CN111750669A - 加热炉均热段侧烧嘴的喷口布置方法 - Google Patents

加热炉均热段侧烧嘴的喷口布置方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种加热炉均热段侧烧嘴的喷口布置方法，其特征是：包括步骤1：燃烧测试原始侧烧嘴得出温度最高点的实验位置；步骤2：CFD仿真原始侧烧嘴得出温度最高点的计算位置，并计算比例系数=实验位置/计算位置；步骤3：调整空煤喷口的距离与夹角，并对所有调整方案进行CFD仿真温度最高点的调整位置；步骤4：将计算位置和调整位置通过比例系数修正，得出修正位置；步骤5：根据侧烧嘴中心线上温度最高点的经验位置与修正位置比对，选择合适的侧烧嘴喷口布置方式。本发明能利用CFD仿真软件及试验结果对不同烧嘴中心线上温度最高点位置进行计算，从而根据经验位置调节空煤喷口之间的距离和夹角，得出满足火焰长度要求的最优烧嘴设计。

Description

加热炉均热段侧烧嘴的喷口布置方法
技术领域
本发明涉及一种加热炉上烧嘴结构的设计方法，尤其涉及一种加热炉均热段侧烧嘴的喷口布置方法。
背景技术
烧嘴（燃烧器）作为加热炉中的核心部件，对加热炉内部的温度场和流场起到了决定性作用。对某些出炉温度均匀性要求较高的板坯，加热炉内温度场的均匀性就显得较为重要。而影响炉内温度场的主要原因就是侧烧嘴的火焰长度，若火焰长度过长，加热炉内的热量就会集中在中部，出炉板坯中间的温度就会过高。反之，若火焰长度过短，加热炉内的热量就会集中在两侧，出炉板坯两侧的温度就会过高。因此，如何设计烧嘴的结构使其火焰长度达到理想状态是烧嘴设计的一大重点。
中国专利公开号为CN102425795A的发明专利申请（申请日：2012.04.25，申请人：上海交通大学），公开了一种“蓄热式烧嘴助燃空气喷口与燃料喷口间夹角的优化方法”，该控制方法的关键是根据CFD（computational fluid dynamics，即计算流体动力学）仿真计算烧嘴燃烧后的流场和浓度场，通过燃烧产物最优确定出烧嘴喷口夹角的最优区域。但该方法不涉及火焰长度的计算，同时忽略了理论计算与实验的联系，计算结果误差大，不适合实际生产应用。
中国专利公开号为CN202452492U的发明专利申请（申请日：2012.09.26，申请人：河北九鼎冶金设备制造有限公司），公开了一种“热脏煤气火焰长度可调亚高速烧嘴”，该烧嘴控制方法的关键是通过调整烧嘴中心的空气流量控制烧嘴火焰长度。但该方法在实际运用时过于繁琐，除了控制传统的空煤流量外还需要控制烧嘴中心风流量，且烧嘴结构就相对复杂，不适合普及应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种加热炉均热段侧烧嘴的喷口布置方法，能利用CFD仿真软件以及试验结果对不同烧嘴的中心线上温度最高点位置进行计算，从而根据经验位置调节空煤喷口之间的距离和夹角，得出满足火焰长度要求的最优烧嘴设计。
本发明是这样实现的：
一种加热炉均热段侧烧嘴的喷口布置方法，包括以下步骤：
步骤1：对原始侧烧嘴在实验性的加热炉中进行燃烧测试，得出侧烧嘴中心线上温度最高点的实验位置；
步骤2：对原始侧烧嘴进行CFD仿真计算，得出侧烧嘴中心线上温度最高点的计算位置，并根据侧烧嘴中心线上温度最高点的实验位置和计算位置计算比例系数，计算公式如下：
比例系数=实验位置/计算位置；
步骤3：调整侧烧嘴的空气喷口与煤气喷口之间的距离与夹角，并对所有调整方案进行CFD仿真计算，得出侧烧嘴中心线上温度最高点的调整位置；
步骤4：将所有方案中侧烧嘴中心线上温度最高点的计算位置和调整位置通过比例系数修正，得出侧烧嘴中心线上温度最高点的修正位置；
步骤5：根据侧烧嘴中心线上温度最高点的经验位置与修正位置比对，选择合适的侧烧嘴喷口布置方式，使该喷口布置方式中空煤喷口所产生的火焰温度最高点位置能最接近经验位置，经验位置由以下公式计算得到：
经验位置≈加热炉宽度*2.9/板坯长度。
所述的步骤1包括如下分步骤：
步骤1.1：在实验性的加热炉中布置若干个热电偶；
步骤1.2：侧烧嘴燃烧后，若干个热电偶中温度测试最高点的位置即是侧烧嘴中心线上温度最高点的实验位置。
在所述的步骤1.1中，若干个热电偶沿侧烧嘴的等高中心线方向等间距布置。
