側(cè)噴加熱鋁材退火爐內(nèi)流場與溫度場數(shù)值模擬

李建平，王伯長，劉濤，毛大恒

(中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，現(xiàn)代復(fù)雜裝備設(shè)計與極端制造教育部重點實驗室，湖南 長沙，410083)

退火是鋁材生產(chǎn)過程中的重要工序。目前，國內(nèi)生產(chǎn)使用的鋁材退火爐基本上采用爐體頂部引風(fēng)底部進(jìn)風(fēng)的形式，而鋁卷水平地放在料架上，這樣導(dǎo)致爐膛內(nèi)熱氣流的流動方向為鋁卷的直徑方向，形成了鋁卷與熱氣流之間的徑向?qū)α鲹Q熱[1-2]。由于鋁卷層與層之間有間隙以及鋁卷軋制過程中形成油膜，這樣，鋁卷層與層之間存在接觸熱阻[3-6]，導(dǎo)致鋁卷與熱氣流之間的對流換熱效率低，鋁卷表面與芯部溫差大，嚴(yán)重影響鋁卷的退火效率和質(zhì)量。而在國外已經(jīng)生產(chǎn)使用的側(cè)噴加熱式鋁材退火爐[7]，大型退火爐的傳熱效率達(dá)到70%以上，明顯高于國內(nèi)大型鋁卷退火爐的傳熱效率[8]。通過對鋁箔板疊加而成的長方體試件所做的熱傳導(dǎo)實驗也發(fā)現(xiàn)：在同樣的試件、溫度源和保溫效果下，僅僅只是改變傳熱方式，即試件由平面?zhèn)鳠岱绞礁臑槎嗣鎮(zhèn)鳠岱绞?，退火時間明顯減少。因此，改變爐膛內(nèi)空氣循環(huán)流動的方向，使熱空氣和鋁卷之間進(jìn)行軸向的對流換熱，實現(xiàn)金屬的直接傳熱，即研制出側(cè)噴加熱鋁材退火爐對于提高鋁卷的退火效率和質(zhì)量，節(jié)約能源具有重要意義。爐膛內(nèi)氣體流動和對流換熱狀況是影響鋁材退火質(zhì)量和生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素[9]，為了設(shè)計出性能優(yōu)越的側(cè)噴加熱鋁材退火爐，就必須了解退火時爐膛內(nèi)空氣流動規(guī)律和溫度分布規(guī)律。由于側(cè)噴加熱鋁材退火爐內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流場和溫度場的測量十分困難，且不能全面揭示流動和傳熱規(guī)律。數(shù)值模擬的方法已廣泛用于各種爐窯的研究[10-13]，在此，本文作者利用CFD軟件FLUENT對側(cè)噴加熱鋁材退火爐內(nèi)氣體流動和傳熱問題進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到爐膛內(nèi)空氣流動規(guī)律和溫度分布規(guī)律，以便為側(cè)噴射加熱鋁材退火爐的設(shè)計與研究提供理論依據(jù)。

1 熱傳導(dǎo)模擬實驗

鋁卷層與層之間的接觸熱阻是影響鋁卷徑向?qū)岬淖钪匾蛩?，也是研究傳熱效率的重要參?shù)之一。為了反映接觸熱阻對鋁材退火效率的影響，利用鋁箔板疊加而成的長方體試件分別進(jìn)行平面?zhèn)鳠峒岸嗣鎮(zhèn)鳠釋嶒?，實驗裝置如圖1所示。圖中數(shù)字1～6為6個溫度測試點，其中：測試點“1”用于估測熱源的溫度；“2”與“3”分別用于測試距離熱源為82 mm和134 mm這2點的溫度；“4～6”用于測試實驗裝置內(nèi)氣體的溫度。利用熱電偶和無紙記錄儀對6個測溫點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每5 min記錄1次結(jié)果。

圖2和圖3所示分別為平面?zhèn)鳠岷投嗣鎮(zhèn)鳠岱绞较码x熱源82 mm和134 mm 2個測溫點的溫度對比曲線?？梢钥闯觯涸谑褂孟嗤β实碾娮锠t進(jìn)行加熱，并且維持實驗裝置內(nèi)氣體溫度基本一致的情況下，在同一時刻、同一測試點，端面?zhèn)鳠岱绞降臏囟缺绕矫鎮(zhèn)鳠岱绞降臏囟雀撸簿褪钦f，達(dá)到相同退火溫度時，端面?zhèn)鳠岱绞剿钑r間比平面?zhèn)鳠岱绞剿〞r間少，并且距離熱源越遠(yuǎn)，這種差別越明顯，在82 mm處溫差最大達(dá)到50 ℃，最后維持在20 ℃左右，達(dá)到相同退火溫度時，端面?zhèn)鳠岱绞剿钑r間比平面?zhèn)鳠岱绞娇s短10%左右；而在134 mm處溫差最大達(dá)到80 ℃，最后維持在 60 ℃左右，達(dá)到相同退火溫度時端面?zhèn)鳠岱绞剿钑r間比平面?zhèn)鳠岱绞剿〞r間縮短20%左右。圖4所示為相同傳熱方式下離熱源82 mm與134 mm 2個測溫點之間的溫差對比曲線。從圖4可以看出：使用平面?zhèn)鳠岱绞綍r，2點之間的溫差最高達(dá)到50 ℃左右；而使用端面?zhèn)鳠岱绞綍r，2點之間的溫差維持在0 ℃左右，也就是說2點的溫度基本一致，最多相差2～3 ℃。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental facility

