù)加熱和鍛件的溫度控制。

3.3 步進(jìn)式加熱爐板坯溫度場的數(shù)值模擬

1）在加熱處理過程中，溫度較高的是鋼坯的角部，而鋼坯的斷面與中心的溫度差值較小。

2）鋼坯的溫度在加熱段升高較快，鋼坯的斷面溫度差值最大，預(yù)熱段的鋼坯斷面溫度差值較小，均熱段鋼坯斷面溫度差值最小。

3）鋼坯出爐后均熱段斷面溫差稍大于鋼坯加熱工藝需求，應(yīng)該加長均熱的時(shí)間來滿足加熱均勻性的工藝需求。

3.4 步進(jìn)梁式加熱爐溫度場的數(shù)值模擬

通過軟件設(shè)計(jì)，建立了步進(jìn)梁式加熱爐鋼坯的完整數(shù)學(xué)模型和物理動態(tài)模型，如圖2 所示。采用有限容積溫度計(jì)算方法（FVM），對整個(gè)步進(jìn)梁數(shù)學(xué)虛擬模型的溫度場進(jìn)行了離散化計(jì)算和仿真。利用Visual-Fortran 計(jì)算方法，成功地設(shè)計(jì)了步進(jìn)梁式加熱爐內(nèi)鋼坯溫度場的數(shù)值模擬計(jì)算，通過數(shù)值模擬得出外界因素對加熱鋼坯溫度的影響，空氣量和燃料量的添加差異影響著鋼坯的品質(zhì)。通過設(shè)計(jì)和測量，進(jìn)行分析模擬計(jì)算，記錄加熱爐內(nèi)的溫度場變化分布，得到了加熱爐內(nèi)鋼坯在整個(gè)加熱爐內(nèi)加熱時(shí)間變化研究過程中，上下爐溫度、鋼坯內(nèi)部的各個(gè)不同溫度、不同點(diǎn)之間的變化關(guān)系曲線分布。將模擬分析得到的數(shù)據(jù)結(jié)果與加熱爐進(jìn)行實(shí)操實(shí)測結(jié)果相對比，模擬分析的溫度差值與加熱爐中實(shí)際測量值基本相符。

4 結(jié)語

通過使用軟件建立模型，模擬加熱爐內(nèi)的溫度場進(jìn)行分析，然后以模擬數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行加熱，可以大大節(jié)約制造成本，減少不合格產(chǎn)品，避免造成不必要的浪費(fèi)。研究成果可為傳統(tǒng)加熱爐應(yīng)用提供重要理論依據(jù)，同時(shí)，還可廣泛推廣應(yīng)用于其他工程機(jī)械工業(yè)零部件設(shè)計(jì)制造應(yīng)用領(lǐng)域。