周 萍，陳 卓，王曉松，譚易君，閆紅杰

(中南大學 能源科學與工程學院，長沙 410083)

圓形蓄熱式熔鋁爐內非穩(wěn)態(tài)多場耦合數(shù)值模擬與參數(shù)優(yōu)化

周 萍，陳 卓，王曉松，譚易君，閆紅杰

(中南大學 能源科學與工程學院，長沙 410083)

以圓形蓄熱式熔鋁爐為研究對象，根據(jù)熔鋁爐的運行特點，應用標準k—ε湍流模型、渦耗散模型、P-1輻射模型描述湍流燃燒過程，應用等效比熱法描述鋁料的熔化過程，對熔鋁爐內進口與出口邊界交替變化的熱工過程進行非穩(wěn)態(tài)多場耦合數(shù)值模擬研究。蓄熱式熔鋁爐基準工況下的數(shù)值模擬結果表明：與傳統(tǒng)單一燒嘴工作相比較，兩個燒嘴快速切換，鋁料溫度分布更為均勻，其平均溫度在前3 h升溫較快，隨后由于熔化吸熱升溫速率逐漸減小。以縮短鋁料熔化時間為目標，采用正交試驗方案，對影響熔鋁爐熱工過程的5個參數(shù)進行數(shù)值模擬優(yōu)化，其優(yōu)化工況為燒嘴高度657 mm、燒嘴傾角25°、燒嘴夾角90°、過剩空氣系數(shù)1.1、空氣預熱溫度800 ℃。與設計工況相比，優(yōu)化工況能縮短鋁料熔化時間1 h，可降低能源約20%。

熔鋁爐；正交試驗；數(shù)值模擬；優(yōu)化

熔鋁爐是鋁加工過程的主要熔煉設備，其作用是熔化鋁料，使其質量均勻并達到一定化學成分要求，為鑄造及其他加工過程提供合格的鋁液。熔鋁爐的能耗遠高于鋁加工過程的其他設備[1?2]，加強對熔鋁爐的節(jié)能研究，有利于降低鋁加工過程的總體能耗、提高企業(yè)經(jīng)濟效益。

熔鋁爐內燃燒過程以及速度、溫度分布直接影響著鋁料的傳熱速率，進而影響鋁料的熔化速率與熔鋁爐的能源利用率，因此，對熔鋁爐內傳遞過程的研究引起了人們的極大關注。近年來，國內外一些學者應用數(shù)值模擬的方法，對熔鋁爐內傳遞過程進行了大量研究。其中以NIECKELE及其研究團隊為代表[3?7]，自1998年至2011年，NIECKELE采用數(shù)值模擬的方法分別研究了不同的燒嘴配置方式、不同燃劑及燃料對矩形熔鋁爐內燃燒過程的影響。GOLCHERT等[8]則分析了矩形熔鋁爐內N2及O2濃度對NOx生成的影響。向寓華等[9]對圓形熔鋁爐內鋁熔體溫度場進行了數(shù)值模擬，得到鋁熔體縱截面等溫線基本呈開口向上的拋物線分布，最高溫度位于熔體中心。周乃君等[10]采用流固耦合的方法同時計算鋁液保溫爐燃燒空間及鋁液區(qū)域，得到爐內流場、爐膛及鋁料溫度場分布情況，并分析了助燃空氣溫度和過?？諝庀禂?shù)對爐內溫度分布的影響，結果表明，鋁液溫度隨助燃空氣溫度的增加而增加，最佳過?？諝庀禂?shù)約為1.25。上述研究在建立熔鋁爐或保溫爐的數(shù)學模型時，均將爐內熱工過程視為穩(wěn)態(tài)。而實際上，隨著蓄熱式燃燒技術的發(fā)展以及燒嘴在爐內的交替工作，爐內的熱工過程是一個隨時間變化的非穩(wěn)態(tài)過程。

本文作者將熔鋁爐內熱工過程視為非穩(wěn)態(tài)，將鋁料的熔化熱用等效比熱法近似處理，用批處理文件的方法實現(xiàn)進口與出口邊界的交替變化，采用數(shù)值模擬方法對影響熔鋁爐內熱工過程的5個主要參數(shù)(燒嘴高度、燒嘴傾角、燒嘴夾角、過?？諝庀禂?shù)和空氣預熱溫度)進行正交試驗研究，獲得這些參數(shù)對熔鋁爐熔化時間的影響規(guī)律，并以縮短鋁料熔化時間為目標，對這些參數(shù)進行了優(yōu)化，為熔鋁爐的結構設計與操作參數(shù)優(yōu)化提供理論指導。

