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1、用于分析在直燃式步进式加热炉板坯瞬态加热的传热模型摘要 一个可以预测板坯表面温度分布和热流情况的数学传热模型已开发出来了，主要是通过充分考虑在炉膛内的板坯的热辐射和瞬态热传导方程来实现的。该炉型是参照散热介质在空间中的变恒温过程和恒定的吸收系数来设计的。钢坯由步进梁从一个固定梁移动到下一个固定梁上，是以通过加热炉预热段.加热段和均热段为钢坯热传导方程的边界条件的加热炉模型。辐射热通量的计算是通过采用有限体积法，在炉子的内部，以炉墙.炉顶.炉底构成的充满烟气的环境里，作为板坯的瞬态传导方程的边界条件来进行计算的。板坯的传热特性和温度特性是通过调查可以改变板坯吸收系数和发射率的参数来确定的。比较多
2、次的实践工作表明，目前用于预测板坯在加热炉中的传热过程和热流量的状况示范工程得到了很好的效果。关键词：加热炉;钢坯加热;辐射传热;瞬态热传导;有限体积法1 导言在过去数十年以来，炉子进入降低能源消耗和污染物排放量的阶段，而分析钢坯瞬态热特性，在加热炉工程应用上已吸引了相当多注意。此外，限定板坯在炉子内有均匀的温度分布才能出炉的重要性大大增加了，只有准确、快速的预测炉内板坯的温度，才能为以后的轧制过程提供比较好的原料，因为这决定了钢铁产品质量的高低。在本质上，在炉膛内的整个燃烧过程和由此产生的热气流同时影响传热.对流和热辐射过程。然而，复杂的炉子内部的三维结构包括固定梁和步行梁打滑问题使的难以在
3、经济上做出准确的分析。因此，模型和方法对于预测炉子内部燃烧特性和传热过程中存在着很高的要求。尤其是，准确预测热辐射量是最重要的，因为热辐射传热超过流过板坯表面总热流的90。 现在没有一个单一的辐射模型就能够解决所有在工程应用中遇到的情况，所以应选择一个合适的途径为自己的侧重点。为了预测通过板坯表面上的辐射热通量，从而准确计算出炉子内板坯的温度分布，其解决方法是板坯必须是做连续运动， 无灰的燃烧烟气作为该炉辐射气体，以及复杂的炉壁几何结构包括弯曲的板坯和防滑管道堵塞的影响，还有就是一定量的计算。许多可以预测在加热炉内板坯传热特性的模型和方法已经开发出来了，并且成功的应用到各种不同的炉型中，这些方
4、法可以归类为下面几类：第一个是要解决好控制热气体流动和燃烧过程的节能方程，把热辐射作为辐射热流的能源来源，金大中等人完成了这些三维传热特性的分析，主要是考虑到烟气在步进梁上钢坯的湍流.平流和辐射传热作用，并用简洁的FLUENT代码表示出来。同时可以预测炉子内部的钢坯的温度分布和钢坯上下表面流过的热流量。金正日等人进行了类似的分析，并且做了预测钢坯顺态传热性能的热传导方程。虽然这些都是流体力学计算分析，但是可以用于准确地预测传热和燃烧的特点。在炉子内部钢坯的加热存在着这样的困难，因为处理那么多的方程和复杂的窑炉结构，以及不确定的模式，因而要求进行长期的监测计算和由此产生的费用。第二种方法是把加热
5、炉分成几段炉气成分和性质相同的部分，再用由查仆曼等人提出的一维气体能量平衡进行分析。他们想通过实验参数的观察，找出影响加热炉内钢坯及耐火墙辐射和燃烧空间高度，以及传热性能的因素。虽然没有什么结果，但是，进行了有关钢坯温度分布的预测，并且进行了一些需要处理极其复杂的步进式加热炉的集合特性修改审议工作。最后比较前面一种方法，这种办法很简单，可以合理的模拟出钢坯的热量分布状况，且把重点放在分析关于气体辐射传热和钢坯内部瞬态传导上，资料五的作者研究的稳态传热模型，在用这个模型时，炉子内的热辐射计算用分区计算的方法，而钢坯的热反应可以通过解析瞬态二维热传导方程来获得。以笔者的了解，用分区计算法计算工程的