在所述的步骤3中，空气喷口与煤气喷口之间的调整距离范围为空气喷口与煤气喷口的原始距离的75%-原始距离的125%。
在所述的步骤3中，空气喷口与煤气喷口之间的调整夹角范围为0°-15°。
在所述的步骤3中，在调整空气喷口与煤气喷口之间的距离或夹角时，煤气喷口保持不动，通过同步调整若干个空气喷口的位置和方向改变其与煤气喷口之间的距离与夹角。
本发明能利用CFD仿真软件以及试验结果对不同烧嘴的中心线上温度最高点位置进行计算，通过空煤喷口之间的距离和夹角的调节，并结合计算结果和经验公式选出合适的烧嘴设计方案，使加热炉侧烧嘴喷出的火焰长度适中，有效减少了试验次数，以较高的效率设计出最合适的烧嘴喷口布置方案。通过本发明选择的最优喷口布置方案能提高加热炉内的温度均匀性，使出炉温度的均匀性能满足生产要求较高的板坯生产，适用于火焰长度要求较精确的烧嘴喷口结构设计。
附图说明
图1是加热炉均热段的生产示意图；
图2是本发明实验性的加热炉均热段中的热电偶的布置示意图；
图3是本发明加热炉均热段侧烧嘴的原始喷口布置示意图；
图4是本发明加热炉均热段侧烧嘴的喷口布置调整示意图；
图5是本发明加热炉均热段侧烧嘴等高中心线上的CFD仿真温度分布图；
图6是本发明加热炉均热段侧烧嘴的喷口布置方法的流程图。
图中，1侧烧嘴，11煤气喷口，12空气喷口，21实验性的加热炉，22加热炉，3热电偶，4板坯，L侧烧嘴的等高中心线，d空气喷口与煤气喷口之间的距离，a空气喷口与煤气喷口之间的距离。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
请参见附图1及附图6，一种加热炉均热段侧烧嘴的喷口布置方法，包括以下步骤：
步骤1：对原始侧烧嘴1在实验性的加热炉21中进行燃烧测试，得出侧烧嘴中心线上温度最高点的实验位置。请参见附图3，原始侧烧嘴1中若干个空气喷口12可与煤气喷口11平行设置，优选的，可在煤气喷口11的四周均匀分布6个空气喷口12，能符合板坯4的烧制要求。
请参见附图2，步骤1.1：在实验性的加热炉21中沿侧烧嘴1的等高中心线L方向布置若干个热电偶3，优选的，每隔0.5m等间距布置一个热电偶3，实验性的加热炉21中可布置18个热电偶3。
步骤1.2：侧烧嘴1燃烧后，若干个热电偶3中温度测试最高点的位置即是侧烧嘴中心线上温度最高点的实验位置。
请参见附图5，步骤2：对原始侧烧嘴1进行CFD仿真计算，得出侧烧嘴中心线上温度最高点的计算位置，并根据侧烧嘴中心线上温度最高点的实验位置和计算位置计算比例系数，计算公式如下：
比例系数=实验位置/计算位置。
在步骤2中，CFD仿真计算的步骤如下：1、采用3D制图软件按真实比例画三维烧嘴图。2、采用网格划分软件对三维烧嘴进行网格划分。3、采用现有的CFD计算流体力学仿真软件进行烧嘴燃烧的仿真，需要设置烧嘴的燃气空气流量、环境温度压力等边界条件、动量、能量方程参数等。
请参见附图3及附图4，步骤3：调整侧烧嘴1的空气喷口12与煤气喷口11之间的距离d与夹角a，并对所有调整方案进行CFD仿真计算，得出侧烧嘴中心线上温度最高点的调整位置。空气喷口12与煤气喷口11之间的距离d是指空气喷口12的轴向与煤气喷口11的轴向之间的垂直距离，空气喷口12与煤气喷口11之间的夹角a是指空气喷口12的轴向与煤气喷口11的轴向之间的夹角；且在调整空气喷口12与煤气喷口11之间的距离d或夹角a时，煤气喷口11始终保持不动，通过同步调整若干个空气喷口12的位置和方向来改变其与煤气喷口11之间的距离d与夹角a；当空气喷口12的夹角a改变时，即空气喷口12以一端（固定端）为中心转动一定角度并向煤气喷口11聚拢，空气喷口12与煤气喷口11之间的距离d为空气喷口12的固定端中心与煤气喷口11的轴向之间的垂直距离。
优选的，所述的空气喷口12与煤气喷口11之间的调整距离范围可选择为空气喷口12与煤气喷口11的原始距离的75%-原始距离的125%。空气喷口12与煤气喷口11的原始距离一般为0.2m，因此，空气喷口12与煤气喷口11之间的调整距离可选择为0.2m、0.25m和0.15m。
优选的，所述的空气喷口12与煤气喷口11之间的调整夹角范围可选择为0-15°，一般可选择为0°、5°、10°和15°。因此，空气喷口12与煤气喷口11之间的布置有12种组合方案。