1 物理數(shù)學模型

1.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

圖1 熔鋁爐三維模型示意圖Fig. 1 Three-dimensional model of aluminum melting furnace

圖1所示為圓形蓄熱式熔鋁爐三維模型示意圖。由圖1可知，熔鋁爐爐體結構為圓柱形，爐內空間由上部的燃燒空間和下部的熔池區(qū)域組成。燃燒裝置采用一對蓄熱式燒嘴(燒嘴A和燒嘴B)，當一個燒嘴工作時，另一個作為主煙道進行排煙和蓄熱，更替時間為60 s，同時還設有一個輔助煙道。采用直角坐標系，坐標原點位于熔池上表面的中心處，Z軸正向指向爐體頂部，X軸正向指向輔助煙道方向。

采用分塊網(wǎng)格劃分的方法對計算區(qū)域進行離散化(見圖2)，將整個求解區(qū)域分成多個小塊，然后對每個小塊單獨進行網(wǎng)格劃分，并在燒嘴處進行局部加密，網(wǎng)格總數(shù)為38.5萬個。

圖2 網(wǎng)格結構示意圖Fig. 2 Schematic diagram of grid

1.2 數(shù)學模型

熔鋁爐內傳遞過程可以用非穩(wěn)態(tài)的速度場、溫度場與組分濃度場進行描述，這些場之間通過顯性或隱性方式相互耦合、相互作用，需進行聯(lián)立求解。傳遞過程的控制方程包括連續(xù)性、動量、能量以及組分方程，可寫成如下統(tǒng)一形式[11]：

式中：φ為任意獨立變量，可以代表速度、溫度、組分濃度等；u為速度矢量；Γφ為廣義擴散系數(shù)，Sφ為相應的源項。式(1)中各項依次為非定常項、對流項、擴散項及源項。

爐內氣體的湍流流動采用標準k—ε湍流模型模擬；燃燒反應采用渦耗散模型計算；由于光學深度αL大于1，輻射傳熱選用P-1模型描述；忽略鋁液的流動，將其視為靜止的固體，爐氣與鋁料之間的熱傳遞通過采用流固耦合傳熱模型實現(xiàn)[12?14]，鋁料的熔化熱處理為等效比熱，即鋁料的比熱容用分段線性函數(shù)表示：

式中：c*為等效比熱容；c1為熔化前不計熔化潛熱的比熱容；c2為熔化后不計熔化潛熱的比熱容；T1為熔化開始時的溫度；T2為完全熔化時的溫度；L為熔化潛熱。

假定燃燒過程滿足簡單化學反應系統(tǒng)，天然氣主要成分為CH4、C2H6、C3H8，其反應簡化為兩步式反應，則爐內發(fā)生的化學反應如下：

1.3 邊界條件及初值條件

1)天然氣入口：采用速度入口邊界條件(Velocityinlet)，入口流量為600 m3/h，折合速度大小為51.8 m/s，天然氣溫度為300 K，入口水力直徑為64 mm，湍流強度為0.035。

2)空氣入口：采用質量流量邊界條件(Mass-flowinlet)，空氣入口流量為6 780 m3/h，折合質量流量為2.397 kg/s。空氣溫度為873 K，入口水力直徑為457 mm，湍流強度為0.029 8。

3) 煙道出口：設置為出流邊界(Outflow)。

4) 壁面邊界：各壁面材料屬性和主要邊界條件如表1所列，環(huán)境溫度設定為300 K。

5) 初值條件：根據(jù)熔鋁爐操作特點，爐膛區(qū)域初始溫度為1 000 K，鋁料初始溫度為300 K。

值得注意的是，燒嘴A與B的邊界條件隨時間變化，一個為入口邊界時，另一個為出口邊界，交換時間間隔為60 s，用批處理文件的方法實現(xiàn)進口與出口邊界的交替變化。并根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對相關模型與方法的有效性進行了驗證[15]。

表1 壁面的材料性能和邊界條件Table 1 Material properties and condition settings at wall and boundaries