6、成本，以及处理复杂的加热炉结构因素还是有一定难度的。而资料6的作者也开发了类似的预测炉子内部的传热模型，炉气充满炉内空腔，在炉墙和防滑管道上，以板坯在炉子内前进的方向为基准的横向二维稳态传热为研究重点。而比起前一种方法，这种方法更加的简单，减少了我们计算所需要的时间。对于更普通的和计算效率更加高的模型，就提出了更高的要求，为快速而准确的预测钢坯内部的温度分布，如果考虑到有用联合模式，及监测和控制炉子内情况，就像是控制燃烧器和板坯停留在炉子内的时间的实时操作。 最近，巴西和杜塔 7 介绍了一种在直燃型推钢式加热炉，采用有限体积法计算传热辐射的模型。在这项工作中，预测炉内的流过板坯表面热通量和钢坯
7、内温度分布的数学传热模型已经研制成功，在板坯在步进式加热炉中，通过分别考虑在炉膛内热辐射和瞬态传导方程来实现。该炉是仿照关于辐射介质在空间中线性变温和恒定吸收系数来设计的。板坯是由步进梁传送的，由步进梁定期运送通过预热段.加热段和均热段。辐射热通量计算采用有限体积法以辐射热交换与炉膛辐射效果，炉墙，炉顶，和燃烧气体适用瞬态热传导方程的边界条件计算的。在以下几节描述后，这里预测炉过程与加热炉所采用的方法是，查找钢坯传热性能和热通量，通过改变板坯的吸收系数和发射率等参数，而还介绍了与实践数据的比较。最后，作出有一些结论性意见的适当的解释。 2 制定2.1 炉子说明 加热炉的任务是为随后的轧制过程将
8、钢坯加热到将近，为加热钢坯所消耗的能源，由顶部和底部的煤气烧嘴提供的。通常情况下，将加热炉分成5个区域，排烟区，换热区， 预热段，加热段和均热段，如图表1显示。这是浦项制铁公司的简化炉模型。钢坯由步进梁从一个固定梁移动到下一个固定梁上，步进梁大约一分钟移动一次，看板坯在炉子内部停留时间来决定的。总的炉子长度规定为39.2米，而炉膛高度是变化的，每一个区用倾斜屋顶连接。每个钢板是长1.16米，厚度是0.23米，钢坯之间的间距是0.2米。因此，在目前炉存在着共计28钢坯。该钢坯被假定为温度时被送入炉内。板坯停留时间，即从预热段入口到均热段的出口为止，经过180分钟的加热，在炉膛出口板坯获得平均温度
9、约，因此，钢坯每4.6分钟就移动一次。2.2 方程 如图2显示了发生在炉膛内部传热过程，在这项研究中，假定向板坯表面热传递模式只有热辐射传热。钢板内部传热可以用瞬态二维热传导方程计算出来，及公式一。其中，C和K分别为密度，比热，该钢板的导电性。 (1) (2) (3) (4)通过该板坯表面辐射热通量，在图三中已经显示出来了，是用来作为上述方程（ 1 ）的边界条件，其中是钢坯表面和方向的辐射强度。是在板坯表面正常的单位向量，是立体角。是活性辐射介质辐射在任何方向的强度，沿着路径 通过介质的吸收，发射和散射可以确定以下方程（3）， 是吸收光系数， 是散射反照率，是从传入方向向方向散射的散射系数，这
