第35卷 ,668 北京科技大学学报 回通道等组成（图1所示）.马弗炉加热段的马弗 为了获得马弗管上温度的分布和加热段内流 管内充满保护还原气氛(H2),外部采用40个非对 场和速度场的分布，需要考虑实际光亮退火马弗炉 称分布的燃气喷嘴喷射火焰加热马弗管，通过马弗 结构和加热特点进行建模 管辐射加热带钢，以保证带钢光亮退火质量.马弗 本文主要研究马弗管上温度分布和加热段内 管轴向尺寸较大，非对称分布的喷嘴导致燃料不均 流场和速度场分布，马弗管内保护气体和运动的带 匀燃烧和不均匀的气体流动，使得马弗管沿截面和 钢与马弗管之间的热量交换可以采用马弗管向外散 长度方向的温度不均匀，会严重影响带钢的退火质 热的热流密度表征，以等效带钢和保护气氛与马弗 量.同时，马弗管在长期、高温和燃气环境情况下 管的热量交换.由于马弗炉外喷嘴非对称布置，并 使用，温度不均会使其产生一些缺陷，如缩颈、壁 且喷嘴喷吹燃烧气体沿马弗管周向运动，故采用三 厚减薄、截面变形和鼓包②，严重影响马弗管的使 维建模，模型结构如图2所示 用寿命.因此，考虑马弗炉实际结构和加热工艺特 点，掌握加热段马弗管温度场分布及加热工艺参数 带铜 对温度场的影响规律，对延长马弗管寿命和提高带 珍 钢质量具有重要的意义 缝 变形段 为了研究加热炉内考虑燃烧过程的温度场和 冷却段 流场分布规律，很多学者使用计算流体力学软件 返 Fluent对加热炉内温度场进行了数值模拟.李建平 通 烧嘴 道 等3)采用标准k-ε湍流模型对侧喷加热铝材退火 炉内的气体流动和传热问题进行数值模拟研究，得 到了退火炉内气体流动顺畅、对流换热均匀，满足 马弗管 退火工艺对炉温均匀性的要求.林林等4-)建立 了全氢罩式退火炉退火热过程数学模型，得到了钢 卷退火曲线，分析了对流换热系数和钢卷径向等效 密封 箱体 导热系数对温度场的影响规律.Kim等[6和Han o1800m 等7对轧钢加热炉中厚板块加热过程进行了数值 (a) (b) 模拟，发展了相应的传热模型，推动了计算理论的 图1马弗炉(a)和马弗管(b)的结构 发展.由于大型光亮退火生产线较少，因而国内外 学者对马弗炉温度场数值模拟的研究涉及很少 Fig.1 Structures of the muffle furnace(a)and the muffle tube 本文采用Fluent软件建立马弗炉加热段的三 (b) 维仿真模型，考虑实际马弗炉加热段结构和燃烧特 点进行特征建模，并确定合理的数学模型和计算方 法，对马弗炉实际加热过程温度场、流场分布进行 分析，以进一步获得喷吹量对马弗管温度场的影响 B- 保温层 喷嘴 规律 1光亮退火马弗炉稳态换热仿真模型 马弗管 1.1考虑光亮退火马弗炉结构和工艺的特征建模 国内某大型不锈钢厂的大型光亮退火马弗炉 结构如图1所示②.马弗管安装在炉体内，顶部法 兰与冷却段用螺栓联结，采用硅橡胶密封圈密封， 喷嘴 底部悬空插入入口密封箱内，入口密封箱箱体内充 排气口 入高温淬火油用于隔断马弗管与燃烧室.马弗管由 12段不同厚度的耐热合金钢板焊接而成，沿马弗管 (a) (b) 切线方向180°布置两排非对称分布的喷嘴，马弗管与 图2马弗炉计算区域.