一种蓄热式熔铝炉熔池温度的计算方法与流程

[0001]
本发明属于金属冶金领域，涉及一种蓄热式熔铝炉熔池温度的计算方法。


背景技术：

[0002]
中南大学周萍教授团队和北京科技大学冯妍卉教授团队对于蓄热式熔铝炉进行了非稳态多场耦合数值模拟研究，其研究有助于促进熔炼过程的深入理解，对蓄热式熔铝炉的性能提升做出了突出贡献。由于蓄热式熔铝炉炉内流场复杂涉及多种物理场的耦合，且非稳态计算周期较长，对计算机内存资源消耗较大，因此限制了这方面的研究。广东特种设备研究院宋长志等人对蓄热式熔铝炉进行了稳态数值模拟研究，苏州有色金属研究院有限公司李浩，对圆形蓄热式熔铝炉内的流场进行了数值模拟研究。为节省计算资源他们的研究都是基于稳态求解器。对于熔铝炉炉内铝料的融化时间的评估，可使用非稳态多场耦合的计算方法进行精确计算，但计算资源消耗较大，不便于工程应用。


技术实现要素：

[0003]
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种消耗较少的计算资源，且满足工程需求的熔铝炉铝液温度的计算方法。
[0004]
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0005]
一种蓄热式熔铝炉熔池温度的计算方法，包括以下步骤：
[0006]
s1：将熔铝炉炉内结构分为燃烧室和熔池两部分分别求解，其中燃烧室部分采用稳态燃烧求解出熔池与燃烧室交界面处的热流密度与交界面温度的函数，并建立熔池的数学模型；
[0007]
s2：将所述熔池与燃烧室交界面处的热流密度与交界面温度的函数作为边界条件带入所述熔池的数学模型；
[0008]
s3：设置熔池铝料的初始温度；
[0009]
s4：对熔池的数学模型进行求解，得出熔池铝液温度随加热时间变化的函数；
[0010]
s5：根据实测值对函数进行修正。
[0011]
进一步，步骤s1中，所述熔池的数学模型包括：
[0012]
1)非稳态导热微分方程
[0013][0014]
式中ρ密度，c为定压比热容，λ为热导率，t为温度，x、y、z为空间坐标；
[0015]
2)通过等效比热法处理熔池铝液融化潜热，将相变潜热分配到两相区的比热中，在两相区采用等效比热，实现将两相区内具有内热源的导热过程等效为无内热源的导热过程，其它相区采用物质的真实比热；各物性参数的修正如下：
[0016]
比热容：
[0017][0018]
导热系数：
[0019][0020]
密度：
[0021][0022]
其中，t
s
和t
l
分别为物质固相和液相线温度，c
s
和c
l
分别为物质处于固态和液态时的比热容，l为物质融化潜热，λ
s
和λ
l
分别为物质处于固态和液态时的导热系数，ρ
s
和ρ
l
分别为物质处于固态和液态时的密度。
[0023]
进一步，步骤s1中，所述采用稳态燃烧求解出熔池与燃烧室交界面处的热流密度与交界面温度的函数，包括以下步骤：
[0024]
s11：输入燃烧器边界条件和熔池交界面温度；
[0025]
s12：设置初始条件：熔池温度和燃烧室温度；
[0026]
s13：通过稳态求解器求解计算，得出各燃烧周期不同熔池表面温度下的热流密度；
[0027]
s14：对热流密度进行线性拟合，得出不同燃烧周期内的热流密度随熔池表面温度变化的函数。
[0028]
进一步，步骤s2中所述边界条件为
[0029][0030]
其中h0＝h(t)为燃烧室与熔池交界面处热流，h
l
为熔池壁面热流，l为熔池深度，所述边界条件为neumann条件；对于y＝0处，即熔池表面施加neumann条件，在y＝l的熔池壁面处为drichlet条件、neumann条件、robbin条件/混合边界条件中的任何一类。
[0031]
进一步，步骤s3中，所述初始温度表达式为：
[0032]
τ＝0 t＝t0ꢀꢀ
(12)
[0033]
其中，t0为铝材初始温度。
[0034]
进一步，所述熔铝炉包括炉壁和炉门，炉内设有燃烧室，所述燃烧室连接有多个烧嘴，还包括熔池，所述熔池与燃烧室之间设有交界面边界。
[0035]
进一步，所述烧嘴由内到外包括燃气入口边界、一次风入口边界、二次风入口边界。
[0036]
进一步，包括四个烧嘴，烧嘴的燃烧方式为两烧两排，换向周期为60秒；当1号和3号烧嘴用于燃烧加热时，2号和4号烧嘴用于排烟，60秒后交换烧嘴工作方式，1号和3号用于排烟，2号4号用于燃烧加热，60秒后再进行交换。
[0037]
本发明的有益效果在于：本发明可使铝液温度的计算和评估过程变得更加简便高效，减少了在计算机资源和性能方面的投入，且对工程实践具有一定的指导意义。
[0038]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0039]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0040]
图1为熔炼炉结构示意图；
[0041]
图2为熔炼炉内部结构与边界名称；
[0042]
图3为烧嘴结构与边界名称；
[0043]
图4为熔池铝液融化的求解流程图；
[0044]
图5为燃烧室内熔池交界面热流密度的求解流程图；