步骤4：将所有方案（包括原始结构方案和调节结构方案）中侧烧嘴中心线上温度最高点的计算位置通过比例系数修正，得出侧烧嘴中心线上温度最高点的修正位置。
步骤5：根据侧烧嘴中心线上温度最高点的经验位置与修正位置比对，选择合适的侧烧嘴喷口布置方式，即空气喷口12与煤气喷口11之间合适的距离d和夹角a，使其产生的火焰温度最高点位置能最近接经验位置，经验位置由以下公式计算得到：
经验位置≈加热炉宽度*2.9/板坯长度（板坯居中布料），其中，系数2.9是根据其他生产质量出色的同型号加热炉及其配套烧嘴的燃烧数据得到的经验系数。
实施例1：
请参见附图2，在实验室的实验性加热炉21中间隔0.5m布置一个热电偶3，共沿侧烧嘴1的等高中心线L布置18个热电偶3，18个热电偶距离侧烧嘴1为0.5m、1m、1.5m…9m，即18个实验位置。请参见附图3，原始侧烧嘴由煤气喷口11和均匀分布在煤气喷口11四周的6个空气喷口12构成，空气喷口12的轴向与煤气喷口11的轴向平行设置且距离d为0.2m，即空气喷口12与煤气喷口11之间的夹角a为0°。燃烧侧烧嘴1得出其中心线上温度最高点的实验位置，18个实验位置处的温度数据如表1所示。
表1：18个实验位置处的温度数据
测温点 1 2 3 4 5 6 7 8 9
实验位置(m) 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
温度（℃） 929 972 1012 1030 1048 1066 1065 1059 1069
测温点 10 11 12 13 14 15 16 17 18
实验位置(m) 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9
温度（℃） 1048 1026 994 962 940 924 909 886 873
从表1可知，侧烧嘴中心线上温度最高点的实验位置为测温点9，其热电偶3距离侧烧嘴1的距离为4.5m，温度为1069℃。
请参见附图5，对原始侧烧嘴1进行CFD仿真计算，计算加热炉22内的温度分布并得出侧烧嘴1的等高中心线L上的温度分布。求出侧烧嘴中心线上温度最高点的计算位置，由附图5可知，计算位置为距离侧烧嘴1 5.5米处。比例系数=实验位置/计算位置=4.5/5.5=0.82。
侧烧嘴1的空气喷口12与煤气喷口11之间的原始距离为0.2m，空气喷口12与煤气喷口11之间的原始夹角为0°，空气喷口12与煤气喷口11之间的距离d可选择原始距离0.2m、原始距离的125%即0.25m和原始距离的75%即0.15m，空气喷口12与煤气喷口11之间的夹角a可选择为原始夹角0°、5°、10°和15°，并通过CFD仿真计算12种喷口布置组合方案中侧烧嘴中心线上温度最高点的计算位置，如表2所示。
表2：各个方案CFD仿真计算结果
侧烧嘴空煤喷口结构 温度最高点的计算位置（m）
距离d为0.15m 夹角a为0° 4
距离d为0.15m 夹角a为5° 3
距离d为0.15m 夹角a为10° 4.5
距离d为0.15m 夹角a为15° 5
距离d为0.2m 夹角a为0° 5.5
距离d为0.2m 夹角a为5° 4
距离d为0.2m 夹角a为10° 5.5
距离d为0.2m 夹角a为15° 6
距离d为0.25m 夹角a为0° 6.5
距离d为0.25m 夹角a为5° 5
距离d为0.25m 夹角a为10° 5.5
距离d为0.25m 夹角a为15° 5.5
利用比例系数0.82对表2中的计算位置进行修正，修正结果如表3所示。
表3：各个方案的修正结果（保留小数点后一位）
侧烧嘴空煤喷口结构 温度最高点的修正后位置（m）
距离d为0.15m 夹角a为0° 3.3
距离d为0.15m 夹角a为5° 2.5
距离d为0.15m 夹角a为10° 3.7
距离d为0.15m 夹角a为15° 4.1
距离d为0.2m 夹角a为0° 4.5
距离d为0.2m 夹角a为5° 3.3
距离d为0.2m 夹角a为10° 4.5
距离d为0.2m 夹角a为15° 4.9
距离d为0.25m 夹角a为0° 5.3
距离d为0.25m 夹角a为5° 4.1
距离d为0.25m 夹角a为10° 4.5
距离d为0.25m 夹角a为15° 4.5