(a)整体结构：(b)俯视图 炉壁之间是燃烧室，燃烧室从底到上分六个加热区，每 Fig.2 Calculated region of the inuffle furnace:(a)gross struc- 个加热区单独控制，炉膛底端布置燃气出口. ture:(b)top view· · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 为 了获得马弗管上温度 的分布和加热 段 内流 场和速度场的分布, 需要考虑实际光亮退火马弗炉 结构和加热特 点进行建模 本文主要研究马弗管上温度分 布和 加热段 内 流场和速度场分布, 马弗管内保护气体和运动的带 钢与马弗管之间的热量交换可以采用 马弗管 向外散 热的热流密度表征, 以等效带钢和保护气氛与马弗 管的热量交换 由于马弗炉外喷嘴非对称布置 , 并 且喷嘴喷吹燃烧气体沿马弗管周 向运动 , 故采用三 维建模 , 模型结构如图 所示 缩段形颈变 回通道等组成 图 所示 马弗炉加热段 的马弗 管内充满保护还原气氛 , 外部采用 个非对 称分布的燃气喷嘴喷射火焰加热马弗管, 通过马弗 管辐射加热带钢 , 以保证带钢光亮退火质量 马弗 管轴 向尺寸较大, 非对称分布的喷嘴导致燃料不均 匀燃烧和不均匀的气体流动, 使得马弗管沿截面和 长度方向的温度不均匀, 会严重影响带钢 的退火质 量 同时, 马弗管在长期 、 高温和燃气环境情况下 使用 , 温度不均会使其产生一些缺陷, 如缩颈 、壁 厚减薄 、截面变形和鼓包 冈, 严重影响马弗管的使 用寿命 因此 , 考虑马弗炉实际结构和加热工艺特 点, 掌握加热段马弗管温度场分布及加热工艺参数 对温度场的影响规律 , 对延长马弗管寿命和提高带 钢质量具有重要的意义 为 了研 究加热炉 内考虑燃烧过程的温度场和 流场 分布 规律 , 很 多学者使用计算流体力学软件 对加热炉内温度场进行了数值模拟 李建平 等 同 采用标准 解 湍流模型对侧喷加热铝材退火 炉 内的气体流动和传热 问题进行数值模拟研究, 得 到了退火炉内气体流动顺畅 、对流换热均匀 , 满足 退火工艺对炉温均匀性的要求 林林等 一 建立 了全氢罩式退火炉退火热过程数学模型, 得到了钢 卷退火曲线 , 分析 了对流换热系数和钢卷径向等效 导热系数对温度场 的影响规律 等 圈 和 等 对轧钢加热炉中厚板块加热过程进行 了数值 模拟 , 发展 了相应 的传热模型, 推动了计算理论的 发展 由于大型光亮退火生产线较少, 因而国内外 学者对 马弗炉温度场数值模拟 的研究涉及很少 本文采用 软件建立马弗炉加热段的三 维仿真模型, 考虑实际马弗炉加热段结构和燃烧特 点进行特征建模, 并确定合理的数学模型和计算方 法 , 对马弗炉实际加热过程温度场 、流场分布进行 分析 , 以进一步获得喷吹量对马弗管温度场的影响 规律 带钢 冷却毛 道返通回 烧嘴 马弗管 密封 箱体 一 尸 尹 图 马弗炉 〔 和马弗管 ` 的结构 , 。 用 光亮退火马弗炉稳态换热仿真模型 考虑光亮退火马弗炉结构和工艺的特征建模 国内某 大型不锈钢厂的大型光亮退火马弗炉 结构如 图 所示 马弗管安装在炉体 内, 顶部法 兰与冷却段用螺栓 联结, 采用硅橡胶密封圈密封 , 底部悬空插入入 口密封箱 内, 入 口密封箱箱体内充 入高温淬火油用于隔断马弗管与燃烧室 马弗管 由 段不 同厚度 的耐热合金钢板焊接而成 , 沿马弗管 切线方向 布置两排非对称分布的喷嘴, 马弗管与 炉壁之间是燃烧室, 燃烧室从底到上分六个加热区, 每 个加热区单独控制, 炉膛底端布置燃气出口 排气口 图 马弗炉计算区域 整体结构 俯视图 川