火焰清理機(jī)燒嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉海 劉洋

摘要：針對(duì)火焰清理機(jī)使用效果不佳的問(wèn)題，本文利用有限元仿真技術(shù)分析了燒嘴射流分布規(guī)律，找到了燒嘴火焰最高流速區(qū)域與鑄坯高度不匹配的主要問(wèn)題，并提出了兩種優(yōu)化改進(jìn)方案，最后基于流場(chǎng)分析技術(shù)，研制了新型鴨嘴式燒嘴。新燒嘴上機(jī)使用后，鑄坯清理時(shí)間和改判量大幅降低，成效顯著。

關(guān)鍵詞：火焰清理機(jī);板坯連鑄;燒嘴;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);仿真分析

隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)鋼板表面質(zhì)量要求越來(lái)越高，特別是汽車用鋼對(duì)鋼板表面質(zhì)量的要求近乎苛刻。鋼坯表面質(zhì)量的好壞是最終產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)劣的一個(gè)很重要的影響因素，如果板坯表面有小的瑕疵，軋制成材后將擴(kuò)大成幾米的缺陷。為獲得高表面質(zhì)量產(chǎn)品，減少產(chǎn)品質(zhì)量缺陷，需要對(duì)板坯進(jìn)行清理，去除板坯表面可見(jiàn)缺陷。相比其他表面清理工藝，自動(dòng)火焰清理具有降低生產(chǎn)成本、改善工作環(huán)境、節(jié)省時(shí)間、提高產(chǎn)能等優(yōu)勢(shì)，目前火焰清理技術(shù)已在寶鋼、首鋼、本鋼、舞鋼等鋼鐵企業(yè)廣泛應(yīng)用。

由于國(guó)內(nèi)正在使用的火焰清理技術(shù)大都是從國(guó)外引進(jìn)的，部分核心技術(shù)尚未掌握，導(dǎo)致火焰清理工藝仍存在一些問(wèn)題，例如在火焰清理后的連板坯表面上會(huì)出現(xiàn)清理不完全、結(jié)瘤等問(wèn)題，影響了后續(xù)產(chǎn)品質(zhì)量。燒嘴作為火焰清理機(jī)的核心部件，直接與被清理產(chǎn)品的表面質(zhì)量密切相關(guān)，所以要想提高火焰清理質(zhì)量，就必須從燒嘴流場(chǎng)分析入手。

一、火焰清理機(jī)主要技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

（一）主要技術(shù)參數(shù)

2014年，武鋼有限公司從美國(guó)L–TEC公司引進(jìn)了一臺(tái)CM–90–8–1型板坯火焰清理機(jī)，其板坯清理厚度范圍為210mm～250mm，板坯清理寬度范圍為700mm～2150mm，板坯清理長(zhǎng)度范圍為為6000mm～11000mm，其可清理超低碳鋼、低碳鋼、包晶鋼、中碳鋼、低合金鋼、高碳鋼等。

（二）火焰清理機(jī)結(jié)構(gòu)

火焰清理機(jī)主要由清理機(jī)本體小車、能源介質(zhì)閥站、能源介質(zhì)軟管拖鏈等機(jī)械設(shè)備以及相應(yīng)的電氣自動(dòng)化設(shè)備組成。

清理機(jī)本體小車安裝在兩條軌道上，本體主要包括上下浮動(dòng)梁、燒嘴支撐架和燒嘴。清理小車在清理位和檢修位之間移動(dòng)，清理板坯時(shí)小車開(kāi)至清理位，更換燒嘴等檢修情況時(shí)開(kāi)至檢修位。

能源介質(zhì)閥站用于控制保證火焰清理機(jī)正常工作使用的燃?xì)猓貉鯕?、氮?dú)?、壓縮空氣和水，閥站的各介質(zhì)管路上有球閥、安全閥、調(diào)節(jié)閥、壓力變送器、壓力開(kāi)關(guān)、壓力表等以及相應(yīng)的電氣控制箱以便調(diào)節(jié)介質(zhì)各項(xiàng)參數(shù)。

能源介質(zhì)軟管拖鏈由各種能源介質(zhì)軟管及其支撐拖鏈本體組成，用于連接能源介質(zhì)閥站和清理小車上的管線。

電氣自動(dòng)化設(shè)備主要包含傳動(dòng)和控制柜PLC操作臺(tái)和監(jiān)視設(shè)備等。

能源介質(zhì)主要包括氧氣、天然氣、氮?dú)夂蛪嚎s空氣，其中氧氣工作壓力允許范圍為1.471MPa～1.961MPa，清理時(shí)壓力允許波動(dòng)±0.275MPa，最大流量為543.1Nm3/min;天然氣工作壓力允許范圍為0.45MPa～0.55MPa，熱值為8300kcal/Nm3，最大流量為93.0Nm3/min;氮?dú)夤ぷ鲏毫υ试S范圍為0.4MPa～0.6Mpa，最大流量為33.0Nm3/min;壓縮空氣工作壓力必須大于0.55Mpa，最大流量為32.1Nm3/min。

二、燒嘴射流技術(shù)研究

引進(jìn)的板坯火焰清理機(jī)在使用過(guò)程中，在使用過(guò)程中存在火焰不集中，板坯預(yù)熱速度慢，清理質(zhì)量不佳等問(wèn)題，為了找到原因，對(duì)燒嘴射流技術(shù)進(jìn)行了研究。

