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1、 一种间歇式轧钢加热炉温度场的研究 李宝宽 齐凤升 王 芳 高泰荫 （东北大学材料与冶金学院，沈阳 110004） 摘 要 轧钢加热炉是炼钢过程中的关键设备之一。钢坯由加热炉加热至轧制所需温度，加热过程中炉内的温度分布对最 终钢材质量起决定性作用。本文以间歇式天然气轧钢加热炉为例，采用CFD（计算流体力学）方法分析了加热炉内以及被 加热钢坯内的瞬态三维温度场分布，利用 Fluent 软件模拟了不同工作状态下的炉内温度以及气流速度分布，为改善加热炉 热工制度提供了理论依据；同时模拟过程中考虑了更换钢坯时炉门开启引入的热损失对炉内温度分布的影响。 关键词 间歇式加热炉 温度场 天然气燃料 CFD
2、Study on Temperature Field in a Batch-type Reheating Furnace Li Baokuan Qi Fengsheng Wang Fang Gao Taiyin （School of Materials and Metallurgy, Northeastern University, Shenyang, 110004） Abstract In the steelmaking process, a reheating furnace is used to heat the billets or blooms to the rolling temp
3、erature; the uniformity of temperature in furnace decides steel quality. In order to evaluate the effectiveness and benefits of nature gas fuels, the Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis is conducted to examine the transient and three dimensional temperature fields in a reheating furnace by t
4、he commercial software Fluent. A number of actual operating cases are calculated. Heat loss due to door opening during charging billets is considerable and has been monitored. The numerical results may be used to optimize the operating parameters and promote the improving of steel quality. Key words
5、 Batch-type reheating furnace, temperature field, natural gas fuel， CFD 轧钢加热炉的作用是根据金属加热工艺和金属加热制度，把钢坯按温度均匀性的要求加热到一定的温 度， 便于轧机将其轧制成一定形状和规格的产品， 同时保证加热炉最低的燃料消耗和最小的金属烧损。 目前， 很多学者都研究加热炉内的流场和温度场分布，以获得炉内钢坯均匀一致的温度。 图 1 所示为美国某钢铁公司 20 世纪初建造的轧钢加热炉 1，全炉共 12 个烧嘴，分布在炉体两侧，采用 图 1 天然气轧钢加热炉图 Fig.1 natural gas steel ro
6、lling of the No.3 reheating furnace Picture 基金项目：国家自然科学基金及宝钢基金联合资助项目（50474085） 。 李宝宽（1963 年） ，男，教授；E-mail:lbk6382 一种间歇式轧钢加热炉温度场的研究 交替方式进行加热，当一侧烧嘴工作时，另外一侧烧嘴关闭，每三分钟交换一次。炉子采用前进后出的装卸 料方式。全炉共分为 4 个加热区域，每个区域可以放 6 块钢坯。该加热炉最初采用低热值高、焦炉混合煤气 为燃料，这样的设计在 20 世纪初期是可以被接受的2,3，但随着科学技术的发展，这样的运行效率已经不能 满足现在的生产标准。为了提高加热效
7、率，采用天然气代替原高、焦炉混合煤气。本文以该炉为例，采用 CFD（计算流体力学）方法分析该加热炉以及被加热钢坯内瞬态温度场分布，并用 Fluent 软件模拟得到了不 同工作状态下的结果，为现行炉子运行机制和操作参数的优化以及对其进一步改造提供了理论依据。 1 CFD 模型 加热炉的基本结构特点如图 2 所示，该炉共有烧嘴 12 个，两端各 6 个。燃烧所需空气分别由左右两个 风道供给。然而有一部分空气是预先混合到燃料中从烧嘴处喷入炉内的，这称为一次风。一次风量设定为一 定值可以减少炉内烟气和烟灰的形成。两侧烧嘴交替工作，每次交换时间为三分钟。但由于某些技术原因， 每次烧嘴交换时中间都有一分钟
8、时间间隔，在此期间所有烧嘴停止工作。建模过程中采用结构化网格，这样 可以减少计算单元，从而节省计算时间。 图 2 天然气轧钢加热炉模型 Fig.2 natural gas steel rolling of the reheating furnace model 模型控制方程如下： 连续性方程 0)(= + i i u xt (1) 动量方程 i j ij i ji j i g xx p uu x u t + + = + )()( (2) 能量方程 h i i i i i S x T kk x hu x h t + + = + )()()( (3) 湍动能方程 + + = bk ik t i G
