加热炉炉温均匀性优化控制研究
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of Engineering, Handan 056038, China）
Abstract: With the car type pulse combustion furnace in a steel plant as research object, and adopting the k-ε two-equation turbulence model, the numerical simulation and research on the furnace temperature field are made, then the distribution and offset angle of burners that could organize burning rationally and effectively are obtained. These provide a basis for ensuring the furnace temperature uniformity, further improving the heating quality and re-optimizing the furnace structure. The system simulation and practical running results show that the uniformity of furnace temperature field is improved greatly. It satisfies the needs of high quality heating of billets.
鄣（Γ·s 鄣ωs/鄣xj）/鄣xj+R觶 s
(4)
式中：ρ—流体密度
t—时间
ui、uj—直角坐标系 i 和 j 方向的速度 xi、xj—直角坐标系 i 和 j 方向的坐标 μ—黏性系数
p—压力
h—热焓
Γh—热交换系数 S觶 h—热焓源项 ωs—组分的质量分数 Γs—组分扩散系数 R觶 s—反应源项 湍流动能方程 k：
修正后，上排烧嘴向上倾斜 15°，下排烧嘴向上 倾斜 8°。
3 运行结果
合理布置烧嘴后，炉膛内温度场的均匀性得到 了很大提高。 炉膛中部接近钢坯的部分温度非常均 匀，这样有利于钢坯温度的稳定和均匀，便于提高加 热质量。 烧嘴布置和偏移角度优化后，对加热炉热 流场进行数值模拟， 得到的炉内温度场分布如图 2 所示。
T/℃
工 业 炉 第 33 卷 第 1 期 2011 年 1 月
炉温变化情况如图 3 所示。
1 1 250
2 1 250
3 1 250
8∶00 10∶00 12∶00 14∶00 16∶00 t/h
图 3 炉前、炉中、炉尾温度变化曲线
图 3 中，曲线 1 为炉前温度变化曲线，曲线 2 为 炉中温度变化曲线，曲线 3 为炉尾温度变化曲线。从 图中可以看出，炉膛温度达到稳定后，炉前、炉中和 炉尾的温度基本上都维持 1 250 ℃左右， 炉温分布 均匀，达到了控制要求。
4 结论
通过对某钢厂台车式脉冲燃烧加热炉炉膛气流 湍流模型的数值模拟， 得到了炉膛内温度场的分布 情况。 对于该台车式加热炉，14 个脉冲烧嘴即能满 足加热需求。烧嘴安装在炉膛两侧炉壁上，上下各两 排，均匀分布，上排 3 个烧嘴，下排 4 个烧嘴。数值模 拟结果表明，上排烧嘴向上倾斜 15°，下排烧嘴向上 倾斜 8°，能使炉膛温度场分布更加均匀。
鄣（ρk）/鄣t+鄣（ρkuj）/鄣xj=鄣（μ·鄣k/鄣xj）/鄣xj+ μ·t 鄣ui /鄣x·j （鄣uj /鄣xi+鄣ui /鄣xj）-CDρk3/2/l （5）
湍流扩散方程 ε：
鄣（ρε）/鄣t+鄣（ρεuj）/鄣xj=鄣（μ·鄣ε/鄣xj）/鄣xj+ （μtC1ε/k）·鄣ui/鄣x·j （鄣uj/鄣xi+鄣ui/鄣xj）-C2ρε2/k （6）
2.1 钢厂加热炉工艺参数
本文以某钢厂脉冲式台车加热炉为研究对象，
加热炉的主要参数如表 1 所示。
表 1 钢厂加热炉主要参数
