燃烧系统优化对台车式热处理炉炉温均匀性影响的研究

作     者：张天航 

作者单位：河北科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李洪涛;王长国

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：燃烧系统 台车式热处理炉 炉温均匀性 数值模拟 测试方法 

摘      要：热处理炉是冶金工业中进行热处理工艺的主要设备,其炉膛内部温度均匀性是评判热处理炉优劣的重要指标之一。鉴于特钢生产企业的台车式热处理炉存在局部温度过高,难以保证特钢生产工艺要求的问题,提出通过优化燃烧装置结构和布置方式来提高炉温均匀性的方案。本文对燃烧系统优化方案的合理性进行了数值模拟研究和试验验证,具体研究内容和结论如下:1)以某特钢生产企业的台车式热处理炉为研究对象建立出数值模拟所需的物理模型,利用Fluent 2022模拟仿真软件对炉内流场和温度场的分布规律进行研究,其中湍流模型采用标准k-ε双方程模型、燃烧模型采用通用有限速率模型、辐射模型采用P1模型。研究结果表明:炉膛有效加热区域内最大温度偏差为136 K,局部温度过高的主要原因是燃烧装置喷出的火焰强度不足且辐射范围较小。2)调整燃烧系统中烧嘴砖的缩口角度和燃烧装置布置间距,研究了这两个因素对火焰强度及辐射范围的影响。研究结果表明:火焰强度随着烧嘴砖缩口角度的增加而增强,当烧嘴砖的缩口角度为18°时,燃烧装置的出口速度增大,火焰强度增强,使得火焰强度与负压区的引力达到平衡,炉温均匀性达到最佳,炉膛内有效加热区域最大温差为95 K;火焰辐射范围随着燃烧装置间距与炉膛长度之间比例的增大而增强,当比例达到最大12.5%时,相邻燃烧装置的相互影响力减弱,火焰辐射范围增强,炉温均匀性达到最佳,炉膛内有效加热区域最大温差为14 K。3)结合台车式热处理炉燃烧装置结构及布局模拟优化的结果,对现场热处理炉进行优化改造,并根据《GB/T 30824-2014燃气热处理炉温度均匀性测试方法》进行测试。通过对炉膛有效区域进行炉温均匀性测试,得出以下结论:两段保温阶段测得的温度最大正偏差为(10)8.4 K,温度最大负偏差为-7.9 K,满足Ⅲ类热处理炉炉温均匀性要求,且温度分布与仿真分析结果基本一致,验证了仿真模型数值模拟的可靠性。本文对台车式热处理炉燃烧装置结构及布局进行了优化,削弱了炉内局部高温,提高了炉温均匀性,研究结果为热处理炉的技术改造和提升提供了一定的解决思路和理论依据。