10、个等式，如果平均温度和边界条件强度给出，提供了一个辐射强度分布情况等。一个漫反射与温度，这是方程边界条件。那么方程（ 3 ）可表示为发射量和反射量的总和，如方程（4）， 其中是炉墙的发射率，而是黑体强度的墙上。 2.3 有限体积的解决方法 瞬态热传导方程是由帕坦卡 8 所建议的使用有限体积法的离散型程序。一个中心差分法用于在X和Y方向扩散的条件。由此产生的离散系统，然后反复使用TDMA的算法来解决，直到温度场的板坯满足下列收敛准则可使用德国马克瓦特的定向量来预测如下： 为获板坯每个时间的温度， 计算从热辐射开始，在加热炉商会给予的对每个板坯表面辐射热通量， 然后，板坯的热传导是顺序模拟从第一到
11、最后第二十八板坯。这一计算回路重复，直到板坯由一个步进梁移动到下一固定梁，上述计算程序是显示在该地点最初的板坯温度进行计算的。这些计算程序终止时，它成为该板坯在加热炉内停留的时间。一个控制角度给定，但允许它的方向能够变化，可以得到下列等式： (6) (7) (8) (9) (10) (11)其中和分别是表面单元的外法线量。下流节点强度等于上游节点强度这是已采纳的步骤。离散化过程和有关量很容易找到在Baek等人的文献中。如在炉内板坯和在底部炉壁块的这些区域存在溶液，比如图4a的点B，Chai等人建议关闭程序。公式10可以被采纳。在这种解决办法中，虽然计算在整个域完成，在活跃的地区这种唯一的解决办
12、法是有意义的。为了解释闭式的解决办法，一个额外的项被带入公式6，如下式12。 (12)对于在非活跃区域的单元，变为和（这里LN是一个非常大的数，比如，然而在活跃区域和都设定为相同的零值。对于直接接触的的活跃单元，例如图4a的W点，受到下列条件的限制： (13) (14)最终，公式8和9的系数被改变如下： (15) (16)当下面值收敛时，迭代求解过程终止。 (17)这里是以前的迭代值。一旦获得强度场，在公式2中的板坯表面热辐射流量可以被测得通过使用方向权重如下式： (18)在每个时间段若想要获得每个板坯的温度，计算就要从炉腔体的热腐蚀开始。然后板坯内部的热传导从模拟的第一块到最后的第28块进行
13、。这种计算循环往复，直到板坯通过一个步进梁移动到下一个固定的光束上，上述的计算过程通过之前计算过的一位置点的初始板坯温度进行。当值变为板坯在炉内的停留时间时这些计算程序被终止。3 结果与讨论3.1 热行为炉进程 加热炉传热与热辐射模型，上述应用于调查钢坯在炉膛内瞬态热传导和通过钢坯上下表面的热流量，特别是着眼于每一个板坯表面温度分布和对板坯表面辐射热流上。在模型五中的加热炉类似于浦项制铁公司的加热炉。该炉墙和气体温度模拟概况分别作列于表1 ，板坯的热性能在表2中给出了。 基本的辐射特性，如辐射气体的吸收系数 ，该炉墙的辐射系数分别设置为0.75和0.5 ，虽然是假设没有散射，即 ，因此， 。空
14、间网格系统使用在这项研究是和角系统对。所有计算是在运行频率1.7兆赫的个人电脑进行的，并要求计算时间大约是1260秒。图5说明共计28砖的温度分布和五区的炉温见表1 。第一块板坯以移动到预热段，受到周边热炉气体和炉墙的强烈的热辐射，因为着两者之间有着较高的温度差。然后在右上角地区的板坯被加热至最高温度。正如所料，钢坯通过预热段的预热后，移动到加热段，在加热段内被加热到 。不过板坯的温度，在移动到均热段后稍微的有所下降。图5b显示了炉子内部的热辐射分布情况，即辐射热通量（矢量）和辐射（轮廓）。请注意，在前面的两个区的板坯辐射热流向量都集中在位于炉膛高度中心的位置上，这意味着大量的热气题集中在炉子的高度中心空间附近。通过相邻预热和加热区，钢坯得到了充分的加热，温度峰值出现在加热区。在另一方面，在最后的均热段，因为炉温