9、G x k xDt Dk )( (4) 耗散率方程 k CGCG k C xxDt D bk i t i 2 23 1 )( )( + + + = (5) 2007 中国钢铁年会论文集 图 3 炉门关闭时炉内稳态温度场分布 Fig.3 Temperature field for steady state with door closed 采用离散坐标模型来模拟辐射过程，该模型包含了散射、颗粒影响、固定内热源、无灰辐射等多 种现象4,5。 4 4 2 0 ( ( , ) )() ( , ) ( , )( , )d 4 += + ? ? ? ? ? ? ? s s I r s saI r s T
10、anI r ss s (6) 二步法被用来模拟甲烷燃烧过程。天然气燃烧和钢坯再加热过程采用商用软件 Fluent 来模拟。 2 边界条件 天然气和空气在烧嘴处入口流量给定，且预热温度为 755 K。 入口处 , k可以通过下式计算6： 2 0.04 inin kV=和 3 2 2/ inplug kD= (7) 3 模拟条件 每个烧嘴入口处的甲烷质量流量为 0.0338 kg/s，空气质量流量为 0.146 kg/s，而风道进口处空气流量为 2.4 kg/s。耐火材料的导热系数为 20 W/（mK） 。操作压力为大气压，操作温度为室温。模型形状如图 2 所 示。表 1 为炉子、烧嘴尺寸和工作参
11、数。 表 1 烧嘴尺寸和工作参数 Tab.1 Geometry and operating parameters 炉子尺寸 14.0208m 5.6134m 0.9906m 被加热钢坯尺寸 4.572m0.1905m 0.2794m 每侧数量 6 冷风进口直径/m 0.1524 天然气进口直径/m 0.0762 每个烧嘴进口冷空气质量流量/kgs1 0.146 每个烧嘴进口冷空气质量流量/kgs1 0.0338 燃烧所需空气质量流量/kgs1 2.4 4 结果与讨论 整个模拟包括预热、装料、卸料三个过程。 预热过程 预热过程中，所有的炉门都是关闭的，这一过程是一个稳态过程，根据所给初始的燃烧条
12、件在 Fluent 中迭代 3600 步，获得最终稳态结果。图 3 给出了模拟预热过程的炉内温度场分布。从图中可以看出，炉门 一种间歇式轧钢加热炉温度场的研究 关闭时炉内温度分布均匀，两端对称。 装料过程 装料时，装料门打开，这个过程中炉内温度分布是非稳态的，为了模拟炉门开启过程将炉门定义为计算 单元，炉门的外表面定义为出口边界条件。图 4、5 分别是炉门开启时得到的炉内温度分布与速度分布等值 图。可以看出火焰明显偏向装料门一侧。这是由于炉门开启时在炉门侧形成负压，气流向炉门方向偏转，从 而造成温度分布也偏向炉门开启的一侧。 图 4 1 号炉门开启时炉内温度场分布 Fig.4 Temperat
13、ure profile (K) for the transient case with the 1st door open 图 5 1 号炉门开启时炉内速度场分布 Fig.5 Velocity profile (m/s) for the transient case with the 1st door open 如图 6 所示为烧嘴变换后炉门开启时炉内温度分布， 同理火焰也向炉门开启的方向偏转， 这一过程使炉 门附近温度升高。图 7 比较了当 1 号门开启或关闭时炉内温度沿 z 方向上的分布。显然当炉门关闭时，炉内 温度分布较匀称，高温区主要集中在炉子中部，两侧炉门处温度较低。当炉门开启时，高
14、温区向炉门开启侧 倾斜，温度分布的不匀称性势必影响钢坯的加热效果。 图 6 烧嘴换向后炉内温度场分布 Fig.6 Temperature field (K) for the transient case after converting firing side 2007 中国钢铁年会论文集 图 7 1 号炉门开启和关闭时炉内沿 z 方向的温度分布 Fig.7 Comparison of temperature curves at 1st door zone along Z-direction, during door is open and closed 加热过程中， 钢坯内部的温度分布是至关
15、重要的， 钢坯内温度分布的不均匀主要是由加热炉内沿 z 方向 的温度差引起的。如图 8 所示，可以很直观的看出炉门开启对钢坯内部温度分布的影响。 图 8 时间为 225 秒时钢坯内温度分布 Fig.8 3-D Temperature distribution on billets, at 255 sec 运行过程中， 炉门热损失是不可避免的， 这一热损失影响炉内沿 x 轴方向的温度分布从而减少了炉内的 高温区域。图 9 比较了不同时刻沿 x 轴方向的温度分布曲线。高温区域的减少是很明显的。 图 9 不同工作状态时，沿 X 方向温度分布曲线 Fig.9 Comparison of three t
16、emperature curves along X-direction, with different door operating 5 结论 通过 CFD 模拟得出了加热炉内三维温度场和速度场分布，并同时考虑了炉门开启、关闭对炉内温度分 布的影响。 （1）炉内钢坯加热区温度范围为 13301340K，比钢坯的要求加热温度高 103K。 （2）炉门处于关闭状态时，炉内温度沿 z 方向上均匀对称分布。高温区集中在炉子中部，两端炉门处 温度偏低。 一种间歇式轧钢加热炉温度场的研究 （3）炉门开启时，炉内气流分布向炉口侧偏移，致使炉口附近区域温度升高，炉内温度分布不匀称。 这引起了钢坯沿炉子宽度方向上的温度分布不均匀。 （4）炉门不同开启时间，热损失对炉内高
