步進式加熱爐板坯溫度場數值模擬

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
進優化的主要手段。陳海耿針對推鋼式加熱爐建立了一維數學模型, 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值模擬, 并通過現場拖偶實驗對模擬結果進行了驗證[ 3] ;
青格勒等建立了三段步進梁式加熱爐內加熱的板坯物理模型和數學模型, 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學模型, 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, 根據加熱工藝計算不同加熱段邊界條件, 用數值方法對傳
熱方程進行離散, 編程求解加熱爐內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, 為加熱工藝優化提供參考數據。
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, 年產量200 萬噸, 設計小時能力260 t/ h。燃料為高爐、焦爐、轉爐
混合煤氣, 發熱量為1 800  4 18 kJ/ ( N 淜3 ) , 爐前煤氣壓力10 kPa, 加熱爐預熱段長度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  數學模型
  加熱爐內板坯尺寸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  ,
在爐內經預熱段、加熱段和均熱段, 加熱至預定溫度從出口出鋼, 爐內停留時間為60 min 。
2 1  基本假設
板坯在爐內加熱過程是一個復雜的物理化學過程, 與許多影響板坯加熱質量和加熱速度的因素有
關。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、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。本文對加熱爐內板坯溫度場建模時, 假設: ( 1) 鋼坯沒有內熱源; ( 2)
同一時刻鋼坯各節點的熱物性參數相同; ( 3) 不考慮鋼坯傳熱的端部效應; ( 4) 所研究截面傳熱是對稱
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, 根據單元體的能量平衡原理, 基于以上假設建立的控
制微分方程為[ 5] : 設厚為dx , 寬為dy , 按照傳熱學理論來建立微分方程為

式中: 為鋼坯的導熱系數, 碳鋼處于爐溫條件下的平均導熱系數= 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。預熱段: T ( x , y ) | t= 0 = 930  ; 加熱段: T ( x , y ) | t= 0 = T( 預熱
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; T g 為爐氣溫度; T sy 為板坯上下表面溫度; T sx 為板坯側面表面
溫度。
2. 5  不同加熱段綜合換熱系數計算
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