蓄熱式鋁熔煉爐熔煉過程多場(chǎng)耦合的數(shù)值模擬及優(yōu)化研究.pdf

1、鋁熔煉爐是鋁及鋁合金熔鑄廠的關(guān)鍵設(shè)備，其熔煉過程是鋁加工過程中能耗較大的工序。近年來，隨著我國(guó)鋁加工材量的不斷增加和優(yōu)質(zhì)鋁合金鑄件的需求，對(duì)鋁熔煉爐熱效率、污染物排放和產(chǎn)品質(zhì)量提出了更高的要求。因此，本文通過數(shù)值模擬的方法，全面深入的研究鋁熔煉爐熔煉過程，對(duì)促進(jìn)鋁熔煉爐的節(jié)能研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的理論與實(shí)踐意義。
　　 針對(duì)現(xiàn)有的蓄熱式鋁熔煉爐，結(jié)合其熔煉過程的運(yùn)行特點(diǎn)，考慮燃料燃燒，燃燒空間和鋁料間換熱，鋁料的升溫熔化，氧化

2、層的生長(zhǎng)，蓄熱式燃燒器的交替工作，熱負(fù)荷的變化以及爐壁的熱損失，在建立蓄熱式鋁熔煉爐熔煉過程基本模型的基礎(chǔ)上，通過耦合用戶自定義熔化模型、氧化燒損模型和燃燒器換向及燃燒量變化模型，運(yùn)用FLUENT UDF和FLUENT Scheme混合編程，實(shí)現(xiàn)了蓄熱式鋁熔煉爐熔煉過程多場(chǎng)耦合的數(shù)值模擬。并以熱平衡計(jì)算原理和UML(UnifiedModeling Language)建模為基礎(chǔ)，編寫了蓄熱式鋁熔煉爐熱平衡計(jì)算軟件。結(jié)合某廠生產(chǎn)情況進(jìn)行模擬

3、計(jì)算，對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)，提出了提高鋁熔煉爐熱效率的有效措施。分析結(jié)果表明:
　　 (1)數(shù)值模擬結(jié)果和測(cè)試值的相對(duì)誤差在5％左右，且它們的變化規(guī)律一致，分布類似，驗(yàn)證了蓄熱式鋁熔煉爐熔煉過程數(shù)學(xué)模型的可靠性和準(zhǔn)確性，該模型能夠較好反映鋁熔煉爐的熔煉現(xiàn)象，可運(yùn)用此模型進(jìn)行鋁熔煉爐熔煉過程工藝參數(shù)的優(yōu)化研究。
　　 (2)鋁料溫度在固液區(qū)上升緩慢，而離開固液相線時(shí)鋁料溫度上升速度加快;爐膛溫度隨著熔煉時(shí)間先呈周期

4、性增加，后又周期性階梯降低，最后又開始周期性增加;氧化量隨著熔煉時(shí)間呈拋物線增加;隨著氧化層孔隙率的增加，鋁料溫度增加緩慢。
　　 (3)鋁料溫度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差隨著熔煉時(shí)間先增加，后減小，再增加;爐膛溫度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差隨著熔煉時(shí)間先呈周期性減小，后周期性階梯增加，又周期性減小;鋁液面熱流密度隨著熔煉時(shí)間先增加，后減小。
　　 (4)熔化前期煙道溫度隨著液相率增加而減小，而熔化后期又開始增加;爐膛出口氧氣濃度在熔化前期則隨著液相率

5、增加而增加，而在熔化后期恒定不變。
　　 結(jié)合要因分析圖，依據(jù)某廠蓄熱式鋁熔煉爐的實(shí)際使用情況，確定燃燒器傾角(A/θ)、燃燒器高度(B/H)、輔助煙道(C)、旋流數(shù)(D/S)、燃燒器間水平夾角(E/α)、空氣預(yù)熱溫度(F/T)、天然氣流量(G/M)、空氣消耗系數(shù)(H/n)為影響因子，研究其對(duì)蓄熱式鋁熔煉爐熔煉性能的影響。以其規(guī)律性分析為根據(jù)，選取鋁料溫度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差(Y1)、熔煉時(shí)間(Y2)和爐膛溫度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差(Y3)為優(yōu)化指標(biāo)

6、，建立了優(yōu)化指標(biāo)間的模糊比較判斷矩陣，并以此構(gòu)造線性規(guī)劃模型，運(yùn)用MATLAB編程求解權(quán)重向量，最后采用基于田口方法對(duì)蓄熱式鋁熔煉爐工藝參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化研究，找出最優(yōu)的組合參數(shù)。最終獲得如下結(jié)果:
　　 (1)根據(jù)模擬結(jié)果的非線性回歸得到鋁料溫度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差(Y1)、熔煉時(shí)間(Y2)和爐膛溫度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差(Y3)的表達(dá)式:Y1=24.592θ0.296 H-2.199 S-0.42α-0.8T0.341M0.743(n+195.6

7、76)2.024Y2=88.045θ-0.893H0.284S-1.987α0.971(α+0.63n+32.083)0.668T-0.346M-1.286n0.325Y3=8.94θ-0.29(θ-0.113H+0.207T+174.003)3.401H3.471S-0.007α0.639T-2.676M0.184n-0.151
　　 (2)統(tǒng)計(jì)分析得到最優(yōu)的鋁熔煉爐工藝參數(shù)組合為A2B1C1D2E1F3G3H1。通過信噪比和

8、均值的綜合分析，得到重要因子D、E、F、G，穩(wěn)健因子A，調(diào)節(jié)因子H，次要因子B、C。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證模擬是成功的，試驗(yàn)設(shè)計(jì)所得的結(jié)果準(zhǔn)確，具有再現(xiàn)性。采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)所得最佳化參數(shù)提升了產(chǎn)品質(zhì)量和熔煉過程的穩(wěn)健性。
　　 (3)通過數(shù)值分析，獲得了工藝參數(shù)對(duì)蓄熱式鋁熔煉爐熔煉性能的影響規(guī)律。
　　 為了減少爐襯的熱損失和節(jié)約投資成本，針對(duì)鋁熔鑄行業(yè)廣泛使用的反射式鋁熔煉爐，以三層平壁爐襯結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，計(jì)算分析了隔熱方式對(duì)爐襯傳熱