[0045]
图6为熔池铝液温度的计算结果图。
[0046]
附图标记：1-炉内腔体，2-炉门，3-1号烧嘴，4-2号烧嘴，5-3号烧嘴，6-4号烧嘴，7-燃烧室，8-熔池，9-燃烧室炉墙边界，10-燃烧室与熔池交界面边界，11-熔池壁面边界，12-燃气入口边界，13-一次风入口边界，14-二次风入口边界。
具体实施方式
[0047]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0048]
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0049]
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或
暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0050]
如图1～3所示，熔铝炉的结构主要包含炉内腔体1和炉门2，炉内腔体1内包含燃烧室7、熔池8、和烧嘴四部分。其中在熔炼过程烧嘴的燃烧方式为两烧两排，换向周期一般为60s；如当1号烧嘴3和3号烧嘴5用于燃烧加热时，2号烧嘴4和4号烧嘴6用于排烟，经过60s交换烧嘴工作方式，1号烧嘴3和3号烧嘴5用于排烟，2号烧嘴4和4号烧嘴6用于燃烧加热。注：本条目中熔炼过程烧嘴的燃烧和排烟方式仅为举例说明，不同工艺的熔炼炉有不同的燃烧方式。燃烧室7和炉壁之间有燃烧室炉墙边界9，燃烧室7和熔池8之间有燃烧室与熔池交界面边界10，熔池8与炉壁之间有熔池壁面边界11。烧嘴中包括燃气入口边界12，一次风入口边界13，二次风入口边界14。
[0051]
蓄热式熔铝炉熔池温度的计算方法的核心思想为，如图2所示将熔炼炉炉内结构分为燃烧室(combustion)和熔池(bath)两部分分别求解，其中燃烧室部分采用稳态燃烧求解出熔池与燃烧室交界面(interface)处的热流密度与交界面温度的函数表达式。然后将此表达式作为边界条件带人本发明建立的数学模型—式(1-4)中进行求解，得出熔池铝液温度随加热时间变化的函数表达式，并根据实测值对其进行修正。
[0052]
(1)非稳态导热微分方程
[0053][0054]
式中ρ密度，kg/m3；c为定压比热容，j/(kg
·
k)；λ为热导率，w/(m
·
k)；t为温度，k；x、y、z为空间坐标。
[0055]
(2)熔池铝液融化潜热的处理方法为等效比热法
[0056]
等效比热法也称为修正比热法，其原理为通过修正比热的方法，实现将两相区内具有内热源的导热过程等效为无内热源的导热过程，以实现简化计算。具体实施方式为将相变潜热分配到两相区的比热中，在两相区采用等效比热，其它相区采用物质的真实比热。其他热物性参数也进行相应修正。各物性参数的修正方法如下：
[0057]
比热容：
[0058][0059]
导热系数：
[0060][0061]
密度：
[0062][0063]
以上各式中，t
s
和t
l
分别为物质固相和液相线温度，c
s
和c
l
分别为物质处于固态和液态时的比热容，l为物质融化潜热，λ
s
和λ
l
分别为物质处于固态和液态时的导热系数，ρ
s
和ρ
l
分别为物质处于固态和液态时的密度。
[0064]
如图4熔池温度的计算方法具体为：
①
输入熔池的热流密度和壁面边界条件，热流密度和壁面边界如图2所示，边界条件说明见式(5)，其中燃烧室与熔池交界面处热流h0通过图5所示流程求解；
②
设置熔池铝料的初始温度，初始条件如式(6)所示；
③
求解非稳态热传导方程，导热微分方程形式见式(1)；
④
得出熔池温度随时间变化的函数，如图6所示；
⑤
根据实测值对函数进行修正，因为本发明采用方法在求解interface交界面热流密度式采用的是稳态近似法，而且实际装炉时铝料为不规则布置，在熔炼过程中在熔池表面会形成一层铝渣，这些影响因素并未考虑到本发明所建立的模型中，因此需要根据实测值对所得函数进行修正，使计算结果在工程允许的误差范围内。本条目的计算可使用cfd软件或数学软件编程求解。
[0065]
边界条件
[0066][0067]
其中h0＝h(t)为燃烧室与熔池交界面处热流，h
l
为熔池壁面热流，l为熔池深度。本模型给出的为neumann边界条件。注：对于y＝0处，即熔池表面施加neumann边界条件，在y＝l的熔池壁面处可以为三类边界条件中的任何一类。
[0068]
初始条件
[0069]
τ＝0 t＝t0ꢀꢀ
(18)
[0070]
其中，t0为铝材初始温度。
[0071]
方程的求解可使用cfd软件如openfoam等，或使用数学软件编程求解如mathematica等，并可根据需求选择模型的维数。
[0072]
如图5为燃烧室与熔池交界面处热流密度随熔池表面温度变化函数关系的求解步骤，施加边界条件如图1-3所示，边界条件具体数值根据实际工作条件而定。图5所示求解步骤与常规数值模拟的求解步骤一致，此处不在一一赘述。本条目的计算可使用任意一款cfd软件进行求解。
[0073]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。