圖2 離熱源82 mm處溫度對比曲線Fig.2 Comparison of temperature on position 82 mm from energy resource

圖3 134 mm處溫度對比曲線Fig.3 Comparison of temperature on position 134 mm from energy resource

圖4 溫差對比曲線Fig.4 Comparison of temperature difference

2 側(cè)噴加熱鋁材退火爐

通過模擬實驗結(jié)果可知：由于鋁板層與層之間存在接觸熱阻，嚴(yán)重影響了熱量在鋁板之間的傳遞，從而使得鋁板退火效率低，不同位置間溫差大。而采用端面?zhèn)鳠岬姆绞娇梢詫崿F(xiàn)金屬的直接傳熱，避免接觸熱阻產(chǎn)生的影響，提高退火效率，減少不同位置間的溫差。將這實驗原理及結(jié)果運用于鋁材退火爐，對現(xiàn)有的徑向加熱鋁材退火爐進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計側(cè)噴加熱鋁材退火爐可有效地提高鋁卷的退火效率和質(zhì)量，節(jié)約能源。

側(cè)噴加熱鋁材退火爐由箱式爐體、導(dǎo)流裝置、循環(huán)系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、加熱元件、爐門、爐門升降機(jī)構(gòu)及其壓緊裝置、爐門密封、冷卻水系統(tǒng)等組成。循環(huán)系統(tǒng)采用低壓大風(fēng)量軸流風(fēng)機(jī)，使?fàn)t內(nèi)熱風(fēng)在導(dǎo)流裝置的作用下定向循環(huán)，同時，增強(qiáng)了爐內(nèi)的對流換熱，提高爐內(nèi)溫度上升速度，也使得爐內(nèi)溫度均勻。側(cè)噴加熱鋁材退火爐內(nèi)空氣循環(huán)示意圖如圖5所示。

圖5 爐內(nèi)空氣循環(huán)示意圖Fig.5 Schematic diagram of air cycle in furnace

3 爐內(nèi)氣體流動與換熱計算模型

3.1 計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

以箱式爐體以及由其包圍的流體空間為計算區(qū)域，利用專用處理軟件GAMBIT建立三維立體模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。鑒于流體區(qū)域模型比較復(fù)雜，采用Tet/Hybfid單元、TGfid混合網(wǎng)格劃分網(wǎng)格；箱式爐體、導(dǎo)流裝置、爐門結(jié)構(gòu)簡單，采用Hex單元、Map結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分網(wǎng)格；加熱管采用Hex/Wedge單元、Cooper非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分網(wǎng)格，最后，模型的網(wǎng)格總數(shù)為1 191 305。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖6所示。

3.2 基本控制方程

流體流動遵循物理守恒定律。應(yīng)用CFD軟件求解流動及換熱問題時，控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程、能量方程，這些方程的通用表達(dá)形式為：

式中：Φ為廣義變量，如溫度、濃度等；u為速度；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源項。式(1)中，從左至右各項依次為瞬態(tài)項、對流項、擴(kuò)散項和源項。

圖6 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structural diagram of grid

3.3 湍流模型

在爐膛內(nèi)部空氣處于湍流狀態(tài)，湍流模型采用工程上廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[14-16]。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型通過湍動能k和湍動能耗散率ε表示湍動黏度μt，即

再通過湍動黏度求解 Reynolds應(yīng)力及 Navier-Stokes方程。在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中，k和ε是2個基本未知量，與之相對應(yīng)的輸運方程為：

其中：

μt為湍流渦團(tuán)黏性系數(shù)；Gk為平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項；ρ為氣體(固體)密度；k為熱導(dǎo)率；ε為氣體湍流入動能耗散率；ui為氣體速度分量；C1ε，C2ε，Cμ，σk和 σε均為模型常數(shù)，根據(jù) Launder等的推薦值以及后來的實驗驗證[17]，它們的取值為：C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

在近壁區(qū)，由于湍流發(fā)展不充分，不適合采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行計算。為了解決近壁區(qū)內(nèi)的流動計算，采用壁面函數(shù)法，其方程為：

其中：u+和y+為2個無量綱的參數(shù)，分別表示速度和距離；kp為節(jié)點p的湍動能；Δyp為節(jié)點到壁面的距離；μ為流體的動力黏度；E為與粗糙度有關(guān)的常數(shù)，對于光滑壁面，E=9.8。

