鍛造加熱爐是金屬熔鑄過程的關鍵設備,其熔煉過程也是金屬加工過程中能耗較大的環節,而爐內速度與溫度分布對鍛造加熱爐能耗及產品質量有重要影響,因此,通過數值模擬的方法全面了解鍛造加熱爐內熱工過程,對鍛造加熱爐的節能研究及優化設計具有重要指導意義。

 

蓄熱式鍛造爐為研究對象,針對鍛造加熱爐的運行特點,應用標準κ-ε湍流模型、組分傳輸模型、P-1輻射模型、處理金屬熔化潛熱的等效比熱法,實現了鍛造加熱爐內非穩態多場耦合數值模擬。以縮短熔化時間為目標,基于正交試驗設計方案對影響鍛造加熱爐熱工過程的5個參數進行了數值模擬及優化研究,并得到相應參數的優化值。

 

主要結論如下：

 

(1)通過實際生產工況下鍛造加熱爐內煙氣及金屬料溫度的數值模擬結果與測試值比較,驗證了數學物理模型的可靠性。

 

(2)設計工況下爐內主流氣體速度較大,傾斜沖擊金屬料表面；爐內形成循環氣流,有利于增強爐內換熱。

 

(3)設計工況下爐內*高燃燒溫度達2490K,火焰能到達金屬料表面,有利于增強與金屬料的換熱；金屬料溫度在同一水平高度分布較為均勻,兩燒嘴夾角位置溫度較低,而扒渣坡處金屬料溫度較高,易產生燒損。

 

(4)設計工況下爐膛平均溫度隨加熱時間上升較為平緩,溫度在1400K～1500K范圍內；金屬料平均溫度在前2.5小時升溫較快,隨后由于熔化吸熱升溫速率逐漸減小；金屬料溫度相對標準差隨加熱時間呈先增大后減小、再增大的變化規律,*大相對標準差為10.9%,出現在加熱開始后1小時左右。

 

(5)對燒嘴高度、燒嘴傾角、燒嘴夾角、過剩空氣系數和空氣預熱溫度的不同水平構成的16組正交試驗進行了數值模擬及分析,各參數對熔化時間影響的主次程度依次為：空氣預熱溫度、過剩空氣系數、燒嘴高度、燒嘴傾角、燒嘴夾角；其*優水平組合為：燒嘴高度657mm,燒嘴傾角25°,燒嘴夾角90°,過剩空氣系數1.1,空氣預熱溫度800℃。