2 正交試驗方案

2.1 試驗指標

在試驗中用來衡量或考察試驗效果的特性值，稱為試驗指標[16]。對于熔鋁爐，其主要任務是熔化鋁料，盡量縮短熔化時間、使鋁料實現(xiàn)快速熔化是其基本要求。在防止燒損的前提下縮短熔化時間，有利于降低熔鋁爐能耗、提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量[17]。因此，本研究將熔化時間作為考察熔鋁爐熱工特性的指標。

2.2 試驗因素及水平

影響熔鋁爐熱工過程的參數(shù)很多，考慮到生產(chǎn)實踐中參數(shù)的可操作性，主要考慮燒嘴的安裝參數(shù)與操作參數(shù)，即：燒嘴安裝高度(h)、燒嘴安裝傾角(α)、兩燒嘴間的夾角(β)、過?？諝庀禂?shù)(n)及空氣預熱溫度(tair)。根據(jù)熔鋁爐各因素的實際可調節(jié)范圍選取相應試驗水平，如表2所列。

上述因素和水平構成一個5因素4水平的正交試驗，采用L16(45)正交表，總共需要進行 16組試驗。

3 結果與分析

3.1 基準工況

基準工況下空氣入口質量流量為2.397 kg/s，預熱溫度600 ℃；燒嘴高度、傾角和夾角分別為757 mm、15°和90°。為了解爐內傳熱過程及熱工特性，對該工況下兩個燒嘴交替工作時的計算結果進行分析。

圖3為兩燒嘴交替工作時爐內溫度分布。其中z=10 mm截面位于熔池表面上方10 mm處。爐內最高燃燒溫度為2 490 K，火焰較長，能到達鋁料表面，有利于增強與爐料的輻射換熱。燒嘴B和燒嘴A交替工作時z=10 mm截面形成互相垂直的高溫帶，在燒嘴快速切換作用下，使鋁料溫度比傳統(tǒng)單一燒嘴工作時更均勻。

表2 因素水平Table 2 Level of factors

圖3 兩燒嘴交替工作時爐內溫度分布Fig. 3 Temperature distribution in furnace when two burners working alternately: (a) Temperature distribution ofx=0 cross-section when burnerBworking; (b) Temperature distribution ofz=10 mm cross-section when burnerBworking; (c) Temperature distribution ofx=0 cross-section when burnerAworking; (d) Temperature distribution ofz=10 mm cross-section when burnerAworking

圖4所示為爐膛和鋁料平均溫度隨加熱時間變化曲線。由圖4可知，爐膛溫度加熱開始時升溫較快，隨后升溫速率減小，溫度在1 400～1 500 K的范圍內變化。鋁料熔化時間為5 h，前3 h升溫曲線近似為一條斜直線，隨后由于大部分鋁料處于熔化吸熱狀態(tài)，升溫速率減小，溫度曲線為一條斜率逐漸減小的拋物線。

3.2 正交試驗

分別對16組試驗工況進行了數(shù)值模擬，獲得各試驗工況的鋁料熔化時間。這16組試驗工況的具體參數(shù)組合及試驗結果如表3所列。根據(jù)熔化時間試驗結果，計算各因素相應水平的平均指標ki(其中i=1, 2, 3, 4)和極差R，也列于表3中。

圖4 爐膛及鋁料平均溫度隨時間變化曲線Fig. 4 Temperature trend of furnace and aluminum

3.3 優(yōu)化工況

根據(jù)極差分析方法，以熔化時間最短為目標，由表3可以得出，優(yōu)化工況各因素的組合如下：A1B4C3D1E4，即燒嘴高度657 mm，燒嘴傾角25°，燒嘴夾角90°，過?？諝庀禂?shù)1.1，空氣預熱溫度800℃。

表3 正交試驗結果Table 3 Results of orthogonal test

將優(yōu)化工況下熔鋁爐的多場耦合進行了數(shù)值模擬，鋁料平均溫度隨時間的變化曲線繪制于圖5。由圖5可以看出，優(yōu)化與基準兩種工況下鋁料平均溫度隨時間變化的趨勢相似，基準工況熔化時間為5 h，而優(yōu)化工況熔化時間縮短為4.01 h，且小于正交試驗中的16組試驗結果中的任意一組，表明該工況能夠有效地縮短鋁料熔化時間，其能耗相應降低約20%。

