火焰清理机烧嘴结构优化设计
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摘要：针对火焰清理机使用效果不佳的问题，本文利用有限元仿真技术分析了烧嘴射流分布规律，找到了烧嘴火焰最高流速区域与铸坯高度不匹配的主要问题，并提出了两种优化改进方案，最后基于流场分析技术，研制了新型鸭嘴式烧嘴。新烧嘴上机使用后，铸坯清理时间和改判量大幅降低，成效显著。
关键词：火焰清理机;板坯连铸;烧嘴;结构设计;仿真分析
随着制造业的不断发展，市场对钢板表面质量要求越来越高，特别是汽车用钢对钢板表面质量的要求近乎苛刻。钢坯表面质量的好坏是最终产品质量优劣的一个很重要的影响因素，如果板坯表面有小的瑕疵，轧制成材后将扩大成几米的缺陷。为获得高表面质量产品，减少产品质量缺陷，需要对板坯进行清理，去除板坯表面可见缺陷。相比其他表面清理工艺，自动火焰清理具有降低生产成本、改善工作环境、节省时间、提高产能等优势，目前火焰清理技术已在宝钢、首钢、本钢、舞钢等钢铁企业广泛应用。
由于国内正在使用的火焰清理技术大都是从国外引进的，部分核心技术尚未掌握，导致火焰清理工艺仍存在一些问题，例如在火焰清理后的连板坯表面上会出现清理不完全、结瘤等问题，影响了后续产品质量。烧嘴作为火焰清理机的核心部件，直接与被清理产品的表面质量密切相关，所以要想提高火焰清理质量，就必须从烧嘴流场分析入手。
一、火焰清理机主要技术参数和结构简介
（一）主要技术参数
2014年，武钢有限公司从美国L–TEC公司引进了一台CM–90–8–1型板坯火焰清理机，其板坯清理厚度范围为210mm～250mm，板坯清理宽度范围为700mm～2150mm，板坯清理长度范围为为6000mm～11000mm，其可清理超低碳钢、低碳钢、包晶钢、中碳钢、低合金钢、高碳钢等。
（二）火焰清理机结构
火焰清理机主要由清理机本体小车、能源介质阀站、能源介质软管拖链等机械设备以及相应的电气自动化设备组成。
清理机本体小车安装在两条轨道上，本体主要包括上下浮动梁、烧嘴支撑架和烧嘴。清理小车在清理位和检修位之间移动，清理板坯时小车开至清理位，更换烧嘴等检修情况时开至检修位。
能源介质阀站用于控制保证火焰清理机正常工作使用的燃气：氧气、氮气、压缩空气和水，阀站的各介质管路上有球阀、安全阀、调节阀、压力变送器、压力开关、压力表等以及相应的电气控制箱以便调节介质各项参数。
能源介质软管拖链由各种能源介质软管及其支撑拖链本体组成，用于连接能源介质阀站和清理小车上的管线。
电气自动化设备主要包含传动和控制柜PLC操作台和监视设备等。
能源介质主要包括氧气、天然气、氮气和压缩空气，其中氧气工作压力允许范围为1.471MPa～1.961MPa，清理时压力允许波动±0.275MPa，最大流量为543.1Nm3/min;天然气工作压力允许范围为0.45MPa～0.55MPa，热值为8300kcal/Nm3，最大流量为93.0Nm3/min;氮气工作压力允许范围为0.4MPa～0.6Mpa，最大流量为33.0Nm3/min;压缩空气工作压力必须大于0.55Mpa，最大流量为32.1Nm3/min。
二、烧嘴射流技术研究
引进的板坯火焰清理机在使用过程中，在使用过程中存在火焰不集中，板坯预热速度慢，清理质量不佳等问题，为了找到原因，对烧嘴射流技术进行了研究。
（一）控制方程
