加热炉温度与耐热钢梁位移分析

1.分析模型

建立模型如图1.1所示，主要包括加热炉内空气流域、坯料、固定钢梁与活动钢梁、烟道，其中火焰喷嘴同时喷入可燃气体与空气混合气体并燃烧加热坯料，废气通过烟道排出加热炉外。

分析的重点是要得到钢梁的位移（变形数据），在炉内，耐热钢梁受到的载荷是：a.钢梁本身的自重与坯料的正压载荷，b.炉膛气氛的温度载荷，其中温度载荷对位移影响较大，为了得到钢梁周围气体的温度分布，需要先对加热炉内进行流体—温度场分析。

2.流场分析工况

18个喷嘴进气，烟道排气，进气流量为239m³/h，计算得到每个入口气体流速为7.15m/s，进气温度1200℃，出口设定为压力出口，出口压力0Pa；炉内壁认为绝热，只有炉内空气与柱状坯料表面换热。

3.流场分析结果

3.1流场收敛情况

流场收敛曲线如图3.1所示，迭代5000步可见除了连续性方程较高处之外其他曲线都在1e-3以下，查看迭代过程中出口体积流量趋势变化如图3.2所示，由图可知，迭代过程中出口体积流量稳定，故可判定为流场收敛

3.2流场后处理截面位置

选取不同流域截面得到流场不同截面位置的流速、温度数据，如图3.3，选择9个截面为后处理截面，这9个截面都经过喷嘴位置，截面坐标分别为Z=600、Z=1600、Z=2600和X=600、X=1800、X=3000 、X=4648 、X=5848、X=7048共9个截面。

3.3流场分析结果

3.3.1 Z=600、Z=1600、Z=2600截面速度云图

Z向截面的速度云图如图3.4、3.6、3.8所示，其中图3.5、3.7、3.9为速度云图局部显示云图（显示0~1m/s云图）。

图3.9 Z=2600截面局部（0~1m/s）速度云图

由Z向速度云图可知，由于内部流场的影响，加热炉顶部平焰喷嘴喷出的热烟气并不是均匀分布于整个炉膛，而是受到气流作用有一定的偏斜，气体经过柱状坯料的扰流作用速度降低；进口流速为7.15 m/s，加热炉内部的流场流速在喷嘴扩口处迅速降低，查看局部速度云图可知加热炉底部区域流速较低，在0.7 m/s ~0.9 m/s左右，在烟道出口处由于出口变小流速加快。

3.3.2 Z=600、Z=1600、Z=2600截面温度云图

Z向截面的温度云图如图3.10、3.11和3.12所示。

由Z向加热炉温度云图可知，喷嘴附近的温度较高，经过与柱状坯料换热后温度降低；沿X方向，加热炉均热段、加热段温度较高，在1000℃~1100℃左右，在加热炉的预热段的炉内温度较低，大约在800~900℃左右，柱状坯料表面温度*低800℃左右；由图可知炉内在Y向呈现热-冷-热的温度分布趋势，这是由于柱状坯料在中间部位进行热交换吸收热量。

3.3.3 X方向截面速度与温度云图

X向截面的速度云图如图3.13~3.18所示。

图3.18 X=7048截面速度与温度云图

如图所示可以看到不同截面的速度以及温度分布情况，受炉内气体流动影响喷口喷出的气体在炉内并不是均匀分布，而是在坯料和大梁的空隙内偏斜串流，相应的温度分布如图3.13~3.18所示。

4．耐热钢梁位移（变形量）分析

    加热炉在实际使用时，会根据具体工况的需要调整每个分段喷嘴的流量，从而调整炉内适合的温度，如图4.1，根据上一节的温度场分析，我们调整每个分段烧嘴的流量，进而调节为均热段温度场的平均炉温大约在1100℃；加热段温度场的平均炉温大约1000℃；预热段温度场的平均炉温约800℃，根据该工况分布对钢梁分析在温度与重力载荷共同作用下钢梁的位移分布，如图4.2所示建立稳态热-结构耦合分析模块。

4.1钢梁温度云图

    选取受力*不利的活动梁托举坯料时的工况进行分析，我们取三组固定活动梁其中的一组进，并将不受坯料重力影响的固定梁和活动梁放在一起分析，考虑固定梁对活动梁的温度影响。

对钢梁结构施加相应温度段的温度场载荷得到钢梁的温度分布云图如图4.3所示。为了便于区分，分别位于均热段、加热段、预热段的耐热钢梁分别采用红、黄、绿三种基色区分显示，并以颜色的深浅以区分钢梁的温度分布。

由图可知钢梁上下温度较高，中间部位由于散热较好温度相应较低，**温度1112.5℃，*低温度618.7℃，钢梁温度区域分为三段温度分布，符合炉内温度分布。

4.2 钢梁位移分析结果

结构分析施加结构载荷与约束如下：

（1）施加重力加速度，方向-Y向；

（2）对每个有支撑的钢梁一端的销孔进行圆柱约束，对钢梁滑动端方向位移约束，仅让其左右滑动，如图4.4所示，各组钢梁约束类似；

（3）对钢梁相应位置施加坯料的重力载荷，共26组。

（4）钢梁材质属性数据（如：容重、导热系数、比热容、线性膨胀率等）输入。

结构分析施加载荷与边界如图4.5所示。

图4.5结构分析施加载荷与边界

钢梁的总位移、方向位移云图分别如图4.6~4.9所示。

如图4.6所示，钢梁的**综合位移（变形量）为55.78mm，发生位置在均热段端部，主要体现在X方向（钢梁纵向长度方向）。

如图4.7所示，钢梁X方向（钢梁纵向长度方向）位移（变形量）**为55.68mm，**位移发生在均热段*后一片大梁的端部，为-X方向位移，原因是耐热钢梁的受热膨胀。

如图4.8所示，钢梁Y方向（钢梁高度方向）位移（变形量）**为7.39mm，**位移发生在预热段和均热段的端头，主要原因是此两处的钢梁受热不均和受力双重因素导致。

如图4.9所示，钢梁Z方向（钢梁水平横向方向）位移（变形量）**为0.54mm，**位移发生在均热段，原因是钢梁受热不均导致。

5.结论及建议

通过上述温度场和耐热钢梁的受热受力分析，我们做出以下结论：

5.1 加热炉的温度场较为均匀，如第5000步迭代时均热段炉膛的纵向和横向温差平均为46℃，原因是加热炉采用平焰烧嘴，对炉膛气氛有较强的搅拌作用。

5.2耐热钢梁纵向长度方向的变形量**为55.68mm，**位移发生在均热段*后一片大梁的端部，是耐热钢梁的受热膨胀。建议均热段*后一片耐热钢梁端头距离炉墙大于60mm，以预留钢梁热膨胀空间。其他钢梁的膨胀位移平均在30mm左右，建议其他钢梁之间的间距设置为50mm以上，长孔螺栓的孔距预留50mm以上。

5.3耐热钢梁高度方向的变形量**为7.39mm，位于预热段和均热段的端头，建议装出料机的托杆在装出料时要高于大梁**点至少10mm。

5.4 耐热钢梁水平横向方向的变形量较小，主要受益于炉膛温度较好的均匀性，按照目前两片大梁的间距约40mm的设计，耐热钢梁的水平方向变形不影响固定梁和活动梁的协作运动。