4 結論

1) 基準工況下爐內最高燃燒溫度為2 490 K，爐內火焰較長，能到達鋁料表面；兩燒嘴交替工作在鋁料表面上方形成相互垂直的高溫帶。

圖5 優(yōu)化工況與基準工況下鋁料平均溫度隨時間的變化Fig. 5 Changes of aluminum average temperature with time at optimal and basic cases

2) 爐膛平均溫度隨加熱時間的變化基本在1 400～1 500 K范圍內。鋁料平均溫度在前3 h升溫較快，隨后由于熔化吸熱升溫速率逐漸減小。

3) 以縮短熔化時間為優(yōu)化目標，采用正交試驗設計方案，對16組試驗工況進行數(shù)值模擬，得到優(yōu)化工況如下：燒嘴高度657 mm，燒嘴傾角25°，燒嘴夾角90°，過?？諝庀禂?shù)1.1，空氣預熱溫度800 ℃。

4) 對優(yōu)化工況進行了數(shù)值模擬并與基準工況比較，結果表明優(yōu)化工況下能縮短鋁料熔化時間1 h，降低能耗約20%。

REFERENCES

[1]劉 蒙, 柴西林. 中國鋁工業(yè)爐節(jié)能減排分析及展望[J]. 冶金設備, 2010(3): 67?70. LIU Meng, CHAI Xi-lin. Analysis and prospect on energy saving and emission reduction of aluminium industry furnace in China [J]. Metallurgical Equipment, 2010(3): 67?70.

[2]NIECKELE A O, NACCACHE M F, GOMES M S P, KOBAYASHI W T. Numerical investigation of the staged versus non-staged combustion process in an aluminum melting furnace [C]//Proceedings of AIAA/ASME Joint Thermophysics and Heat Transfer Conference. USA: ASME, 1998: 253?259.

[3]NIECKELE A O, NACCACHE M F, GOMES M S P, KOBAYASHI W T. The influence of oxygen injection configuration in the performance of an aluminum melting furnace [C]// Proceedings of IMECE: Heat Transfer Division. USA: ASME, 1999: 405?412.

[4]NIECKELE A O, NACCACHE M F, GOMES M S P, CARNEIRO J N E, ISNARD A A, SERFATY R. Numerical simulation of natural gas combustion process using a one step and a two-step reaction [C]//Proceedings of International Mechanical Engineering Congress and Exposition. USA: ASME, 2002: 37?43.

[5]NIECKELE A O, NACCACHE M F, GOMES M S P. Numerical modeling of an industrial aluminum melting furnace [J]. Journal of Energy Resources Technology, 2004, 126(1): 72?80.

[6]NIECKELE A O, GOMES M S P, NACCACHE M F, MENEZES R C. Influence of the type of oxidant in the combustion of natural gas inside an aluminum melting furnace [C]//Proceedings of International Mechanical Engineering Congress and Exposition. USA: ASME, 2006: 287?296.

[7]NIECKELE A O, GOMES M S P, NACCACHE M F. Combustion performance of an aluminum melting furnace operating with natural gas and liquid fuel [J]. Applied Thermal Engineering, 2011, 31(5): 841?851.

[8]GOLCHERT B, RIDENOUR P, WALKER W, GU M, ZHOU C Q. Effects of nitrogen and oxygen concentration on NOx emissions in an aluminum furnace [C]// Proceedings of International Mechanical Engineering Congress and Exposition. USA: ASME, 2006: 323?333.

[9]向寓華, 周孑民, 劉 宏, 王計敏. 鋁合金保溫過程熔體溫度場的數(shù)值模擬[J]. 輕金屬, 2010(5): 56?59. XIANG Yu-hua, ZHOU Jie-min, LIU Hong, WANG Ji-min. Study on numerical simulation of aluminium alloy melt temperature field in heat preserving process [J]. Light Metals, 2010(5): 56?59.

[10]ZHOU Nai-jun, ZHOU Shan-hong, ZHANG Jia-qi, PAN Qing-lin. Numerical simulation of aluminum holding furnace with fluid-solid coupled heat transfer[J]. Journal of Central South University: Science and Technology, 2010, 17(1): 1389?1394.

[11]周 萍, 周乃君, 蔣愛華, 陳紅榮. 傳遞過程原理及其數(shù)值仿真[M]. 長沙: 中南大學出版社, 2006: 300?301. ZHOU Ping, ZHOU Nai-jun, JIANG Ai-hua, CHEN Hong-rong. Principle and numerical simulation of transport processes [M]. Changsha: Central South University Press, 2006: 300?301.