类别 炉型 炉 子 尺 寸 /mm×mm×mm 加 热 温 度 /℃ 燃气种类 钢 坯 尺 寸 /mm×mm×mm 加热钢种
参数值 台车式 5 300×3 000×3 000 1 250 天然气 300×300×2 000 普碳钢、合金钢
实际运行效果表明， 这种烧嘴的布置情况和偏 移角度对于改善温度场分布均匀性， 提高钢坯加热 质量具有良好的效果，能满足高效、优质、低耗和环 保的加热需要，大大改善了钢坯加热质量，降低了钢 材的氧化损耗， 提高了钢厂的优质钢生产率和经济 效益。
图 2 优化后沿炉宽方向炉膛内温度场分布情况图
图中深色区域表示温度较高，可达 1 600 ℃。 随 着颜色变浅，炉气温度沿炉宽方向从两侧到中间，由 高到低呈梯度变化趋势，接近钢坯部分，炉气温度基 本达到稳定，维持在 1 240~1 260 ℃左右。 沿炉长方 向看，炉温分布均匀，炉前、炉中、炉后温度维持在同 一温度范围。
2.2 温度场均匀性优化 合理的喷嘴布置和偏移角度是实现高效燃烧、
确保加热效果的关键。 有关工具书中规定的上下排 烧嘴能力比例为下排 80%~90%，上排 10%~20%。 对 日益发展的台车加热炉来讲，实践证明是不合适的。 上 下 排 布 置 能 力 应 为 下 排 50%~70%， 上 排 30%~ 50%。 国外同等规模的加热炉实际应用也是这种分 配，否则就会引起上下温差加大，造成局部过热现象 [5]。 本设计中，根据实际情况，烧嘴布置在加热炉两 侧炉壁上，每侧分上下两排分布。初步确定为上排烧 嘴数目小于下排。 由于钢厂原有系统烧嘴总数为 14 个，满足加热需求，所以最终每侧炉壁上上排布置 3 个烧嘴，下排布置 4 个烧嘴。 烧嘴的分布情况如图 1 所示。
根据炉膛结构及尺寸、加热钢种、坯料形状、燃 料及轧钢温度的不同，对烧嘴的分布和最佳偏移角 度的要求都不相同。 本文以某钢厂台车式脉冲燃烧
收稿日期：2010- 10- 26 作者简介：刘增环（1962—），男，工学硕士，教授，主要研究方向
为计算机检测与控制、智能仪器仪表的应用.
加热炉为研究对象， 通过对加热炉热流场的数值模 拟，采用小步长试探的方法，优化得出了加热炉烧嘴 的分布情况和偏移角度， 改善了加热炉温度场的均 匀性，获得了良好的加热效果，大大提高了产品的合 格率和优质率。
第 33 卷第 1 期 2011 年 1 月
工业炉
Industrial Furnace
Vol.33 No.1 Jan. 2011
加热炉炉温均匀性优化控制研究
刘增环，王利珍，何广祥 （河北工程大学 信电学院，河北 邯郸 056038）
摘 要：以某钢厂台车式脉冲燃烧加热炉为研究对象，采用k-ε 湍流双方程模型，对炉膛内温度场进行数值模拟和研
式 中 ：k 为 湍 流 脉 动 动 能 ；μt=Cμ ρk2/ε 为 湍 流 动 力 黏
源自文库
性系数，Cμ=0.09；CD 为 系 数 ，CD=0.08~0.38；l 为 湍 流 的脉动普朗特混合长度；ε 为湍流脉动动能耗散系 数；C1 为系数，C1=1.44；C2 为系数，C2=1.92。
2 炉内温度场均匀性优化
湍流 k-ε 双方程模型的可靠性和实用性，是目前应
用最广泛的工程模型[4]。 因此用 k-ε 双方程湍流模
型描述加热炉内炉气流动过程，进而得到温度场的
分布情况是完全适用的。 鉴于炉膛热过程炉气流动
的实际情况，本文采用了该模型。
1.2 流场模型控制方程
加热炉燃烧过程是一个湍流燃烧过程，控制加
热炉燃烧过程的基本方程由以下方程组成。
究，得出了合理有效组织燃烧的烧嘴布置和偏移角度，为保证炉膛温度的均匀性、提高加热质量和优化炉型结构提供了
参考依据。 系统仿真和实际运行效果表明：炉膛内温度场的均匀性得到了很大提高，满足了钢坯高质量加热的需要。
关键词：加热炉；炉温均匀性；烧嘴；热流场；数值模拟
中图分类号：TF062 文献标识码：A
文章编号：1001- 6988（2011）01- 0009- 03
Study on Optimal Control of Furnace Temperature Uniformity
LIU Zeng-huan, WANG Li-zhen, HE Guang-xiang （College of Information and Electronic Engineering, Hebei University