（一）控制方程

在火焰清理機(jī)自動(dòng)清理的過(guò)程中，燃料氣體與氧氣從燒嘴中噴出，這一過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜湍流射流的問(wèn)題。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在整個(gè)建模過(guò)程中忽略溫度影響，假設(shè)整個(gè)射流過(guò)程為絕熱過(guò)程且流體介質(zhì)為不可壓縮空氣，且氣體流動(dòng)應(yīng)遵守連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程。

（二）三維模型建立

由于板坯上下表面的噴嘴結(jié)構(gòu)形式相同，為了計(jì)算方便，僅選取了板坯上方的一組燒嘴（23個(gè)）進(jìn)行系統(tǒng)仿真（。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)燒嘴結(jié)構(gòu)尺寸建立了三維仿真模型后，結(jié)合燃?xì)夤ぷ鲄?shù)，對(duì)邊界條件進(jìn)行了設(shè)定。其中氧氣總流量為506Nm3/min，每一個(gè)噴嘴的氧氣流量為22Nm3/min;天然氣總流量為92Nm3/min，平均到每一個(gè)噴嘴孔大約為4Nm/min;燒嘴與板坯之間的噴射角度為35°;燒嘴出口距離板坯垂直距離為40mm。

（三）仿真結(jié)果分析

從燒嘴射流云圖上可以看出，燒嘴內(nèi)氧氣最高流速為300m/s，位于燒嘴射流方向與燒嘴下方距離20mm水平面的交匯處，而且隨著距離的變大，燒嘴流速逐漸降低。目前，essu燒嘴與板坯的垂直距離為40mm，由此可見(jiàn)該燒嘴火焰流速最大的位置不在板坯上，這嚴(yán)重影響了板坯清理效果;同時(shí)，從燒嘴流場(chǎng)分布圖上發(fā)現(xiàn)，氧氣射流方向一致性較差，且部分氧氣射流呈回流狀態(tài)，這就導(dǎo)致板坯在清理過(guò)程中表面熔融鋼液部分回流，在板坯表面形成結(jié)瘤，這與實(shí)際情況較為一致。

由此可進(jìn)，必須對(duì)燒嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)性，優(yōu)化燒嘴與板坯距離，使燒嘴出口氧氣最高流速與板坯相切，從而來(lái)提升板坯火焰清理效果。

三、燒嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了提升板坯清理效果，提出了兩種燒嘴改進(jìn)方案。第一種是將燒嘴與板坯垂直距離下降20mm，使氧氣燒嘴的最高流速位置與板坯相交;第二種是將燒嘴與板坯垂直距離下降40mm，使燒嘴出口直接與板坯接觸。

（一）方案一仿真結(jié)果分析

從燒嘴射流云圖上可以看出，燒嘴內(nèi)氧氣最高流速仍為300m/s，主要位于燒嘴氧氣射流與板坯接觸的部位;同時(shí)，氧氣流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)方向一致性較好，均沿著噴嘴方向向前，極少氣流呈回旋狀態(tài)，這說(shuō)明該方案有利于火焰清理。

（二）方案二仿真結(jié)果分析

與方案一相比，該方案燒嘴內(nèi)氧氣最高流速也為300m/s，主集中在燒嘴氧氣射流與板坯接觸的部位，氧氣流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)方向一致性雖然比改進(jìn)前有所提高，但仍然較差，部分氧氣存在回流和逆向運(yùn)動(dòng)。

終上所述，兩種改進(jìn)方案均有利于提高氧氣流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)一致性，但方案二的改進(jìn)效果較差，因此方案一的改進(jìn)方案最優(yōu)，更有利于板坯表面清理。

（三）燒嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了達(dá)到將燒嘴與板坯垂直距離下降20mm的目的，通過(guò)理論計(jì)算，設(shè)計(jì)了新型鴨嘴式燒嘴，即將原來(lái)燒嘴的上部預(yù)熱塊從60mm增加到100mm，并采用整體鑄造技術(shù)，將原來(lái)上預(yù)熱塊的組裝式結(jié)構(gòu)變成整體式結(jié)構(gòu)，這樣極大縮短了燒嘴更滑時(shí)間。

四、效果分析

新型鴨嘴式燒嘴上機(jī)應(yīng)用之后，燒嘴火焰高度集中，板坯清理速度明顯變快，單塊板坯清理時(shí)間由原來(lái)平均60秒縮短為40秒。同時(shí)，鍍鋅汽車面板軋后夾雜發(fā)生率同比下降了34.3%，單線類缺陷條數(shù)平均值從3.77條降至1.86條，雙線類缺陷則從0.29條降至0.23條，產(chǎn)品質(zhì)量得到大幅度提升。

五、結(jié)論

（1）利用有限元仿真分析軟件對(duì)火焰清理機(jī)燒嘴射流分布進(jìn)行了深入研究，找到了燒嘴火焰最高流速區(qū)域與鑄坯高度不匹配的主要問(wèn)題。

（2）提出了兩種不同的優(yōu)化改進(jìn)方案，并通過(guò)燒嘴射流分布規(guī)律研究，完成了新型鴨嘴式燒嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（3）新型鴨嘴式燒嘴上機(jī)后，使單塊板坯清理時(shí)間降低1/3，產(chǎn)品質(zhì)量缺陷量降低34.3%，成效顯著。

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