[12]李建平, 王伯長, 劉 濤, 毛大恒. 側噴加熱鋁材退火爐內流場與溫度場數(shù)值模擬[J]. 中南大學學報: 自然科學版, 2010, 41(1): 166?171. LI Jian-ping, WANG Bo-chang, LIU Tao, MAO Da-heng. Numerical simulation of flow and temperature field in side-blown aluminum annealing furnace [J]. Journal of Central South University: Science and Technology, 2010, 41(1): 166?171.

[13]郭 臣, 龍思遠, 徐紹勇, 游國強. 燃氣鎂合金熔化爐內氣相燃燒過程的三維數(shù)值模擬[J]. 工業(yè)加熱, 2008, 37(1): 10?14. GUO Chen, LONG Si-yuan, XU Shao-yong, YOU Guo-qiang. Three-dimensional numerical simulation of gaseous combustion process in melting furnace for magnesium alloy of gas [J]. Industrial Heating, 2008, 37(1): 10?14.

[14]周 萍, 劉 萍, 李 剛, 閆紅杰. 再生銅反射爐內熱工過程數(shù)值仿真及優(yōu)化[J]. 熱科學與技術, 2010, 9(3): 238?243. ZHOU Ping, LIU Ping, LI Gang, YAN Hong-jie. Numerical simulation and optimization for thermal process in reclaimed copper reverberatory furnace [J]. Journal of Thermal Science and Technology, 2010, 9(3): 238?243.

[15]譚易君. 圓形蓄熱式熔鋁爐內多場耦合數(shù)值模擬及優(yōu)化[D].長沙: 中南大學, 2011. TAN Yi-jun. Numerical simulation and optimization on coupled multi-field of the regenerative cylindrical aluminum melting furnace [D]. Changsha: Central South University, 2011.

[16]成 岳, 夏光華. 科學研究與工程試驗設計方法[M]. 武漢:武漢理工大學出版社, 2005: 24?27. CHENG Yue, XIA Guang-hua. Scientific research and engineering experiment design [M]. Wuhan: Wuhan University of Technology Press, 2005: 24?27.

[17]唐 劍, 王德滿, 劉靜安, 趙世慶, 鐘 利. 鋁合金熔煉與鑄造技術[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2009: 34?39. TANG Jian, WANG De-man, LIU Jing-an, ZHAO Shi-qing, ZHONG Li. Aluminum smelting and casting technology [M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2009: 34?39.

(編輯 何學鋒)

Transient multi-field coupled simulation and parameters optimization of cylindrical regenerative aluminum melting furnace

ZHOU Ping, CHEN Zhuo, WANG Xiao-song, TAN Yi-jun, YAN Hong-jie
(School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

A numerical model of a cylindrical regenerative aluminum melting furnace was developed according to its operation characteristics. By including the standardk—εmodel, the species transport model and the P-1 radiation model to describe the turbulent combustion process in the furnace, and applying the equivalent specific heat method to describe the aluminum melting process, a transient and multi-fields coupled simulation was carried out to investigate the thermal alternation processes in the inlet and outlet areas of the furnace. The simulation results of the standard operation case show that, compared with the traditional operation with one burner, a more uniform temperature distribution can be achieved in the switch operation of two burners. In particular, the temperature rises quickly in the first three hours, followed by a slower rising due to heat absorbed by the melting alumina in the furnace. More simulations were carried out based on the orthogonal design to optimize the main five parameters that have significant influences on the process. The results indicate that an optimal operation condition can be achieved with the burner height of 657 mm, the vertical burner angle of 25°, the horizontal angle between two burners of 90°, the excess air coefficient of 1.1 and the air preheating temperature of 800 ℃. Compared with the result of the standard operation case, one hour can be reduced in the melting time of the alumina in the optimal condition, which is equivalent to 20% reduction in the energy consumption.

aluminum melting furnace; orthogonal experiment; numerical simulation; optimization

TK175

A

國家高技術研究發(fā)展計劃資助項目(2010AA065201)

2011-09-20；

2012-02-20

陳 卓，副教授，博士；電話：13974891750；E-mail: chenzhuo@csu.edu.cn

1004-0609(2012)09-2699-06