在火焰清理机自动清理的过程中，燃料气体与氧气从烧嘴中喷出，这一过程是一个复杂湍流射流的问题。为了简化计算，在整个建模过程中忽略温度影响，假设整个射流过程为绝热过程且流体介质为不可压缩空气，且气体流动应遵守连续性方程和动量守恒方程。
（二）三维模型建立
由于板坯上下表面的喷嘴结构形式相同，为了计算方便，仅选取了板坯上方的一组烧嘴（23个）进行系统仿真（。根据现场烧嘴结构尺寸建立了三维仿真模型后，结合燃气工作参数，对边界条件进行了设定。其中氧气总流量为506Nm3/min，每一个喷嘴的氧气流量为22Nm3/min;天然气总流量为92Nm3/min，平均到每一个喷嘴孔大约为4Nm/min;烧嘴与板坯之间的喷射角度为35°;烧嘴出口距离板坯垂直距离为40mm。
（三）仿真结果分析
从烧嘴射流云图上可以看出，烧嘴内氧气最高流速为300m/s，位于烧嘴射流方向与烧嘴下方距离20mm水平面的交汇处，而且随着距离的变大，烧嘴流速逐渐降低。目前，essu烧嘴与板坯的垂直距离为40mm，由此可见该烧嘴火焰流速最大的位置不在板坯上，这严重影响了板坯清理效果;同时，从烧嘴流场分布图上发现，氧气射流方向一致性较差，且部分氧气射流呈回流状态，这就导致板坯在清理过程中表面熔融钢液部分回流，在板坯表面形成结瘤，这与实际情况较为一致。
由此可进，必须对烧嘴结构进行改进性，优化烧嘴与板坯距离，使烧嘴出口氧气最高流速与板坯相切，从而来提升板坯火焰清理效果。
三、烧嘴结构优化设计
为了提升板坯清理效果，提出了两种烧嘴改进方案。第一种是将烧嘴与板坯垂直距离下降20mm，使氧气烧嘴的最高流速位置与板坯相交;第二种是将烧嘴与板坯垂直距离下降40mm，使烧嘴出口直接与板坯接触。
（一）方案一仿真结果分析
从烧嘴射流云图上可以看出，烧嘴内氧气最高流速仍为300m/s，主要位于燒嘴氧气射流与板坯接触的部位;同时，氧气流场运动方向一致性较好，均沿着喷嘴方向向前，极少气流呈回旋状态，这说明该方案有利于火焰清理。
（二）方案二仿真结果分析
与方案一相比，该方案烧嘴内氧气最高流速也为300m/s，主集中在烧嘴氧气射流与板坯接触的部位，氧气流场运动方向一致性虽然比改进前有所提高，但仍然较差，部分氧气存在回流和逆向运动。 终上所述，两种改进方案均有利于提高氧气流场运动一致性，但方案二的改进效果较差，因此方案一的改进方案最优，更有利于板坯表面清理。
（三）烧嘴结构优化
为了达到将烧嘴与板坯垂直距离下降20mm的目的，通过理论计算，设计了新型鸭嘴式烧嘴，即将原来烧嘴的上部预热块从60mm增加到100mm，并采用整体铸造技术，将原来上预热块的组装式结构变成整体式结构，这样极大缩短了烧嘴更滑时间。
四、效果分析
新型鸭嘴式烧嘴上机应用之后，烧嘴火焰高度集中，板坯清理速度明显变快，单块板坯清理时间由原来平均60秒缩短为40秒。同时，镀锌汽车面板轧后夹杂发生率同比下降了34.3%，单线类缺陷条数平均值从3.77条降至1.86条，双线类缺陷则从0.29条降至0.23条，产品质量得到大幅度提升。
五、结论
（1）利用有限元仿真分析软件对火焰清理机烧嘴射流分布进行了深入研究，找到了烧嘴火焰最高流速区域与铸坯高度不匹配的主要问题。
（2）提出了两种不同的优化改进方案，并通过烧嘴射流分布规律研究，完成了新型鸭嘴式烧嘴结构设计。
（3）新型鸭嘴式烧嘴上机后，使单块板坯清理时间降低1/3，产品质量缺陷量降低34.3%，成效显著。
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