李进心， 康泰宇， 郭 纯
（安徽科技学院机械工程学院， 安徽 凤阳 233100）
引言加热炉设备是工业轧钢加热的关键技术设备，随着科技的发展，生产能量消耗与日俱增，节能减排、提高品质已成为当务之急[1]。由于目前我国正处于飞速发展的关键时期，对钢铁生产线实现高速化、智能化和高精度的发展方向，提出了新的技术要求。对加热炉内温度场、加热压力场等分布场问题，常规的方法一般是通过现场模型检测或进行模型模拟实验。加热数值分析模拟实验具有数据计算准确、实验数据参数准确、修改及时、速度快等特点[2]。因此，通过采用数值分析模拟的方法，深入分析其对炉内钢坯高温加热产品质量的影响，可为生产实际提供理论参考。同时，使用软件模拟实验可减少不必要的浪费，减轻实验负担。
1 加热炉模拟的发展前景20 世纪以来，金属材料应用快速发展和新金属材料制造技术的应用，使现代金属材料热处理的制造工艺技术得到了不断改进和发展。一个显着的技术发展历史阶段大约是在1901—1925 年，在现代金属材料处理工程机械的设计制造中，20 世纪年代中期应用的对井式炉的控制技术，首先进行了控制气体氧化渗碳。1858 年，发明了大型陶瓷高温蓄热室。1982 年，研制生产出了目前世界上第一套蓄热式大型高温陶瓷加热淬火炉燃烧器[3]。钢铁工业生产自动化是我国钢铁工业应用领域的一个重要技术基础产业，而在轧钢的工业生产中对于燃料的大量消耗，主要以生产轧钢用的加热炉为最多[4]。
从高压加热燃料炉膛、炉管的结构设计，到加热炉膛和喷嘴的正确位置安放、安装位置及几何流体结构，都可以利用CFD 模拟软件对新型高压湍流燃料加热炉膛在燃烧时的过程规律，进行各种数值模拟。该工艺设计过程成本低，能够及时、准确地获得燃烧污染物传热温度场和炉内燃烧热流场的技术细节。同时，这种加热炉温度场数值模拟还可推广应用至其它机械零部件制造领域，具有佷广的应用前景。
2 模拟软件介绍目前，国内外加热炉温度场数值模拟软件较多，其中应用较为广泛的有ANSYS、CFX4.4 和FLUENT等软件[5]。ANSYS 软件是目前最为常用的加热炉温度场数值模拟工具，具有简洁明了的画面和标准的控制过程。ANSYS 软件是一种集化学熔融和流体分子力学结构、电磁和流体声学于一体的大型力学分析软件。软件中包含前端的处理软件模块、分析、计算时的软件处理模块和计算后处理软件模块[6]。前处理器的虚拟模块配置可以自动提供一个能够自动设计并进行物体数学实验建模，方便于实验用户自行设计构建一个相应的物体数学实验模型。后处理器能够把分析的结果用图片展示的方法准确地呈现在用户界面上[7]。因此，ANSYS 软件能力强大，完全可以帮助用户进行对加热炉温度场数值的模拟分析研究。FLUENT 是现在国际和社会广泛使用的商用CFD 软件工具包，在系统中，前处理器模块可以快速完成前处理任务，主要是用于快速进行运算处理分析的解答、运算过程模拟及运算流场的综合应用。后处理器模块大部分是使用于运算数据的处理分析信息和分析处理结果的可视化，可以高效查看和处理解析运算结果[8]。
3 加热炉温度场模拟3.1 加热炉内燃料对温度场的模型为了更加方便地研究和控制使用加热炉，大部分研究将基于加热炉的温度控制[9]。在一般应用情况下，只是在加热炉检测点周围的一个细小检测区域检测研究整个加热炉内燃料的平均工作温度，而不是研究整个加热炉内平均温度的复杂变化情况。整个加热炉内平均温度的复杂变化情况与整个加热炉内所有燃料的总发热量以及加热炉的承受能力等复杂变化情况密切相关。通过对加热炉电热丝进行发热过程的温度值来看，加热炉对整个燃料和所有电热丝发热过程所消耗的时间，比加热炉对燃料和锻件进行传热过程所消耗的时间要小。在通常情况下，两段式加热炉温度的变化动态和特性主要是由两段式加热炉对材料和锻件进行传热的过程所影响和决定的，传热的形式和过程可以分为导热、对流和辐射三种传热方式，三种传热各有不同[10]。
3.2 蓄热式加热炉数值模拟通过基本假设条件，建立蓄热式加热炉数值模型，如图1 所示。使用同一侧换向燃烧组织的方式，可以使加热炉内具有比较理想的温度，即在加热炉炉体宽度上的不同温度场几乎一致，在加热炉炉体长度方向上不同温度场的分布也比较理想。蓄热式加热炉采用同侧换向燃烧组织的方式，炉膛内相邻射流场的分布比较平均，并且在炉膛内相邻射流相互之间的作用下，会逐渐发生强烈复杂的射流混合，并且相邻射流会渐渐与炉膛内回流时产生的燃烧烟气相互组合，形成复杂的旋涡，具有一定高温的燃烧烟气，在加热炉内的停留时间逐渐变长，这样也就有利于大大提高蓄热式炉子的燃烧热量综合利用效率，有利于蓄热式锻件质量合格。蓄热式锻件在加热炉内各阶段的平均燃烧温度相对均匀，而在沿加热炉中锻件上下表面的平均O2的浓度以及加热炉中CO2的浓度相对较低，易使锻件形成一种高温低氧的蓄热式燃烧环境，这种燃烧环境变化也有利于蓄热式锻件的连续加热和锻件的温度控制。
3.3 步进式加热炉板坯温度场的数值模拟1）在加热处理过程中，温度较高的是钢坯的角部，而钢坯的断面与中心的温度差值较小。
2）钢坯的温度在加热段升高较快，钢坯的断面温度差值最大，预热段的钢坯断面温度差值较小，均热段钢坯断面温度差值最小。
3）钢坯出炉后均热段断面温差稍大于钢坯加热工艺需求，应该加长均热的时间来满足加热均匀性的工艺需求。
3.4 步进梁式加热炉温度场的数值模拟通过软件设计，建立了步进梁式加热炉钢坯的完整数学模型和物理动态模型，如图2 所示。采用有限容积温度计算方法（FVM），对整个步进梁数学虚拟模型的温度场进行了离散化计算和仿真。利用Visual-Fortran 计算方法，成功地设计了步进梁式加热炉内钢坯温度场的数值模拟计算，通过数值模拟得出外界因素对加热钢坯温度的影响，空气量和燃料量的添加差异影响着钢坯的品质。通过设计和测量，进行分析模拟计算，记录加热炉内的温度场变化分布，得到了加热炉内钢坯在整个加热炉内加热时间变化研究过程中，上下炉温度、钢坯内部的各个不同温度、不同点之间的变化关系曲线分布。将模拟分析得到的数据结果与加热炉进行实操实测结果相对比，模拟分析的温度差值与加热炉中实际测量值基本相符。
4 结语通过使用软件建立模型，模拟加热炉内的温度场进行分析，然后以模拟数据为依据进行加热，可以大大节约制造成本，减少不合格产品，避免造成不必要的浪费。研究成果可为传统加热炉应用提供重要理论依据，同时，还可广泛推广应用于其他工程机械工业零部件设计制造应用领域。