3.4 邊界條件

根據(jù)退火爐實際使用工況，爐體外部表面設(shè)置為輻射壁面條件；內(nèi)部表面及導(dǎo)流板表面設(shè)置為對流換熱壁面條件；爐體及內(nèi)襯板、導(dǎo)流板的材料為1Cr13，密度為7.7 t/m3，比熱容為460 J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)為24.2 W/(m·K)；保溫層的材料為硅酸鋁保溫氈，密度為130 kg/m3，比熱容為1.013 75 J/(g·K)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.057 W/(m·K)；加熱管表面設(shè)置為等熱流密度邊界條件，熱流密度為840 W/m2；爐內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)采用風(fēng)扇邊界條件，風(fēng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1 440 r/min，額定風(fēng)量為148 000 m3/h，風(fēng)壓為500 Pa。

4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

選擇有限體積法離散控制方程，采用 QUICK格式和中心差分格式分別作為對流項和擴(kuò)散項的離散格式；流場計算使用SIMPLE算法；能量方程和動量方程用二階迎風(fēng)格式離散；使用默認(rèn)的松弛因子進(jìn)行迭代計算，直到最終收斂為止。下面對流場和溫度場的模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

4.1 流場模擬結(jié)果及分析

圖7所示分別為平行爐體前面、底面、側(cè)面3個截面的速度等值線圖。

從圖 7(a)可以看出：爐頂和循環(huán)風(fēng)機(jī)之間的區(qū)域以及爐體兩側(cè)和導(dǎo)流板之間的區(qū)域速度較高，爐膛內(nèi)風(fēng)速為10 m/s左右，且速度等值線基本上呈對稱分布；貼近爐體內(nèi)表面的區(qū)域速度明顯小于其他區(qū)域的速度，形成了湍流黏性底層，使得爐體內(nèi)表面的對流換熱強(qiáng)度減少。

從圖7(b)可以看出：由于從兩側(cè)導(dǎo)流板進(jìn)入爐膛的氣體方向相反，產(chǎn)生了氣體回流，形成了不同程度的循環(huán)氣流。這種循環(huán)氣體不僅可以改善爐內(nèi)溫度的均勻性，還可以加強(qiáng)熱氣流與鋁卷之間的對流換熱。

從圖 7(c)可以看出：采用軸向?qū)α鲹Q熱方式時，氣體在導(dǎo)流板的引導(dǎo)下直接進(jìn)入爐膛內(nèi)，通過鋁卷表面后轉(zhuǎn)向爐體底部使得爐膛內(nèi)氣體的速度大于爐體底部氣體的速度，這樣，速度分布不僅加強(qiáng)了氣體與鋁卷之間的對流換熱，同時，減少了爐體底部同外界的熱散失。

4.2 溫度場模擬結(jié)果及分析

圖7 不同截面的速度等值線Fig.7 Velocity contours in different sections

圖8 不同截面的溫度分布Fig.8 Temperature distribution in different sections

圖8所示分別為平行爐體前面的截面1.0 h后、平行爐體底面的截面2.0 h后、平行爐體側(cè)面的截面1.5 h后的溫度分布圖。從圖8可以得到：爐內(nèi)的溫差都可控制在-1～1 K內(nèi)，能滿足退火工藝對爐溫均勻性的要求，這也說明改變鋁材退火爐的加熱方式并不會降低爐內(nèi)溫度場的均勻性，從而保證鋁卷的退火質(zhì)量。從圖 8(a)和 8(b)可以看出：爐膛內(nèi)溫度基本一致，且爐膛內(nèi)的溫度高于爐體底部的溫度，與爐體兩側(cè)的溫度一致。這有利于加強(qiáng)爐膛內(nèi)鋁卷與空氣之間的對流換熱，同時減少爐體底部與外界的熱散失。從圖 8(c)可以看出：爐門區(qū)域與爐膛后側(cè)的溫度與爐膛內(nèi)的溫度一致，克服了徑向加熱鋁材退火爐內(nèi)這2個區(qū)域溫度低的不足。

5 結(jié)論

(1) 采用端面?zhèn)鳠岬姆绞娇梢詫崿F(xiàn)金屬的直接傳熱，避免接觸熱阻產(chǎn)生的影響，從而縮短退火時間，提高退火效率，同時也可以減少不同位置間的溫差，提高退火質(zhì)量。運用這個實驗原理及結(jié)果，對現(xiàn)有的徑向加熱鋁材退火爐進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計側(cè)噴加熱鋁材退火爐。

(2) 采用側(cè)噴加熱方式時，從兩側(cè)導(dǎo)流板進(jìn)入爐膛的氣體在爐膛內(nèi)形成了不同程度的循環(huán)氣流。這種循環(huán)氣體不僅可以提高爐內(nèi)溫度的均勻性，還可以加強(qiáng)熱氣流與鋁卷之間的對流換熱；同時，爐膛內(nèi)氣體的速度大于爐體底部氣體的速度。

(3) 采用側(cè)噴加熱方式時，爐內(nèi)氣體溫度基本一致，溫差可控制在-1～1 K，能滿足退火工藝對爐溫均勻性的要求，這也說明改變鋁材退火爐的加熱方式并不會降低爐溫的均勻性，從而保證鋁材的退火質(zhì)量。

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