步進(jìn)式加熱爐板坯溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

小水

通過建模, 求解計(jì)算得出鋼坯的溫度分布已成為加熱爐工藝改
進(jìn)優(yōu)化的主要手段。陳海耿針對(duì)推鋼式加熱爐建立了一維數(shù)學(xué)模型, 用有限差分法求解鋼坯溫度場(chǎng)[ 2] ;
沈丙振對(duì)鋼坯加熱過程的三維溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬, 并通過現(xiàn)場(chǎng)拖偶實(shí)驗(yàn)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證[ 3] ;
青格勒等建立了三段步進(jìn)梁式加熱爐內(nèi)加熱的板坯物理模型和數(shù)學(xué)模型, 并編制了計(jì)算軟件[ 4] 。
本文以某鋼廠步進(jìn)式加熱爐為研究對(duì)象, 建立了板坯加熱過程二維數(shù)學(xué)模型, 分段計(jì)算, 將上一段
加熱終了溫度作為下一加熱過程的初始溫度, 根據(jù)加熱工藝計(jì)算不同加熱段邊界條件, 用數(shù)值方法對(duì)傳
熱方程進(jìn)行離散, 編程求解加熱爐內(nèi)鋼坯在不同加熱段的溫度場(chǎng), 分析加熱過程中的鋼坯表面與中心的
溫差, 以了解加熱過程, 為加熱工藝優(yōu)化提供參考數(shù)據(jù)。
1  研究對(duì)象
1 1  加熱爐概況
某軋鋼廠步進(jìn)梁式板坯加熱爐, 年產(chǎn)量200 萬(wàn)噸, 設(shè)計(jì)小時(shí)能力260 t/ h。燃料為高爐、焦?fàn)t、轉(zhuǎn)爐
混合煤氣, 發(fā)熱量為1 800  4 18 kJ/ ( N 淜3 ) , 爐前煤氣壓力10 kPa, 加熱爐預(yù)熱段長(zhǎng)度8 81 m, 加熱
段長(zhǎng)度8 81 m, 均熱段長(zhǎng)度7 75 m, 爐子寬度17 43 m, 爐子內(nèi)寬度16 50 m, 爐子有效長(zhǎng)度23 61 m,
爐子全長(zhǎng)24 66 m。
1 2  加熱鋼種及要求
表1  常見鋼種的板坯加熱制度,
Tab. 1  Reheat ing system o f common st eel,
板坯出
爐溫度
均熱段溫度
上下
加熱段溫度
上下
預(yù)熱段溫度
上下
1 150 1 250 1 230 1 280 1 250 1 000 1 000
1 250 1 340 1 320 1 350 1 320 1 150 1 150
加熱板坯規(guī)格為0 135 m  1 123 m  15 m,
鋼種為低碳鋼( w ( C)  0 25% ) , 加熱制度見表
1。加熱溫度: 裝爐溫度930  , 出爐溫度1 150~
1 250   30  ; 溫度均勻性: 出爐鋼坯全長(zhǎng)上溫
差、斷面上溫差 30  。
收稿日期: 20101120。
作者簡(jiǎn)介: 馮亮花( 1974- ) , 女, 山西忻州人, 講師。
2  數(shù)學(xué)模型
  加熱爐內(nèi)板坯尺寸15 m  1 123 m  0 135 m。將鋼坯沿加熱爐縱向取截面, 即只考慮鋼坯溫度
隨寬度和厚度方向的變化。由于板坯導(dǎo)熱的對(duì)稱性, 取1/ 4 斷面為研究對(duì)象。鋼坯入爐溫度為930  ,
在爐內(nèi)經(jīng)預(yù)熱段、加熱段和均熱段, 加熱至預(yù)定溫度從出口出鋼, 爐內(nèi)停留時(shí)間為60 min 。
2 1  基本假設(shè)
板坯在爐內(nèi)加熱過程是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程, 與許多影響板坯加熱質(zhì)量和加熱速度的因素有
關(guān)。主要有: 爐膛尺寸、爐墻的熱特性、板坯尺寸、板坯的熱物性參數(shù)、燃料的種類及供熱量、爐氣的熱特
性、爐氣的運(yùn)動(dòng)、板坯的運(yùn)動(dòng)等。本文對(duì)加熱爐內(nèi)板坯溫度場(chǎng)建模時(shí), 假設(shè): ( 1) 鋼坯沒有內(nèi)熱源; ( 2)
同一時(shí)刻鋼坯各節(jié)點(diǎn)的熱物性參數(shù)相同; ( 3) 不考慮鋼坯傳熱的端部效應(yīng); ( 4) 所研究截面?zhèn)鳠崾菍?duì)稱
的; ( 5) 鋼坯與輥道的接觸傳熱不計(jì); ( 6) 忽略鋼坯表面氧化對(duì)傳熱的影響; ( 7) 爐墻熱特性和爐氣黑度
不隨時(shí)間和溫度變化; ( 8) 不考慮步進(jìn)梁與板坯之間的傳熱, 認(rèn)為板坯周圍全是爐氣; ( 9) 板坯與爐氣
的對(duì)流、輻射傳熱視為與無(wú)限大環(huán)境的傳熱。
2 2  控制方程
本文研究的是鋼坯二維斷面上的溫度分布, 根據(jù)單元體的能量平衡原理, 基于以上假設(shè)建立的控
制微分方程為[ 5] : 設(shè)厚為dx , 寬為dy , 按照傳熱學(xué)理論來(lái)建立微分方程為

式中: 為鋼坯的導(dǎo)熱系數(shù), 碳鋼處于爐溫條件下的平均導(dǎo)熱系數(shù)= 28 5 W/ ( m   ) ; CP 為鋼坯的
比熱, CP= 465 J / ( kg  K) ; T 為鋼坯的溫度,  ; 為鋼坯的密度, = 7 84  103 kg/ m3 ; x 和y 為鋼坯
寬度和厚度方向的坐標(biāo)。
2 3  初始條件
對(duì)板坯加熱, 入爐溫度可視為初始溫度。即板坯斷面初始溫度, 預(yù)熱段出口溫度為加熱段初始溫
度, 加熱段出口溫度為均熱段初始溫度。預(yù)熱段: T ( x , y ) | t= 0 = 930  ; 加熱段: T ( x , y ) | t= 0 = T( 預(yù)熱
段加熱終了溫度) ; 均熱段: T( x , y ) | t= 0= T ( 加熱段加熱終了溫度) 。
2 4  邊界條件
( 1) 板坯中心對(duì)稱面

=  ( T g - T sy )
式中:  為爐氣與板坯的綜合換熱系數(shù); T g 為爐氣溫度; T sy 為板坯上下表面溫度; T sx 為板坯側(cè)面表面
溫度。
2. 5  不同加熱段綜合換熱系數(shù)計(jì)算
在加熱過程中, 板坯外表面與爐氣接觸, 通過對(duì)流和輻射進(jìn)行熱交換。鋼坯的上表面、下表面受到
爐氣對(duì)它的對(duì)流和輻射傳熱。加熱爐中溫度一般高達(dá)1 000  以上, 輻射傳熱量占總傳熱量的90% 以
上, 熱流密度計(jì)算式