锻造加热炉是金属熔铸过程的关键设备,其熔炼过程也是金属加工过程中能耗较大的环节,而炉内速度与温度分布对锻造加热炉能耗及产品质量有重要影响,因此,通过数值模拟的方法全面了解锻造加热炉内热工过程,对锻造加热炉的节能研究及优化设计具有重要指导意义。

 

蓄热式锻造炉为研究对象,针对锻造加热炉的运行特点,应用标准κ-ε湍流模型、组分传输模型、P-1辐射模型、处理金属熔化潜热的等效比热法,实现了锻造加热炉内非稳态多场耦合数值模拟。以缩短熔化时间为目标,基于正交试验设计方案对影响锻造加热炉热工过程的5个参数进行了数值模拟及优化研究,并得到相应参数的优化值。

 

主要结论如下：

 

(1)通过实际生产工况下锻造加热炉内烟气及金属料温度的数值模拟结果与测试值比较,验证了数学物理模型的可靠性。

 

(2)设计工况下炉内主流气体速度较大,倾斜冲击金属料表面；炉内形成循环气流,有利于增强炉内换热。

 

(3)设计工况下炉内最高燃烧温度达2490K,火焰能到达金属料表面,有利于增强与金属料的换热；金属料温度在同一水平高度分布较为均匀,两烧嘴夹角位置温度较低,而扒渣坡处金属料温度较高,易产生烧损。

 

(4)设计工况下炉膛平均温度随加热时间上升较为平缓,温度在1400K～1500K范围内；金属料平均温度在前2.5小时升温较快,随后由于熔化吸热升温速率逐渐减小；金属料温度相对标准差随加热时间呈先增大后减小、再增大的变化规律,最大相对标准差为10.9%,出现在加热开始后1小时左右。

 

(5)对烧嘴高度、烧嘴倾角、烧嘴夹角、过剩空气系数和空气预热温度的不同水平构成的16组正交试验进行了数值模拟及分析,各参数对熔化时间影响的主次程度依次为：空气预热温度、过剩空气系数、烧嘴高度、烧嘴倾角、烧嘴夹角；其最优水平组合为：烧嘴高度657mm,烧嘴倾角25°,烧嘴夹角90°,过剩空气系数1.1,空气预热温度800℃。