在本实施例应用于实际生产时，采用的加热炉22的宽度为11.9m，板坯4长度为10.5m，由于烧嘴中心线温度最高点位置能有效反应烧嘴火焰的长度，根据经验，侧烧嘴1中心线上温度最高点的经验位置≈加热炉宽度*2.9/板坯长度=11.9*2.9/10.5≈3.29m。
根据表3所示，侧烧嘴结构采用距离d为0.15m、夹角a为0°或距离d为0.2m、夹角a为5°的结构布置时，温度最高点的修正后位置为3.3m，与经验位置3.29m最接近。考虑到侧烧嘴修改加工的复杂性以及希望空煤喷口保持一定的距离，可最终选择距离d为0.2m、夹角a为5°这一布置方案。
请参见附图1，加热炉22完成了与采用原结构侧烧嘴结构同牌号的板坯4生产，该牌号的板坯出炉温度均匀性要求极高。在选择距离d为0.2m、夹角a为5°这一布置方案后，原板坯出炉温度检测曲线中间偏高的现象得到缓解，均匀性在相同出钢节奏的情况下有显著提高，具体生产情况如下：
原侧烧嘴的生产批次情况：
共生产板坯52块。板坯出炉表面平均温度极差为20.63℃，出钢节奏为394秒，温度极差小于20℃的合格板坯4有30块，占57%。
调整侧烧嘴结构后的生产批次情况：
共生产板坯52块。板坯出炉表面平均温度极差为17.13℃，出钢节奏为394秒，温度极差小于20℃的合格板坯4有44块，占84%，板坯4的合格率有较大的提高。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在 本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种加热炉均热段侧烧嘴的喷口布置方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤1：对原始的侧烧嘴（1）在实验性的加热炉（21）中进行燃烧测试，得出侧烧嘴中心线上温度最高点的实验位置；
步骤2：对原始的侧烧嘴（1）进行CFD仿真计算，得出侧烧嘴中心线上温度最高点的计算位置，并根据侧烧嘴中心线上温度最高点的实验位置和计算位置计算比例系数，计算公式如下：
比例系数=实验位置/计算位置；
步骤3：调整侧烧嘴（1）的空气喷口（12）与煤气喷口（11）之间的距离和夹角，并对所有调整方案进行CFD仿真计算，得出侧烧嘴中心线上温度最高点的调整位置；
步骤4：将所有方案中侧烧嘴中心线上温度最高点的计算位置和调整位置通过比例系数修正，得出侧烧嘴中心线上温度最高点的修正位置；
步骤5：根据侧烧嘴中心线上温度最高点的经验位置与修正位置比对，选择合适的侧烧嘴喷口布置方式，使该喷口布置方式中空煤喷口所产生的火焰温度最高点位置能最接近经验位置，经验位置由以下公式计算得到：
经验位置≈加热炉宽度*2.9/板坯长度。
2.根据权利要求1所述的加热炉均热段侧烧嘴的喷口布置方法，其特征是：所述的步骤1包括如下分步骤：
步骤1.1：在实验性的加热炉（21）中布置若干个热电偶（3）；
步骤1.2：侧烧嘴（1）燃烧后，若干个热电偶（3）中温度测试最高点的位置即是侧烧嘴中心线上温度最高点的实验位置。
3.根据权利要求1所述的加热炉均热段侧烧嘴的喷口布置方法，其特征是：在所述的步骤1.1中，若干个热电偶（3）沿侧烧嘴（1）的等高中心线方向等间距布置。
4.根据权利要求1所述的加热炉均热段侧烧嘴的喷口布置方法，其特征是：在所述的步骤3中，空气喷口（12）与煤气喷口（11）之间的调整距离范围为空气喷口（12）与煤气喷口（11）的原始距离的75%-原始距离的125%。
5.根据权利要求1所述的加热炉均热段侧烧嘴的喷口布置方法，其特征是：在所述的步骤3中，空气喷口（12）与煤气喷口（11）之间的调整夹角范围为0°-15°。
6.根据权利要求1或4或5所述的加热炉均热段侧烧嘴的喷口布置方法，其特征是：在所述的步骤3中，在调整空气喷口（12）与煤气喷口（11）之间的距离或夹角时，煤气喷口（11）保持不动，通过同步调整若干个空气喷口（12）的位置和方向改变其与煤气喷口（11）之间的距离与夹角。
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CN113255242A (zh) * 2021-04-25 2021-08-13 南京钢铁股份有限公司 一种线材加热炉炉内热过程仿真方法

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