步進式加熱爐板坯溫度場數(shù)值模擬

小水

通過建模, 求解計算得出鋼坯的溫度分布已成為加熱爐工藝改
進優(yōu)化的主要手段。陳海耿針對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[ 2] ;
沈丙振對鋼坯加熱過程的三維溫度場進行了數(shù)值模擬, 并通過現(xiàn)場拖偶實驗對模擬結(jié)果進行了驗證[ 3] ;
青格勒等建立了三段步進梁式加熱爐內(nèi)加熱的板坯物理模型和數(shù)學(xué)模型, 并編制了計算軟件[ 4] 。
本文以某鋼廠步進式加熱爐為研究對象, 建立了板坯加熱過程二維數(shù)學(xué)模型, 分段計算, 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)加熱工藝計算不同加熱段邊界條件, 用數(shù)值方法對傳
熱方程進行離散, 編程求解加熱爐內(nèi)鋼坯在不同加熱段的溫度場, 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  研究對象
1 1  加熱爐概況
某軋鋼廠步進梁式板坯加熱爐, 年產(chǎn)量200 萬噸, 設(shè)計小時能力260 t/ h。燃料為高爐、焦爐、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)熱段長度8 81 m, 加熱
段長度8 81 m, 均熱段長度7 75 m, 爐子寬度17 43 m, 爐子內(nèi)寬度16 50 m, 爐子有效長度23 61 m,
爐子全長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: 出爐鋼坯全長上溫
差、斷面上溫差 30  。
收稿日期: 20101120。
作者簡介: 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)熱的對稱性, 取1/ 4 斷面為研究對象。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)停留時間為60 min 。
2 1  基本假設(shè)
板坯在爐內(nèi)加熱過程是一個復(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、爐氣的運動、板坯的運動等。本文對加熱爐內(nèi)板坯溫度場建模時, 假設(shè): ( 1) 鋼坯沒有內(nèi)熱源; ( 2)
同一時刻鋼坯各節(jié)點的熱物性參數(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ΨQ
的; ( 5) 鋼坯與輥道的接觸傳熱不計; ( 6) 忽略鋼坯表面氧化對傳熱的影響; ( 7) 爐墻熱特性和爐氣黑度
不隨時間和溫度變化; ( 8) 不考慮步進梁與板坯之間的傳熱, 認為板坯周圍全是爐氣; ( 9) 板坯與爐氣
的對流、輻射傳熱視為與無限大環(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。
2 3  初始條件
對板坯加熱, 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)計算
在加熱過程中, 板坯外表面與爐氣接觸, 通過對流和輻射進行熱交換。鋼坯的上表面、下表面受到
爐氣對它的對流和輻射傳熱。加熱爐中溫度一般高達1 000  以上, 輻射傳熱量占總傳熱量的90% 以
上, 熱流密度計算式