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1、冶金能源2007.4蓄热式烧嘴钢包烘烤的传热分析王 剑徐 正 吕英华 王 东孙维祥 赵 炜本钢设备备件处 中钢集团鞍山热能研究院 鞍钢设备处摘 要 通过对钢包建立传热模型，对钢包内的烟气进行传热分析，最终确定烟气进入蓄热体前的温度，为烘烤设备的设计提供参考。关键词 蓄热式 钢包烘烤 传热分析The analysis of heart transfer of regenerative burner in the process of ladle roastWang Jian1 Xu Zheng2 Lu Yinghua2 Wang Dong2 Sun Weixiang3 Zhao Wei3（1.
2、BenXi Iron & Steel Group Corporation,（2. Sinosteel Anshan Research Institute of Thermo-Energy（3. AnShan Iron & Steel Group Corporation)Abstract: Base on the model of heart transfer in the ladle. The article analyzed the heart transfer of exhaust gas in ladle. This result can be used for the optimal
3、design of regenerative heat exchange device.Key words: regenerative heart ladle roast heart transfer analysis现在蓄热式钢包烘烤已经在钢铁冶金行业中广泛应用，它采用蓄热式燃烧原理，让空气或煤气通过被烟气加热的蓄热体，使空气或煤气达到较高温度，充分利用烟气余热，从而达到节能的效果。了解钢包内的传热规律，对优化烘烤设备，提高烘烤效率都有很重要的参考作用。1 建立物理模型为了简化计算，钢包可以看作内部附有等厚均匀耐火材料的无缝无孔的圆筒1；空气被蓄热体加热后经烧嘴喷射入钢包内，与煤气混合燃烧，
4、燃烧的烟气沿钢包内壁流动，然后经另一烧嘴排出。物理模型建立的结果如图1，本文建立的传热模型，需要有几个假设：1假设空气与煤气燃烧后，燃烧产物以一定速度沿钢包内壁表面匀速运动；2钢包内壁到钢包外表面温度为连续指数分布；3钢包内每一时刻都处于热平衡状态；4钢包盖下表温度与钢包内壁大体相等；5蓄热体内温度近似与时间成线性变化2，如图2。图1 简化后的钢包形状D钢包外径 H钢包高度 h钢包耐火材料平均壁厚图2 烟气和空气温度随时间的变化2 钢包内传热过程的计算2.1 钢包的热容量钢包主要蓄热材料是钢包的耐火材料，因此求钢包热容量可以近似简化为求钢包耐火材料的热容量。耐火材料体积：式中 钢包外径钢包高度
5、钢包耐火材料平均壁厚初始温度时钢包热容图3钢包壁热容量分析如图3所示，水平轴为钢包内壁到外壁的距离，为中间的某面，是基于此面的一个微元；竖直轴为钢包内壁到外壁的温度分布（指数规律），为钢包内壁温度，为钢包表面温度（常数），为处的温度，其表达式为。那么中间的微元dx在温度t时的热容量为：式中 耐火材料比热耐火材料密度耐火材料总面积，其值为。这样钢包内壁温度为时，总热容量便可以写为：同理，钢包内壁温度为时：钢包耐火材料从温度到时的总吸热量（热容量）为：2.2煤气消耗量和燃烧温度如果煤气的热值为，热量损失率为，那么煤气的平均消耗量就为。当空气系数为时，就可以求出烟气的产量及成分。此时，燃烧温度可以求
6、得为式中 空气流量烟气流量空气平均温度燃烧温度温度时空气平均比热温度时烟气平均比热2.3烟气在钢包内的传热烟气在钢包内向钢包内壁传热包括两个部分：(1)对流传热，(2)辐射传热。它们的总传热量就是烟气在钢包内流过时传递给钢包的热量。(1) 对流传热气流在平面表面流动时的对流传热的努歇特准数3为式中 Re雷诺准数Pr普朗特准数在所建传热模型中由于认为烟气是沿钢包表面流动的，所以钢包内烟气对流传热可以表示成：式中 传热系数钢包内表面积定性尺寸钢包壁与烟气的温差（2） 辐射传热气体对钢包的辐射传热与温度有关，用灰度气体辐射传热公式3表示为式中 钢包内表面积烟气发射率烟气吸收率烟气的平均温度钢包内壁的
7、平均温度这里认为钢包盖温度与钢包内壁大体相等。（3） 烟气在钢包内总放热量。烟气在钢包内总传热量为对流传热和辐射传热的总和，即根据热平衡，烟气流经钢包后，出口的温度为因为不是显式表达式，所以在进行计算时需要用到迭代的方法。当，钢包外表温度150，内壁温度在15min内从800升高到1200时，用前述方法计算的结果绘制成图4曲线。曲线的横坐标为空气系数，纵坐标分别为烟气出口温度，最高空气温度，燃烧温度，平均空气温度和传热效率。燃烧温度烟气温度空气入口温度空气平均温度传热效率图4 钢包内传热计算结果3 数据分析从曲线图3可以明显看出，燃烧温度随空气系数的增加而持续减小；烟气出口温度、空气入口温度、
8、平均空气温度在空气系数为1.41.8之间时存在一个最大值；而温度效率随着空气系数的增加而持续减小。这些结果与实际中的情况符合很好。这些现象，应用上述模型可以解释为：烟气对钢包的传热由对流传热和辐射传热组成，而对流传热是流速的增函数，辐射传热是温度的增函数。当空气系数为1时，燃烧温度达到最高，辐射传热最强；而随着空气系数的增加，燃烧温度降低，烟气产量增大，烟气的流速也随之提高，对流传热在总传热中所占比例也不断增加，也就是说，对流传热是空气系数的增函数，辐射传热是空气系数的减函数，在钢包这个近似封闭的空间里，辐射传热和对流传热的总热量存在一个值，达到这个值，烟气出口的温度就达到了最高点，这时候烟气
9、出口温度大约在1100左右。另外，传热效率也随着空气系数的增加而递减，原因是尽管燃烧温度和烟气出口温度差值减小，但是烟气的产量却迅速增加，抵消了燃烧温度与烟气温度差减小的效果，所以总传热效率的变化趋势是随着空气系数的提高而递减。4 结论(1) 在蓄热式钢包烘烤中，烟气传热包括对流和辐射两种形式，对流传热不可忽视，甚至有时会成为主要传热方式；(2) 随着空气系数的变化，对流传热和辐射传热的比例也会变化；(3) 烟气进入烧嘴前的温度可以高于或低于1000，在空气系数13时，最大可相差200左右；(4) 从实践角度出发，应该让空气系数尽量接近1，考虑到扩散燃烧的性质，以1.051.15为宜，一方面能保持较高的传热系数，另一方面控制烟气出口温度不至于太高，增加对设备材料的要求。参考文献1. 李传薪。钢铁厂设计原理。北京：冶金工业出版社，20052. 欧俭平，吴道洪，肖泽强。蜂窝型蓄热室传热过程的数值模拟及热工特性，耐火材料 2003/63. 钱滨江等。简明传热手册。北京：高等教育出版社，1983作者联系方式作者：王剑，1972地址：本溪市明山区北光路6号邮编：117000电话：13009226661 1
