热能设计外文文献及翻译用于分析在直燃式步进式加热炉本科毕业论文

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

︒，为加热钢坯所消耗的能加热炉的任务是为随后的轧制过程将钢坯加热到将近1200C

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

︒时被送入炉内。板坯停留时间，目前炉存在着共计28钢坯。该钢坯被假定为温度21.2C

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约1200C︒，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ρ，C 和K分别为密度，比热，该钢板的导电性。