5.3 m
1.3 m
1.3 m
1.35 m
3m 1.3 m 1.1 m
1.3 m
1.3 m
1.3 m 0.7 m
图 1 优化后烧嘴的分布情况图
如 图 1，该 台 车 式 加 热 炉 炉 长 为 5.3 m，宽 为 3 m，高为 3 m，所采用的烧嘴为脉冲式烧嘴，所有烧嘴 等间距分布。 下排烧嘴安装高度为距炉膛底部 0.6 m 处 ，距 炉 门 和 炉 尾 各 0.7 m，烧 嘴 间 的 距 离 为 1.3 m。 上排烧嘴与下排烧嘴垂直间距为 1.3 m，与下排 烧 嘴 交 错 布 置 ，距 炉 门 和 炉 尾 各 1.35 m，各 烧 嘴 间
10
相距 1.3 m。 根据本文 1.2 节的控制方程，借助于计算机，用
数值方法对加热炉热流场进行数值模拟。 模拟过程 中采用小步长试探法逐步改变烧嘴偏离水平方向的 角度，并不断观察模拟过程的数值结果和炉膛内流 体分布变化规律，逐渐优化烧嘴的偏移角度，直到实 现炉膛温度场的均匀分布。
具体步骤为：先优化上排烧嘴的角度，从水平方 向以 1°的步长逐步向上偏移， 探寻最佳偏移角度； 再优化下排烧嘴的角度，同样从水平方向以 1°的步 长逐步向上偏移逼近最佳控制状态；最终得到了炉 膛热流场和温度场的最佳分布，实现了加热过程燃 烧氛围的最优控制。 烧嘴偏移角度的优化不仅有利 于温度场分布的均匀性，而且可以避免烧嘴火焰直 烧钢坯，造成局部过热，这也是有利于提高钢坯加热 质量的。
9
第 332 卷第 13 期 实20验110研年究15： 加月 热 炉 炉 温 均 匀 性 优 化 控 制 研 究
工业炉
Industrial Furnace
Vol.332 No.13 MJaany. 20110
实际工程应用中取得了巨大的成就，给出了大批与
实验吻合的数值解，使越来越多的科技人员认识到
Key words: heating furnace; temperature uniformity; burner; thermal fluid field; numerical simulation
钢坯的加热质量直接关系到钢材产品的质量、 产量、能耗以及机械设备的寿命等，改善钢坯的加热 质量可以提高钢的塑性，降低热加工时的抗力，减少 燃料消耗和氧化损耗[1]。 炉膛温度场的均匀性是衡 量加热质量和保证钢坯加热均匀的一个重要因素。 脉冲式加热炉能够很好地提高能源的利用率和钢坯 加热质量，但炉膛温度场的均匀性仍有待进一步优 化。 合理的烧嘴布置和偏移角度，能够优化炉子热 交换过程，有效组织炉膛气流，大大提高炉膛温度场 的均匀性，改善加热质量。
1 加热炉热流场数值分析
1.1 热流场模型分析 加热炉依靠燃料燃烧后生成的气态燃烧产物的
流动过程把热量传给被加热的钢坯[2]。 以天然气为 燃料的加热炉燃烧过程与气体力学紧密相关， 加热 过程中的炉膛内炉气流动、 对流传热与燃烧过程几 乎全部是湍流过程， 湍流模型是加热炉热过程数学 模型的基础。
常见的湍流模型有：零方程模型、单方程模型和 双方程模型[3]。 其中，湍流流动的 k-ε 双方程模型在
连续方程：
鄣ρ/鄣t+鄣（ρuj）/鄣xj=0
(1)
动量方程：
鄣（ρuj）/鄣t+鄣（ρujui）/鄣xj=-鄣ρ/鄣xi+
鄣[μ（鄣uj /鄣xj-鄣ui /鄣xj）]/鄣xj
(2)
能量方程：
鄣（ρh）/鄣t+鄣（ρujh）/鄣xj=
鄣（Γh·鄣h/鄣xj）/鄣xj+S觶 h
(3)
组分方程：
鄣（ρωs）/鄣t+鄣（ρujωs）/鄣xj=
实际运行过程中，在炉膛前部、中部和尾部各取 一个测量点，用热电偶测取实际炉温值，均热段三处
参考文献： [1] 欧俭平,詹树华,马 爱 纯,等. 热 式 连 续 推 钢 加 热 炉 内 钢 坯 加 热 过
Abstract: With the car type pulse combustion furnace in a steel plant as research object, and adopting the k-ε two-equation turbulence model, the numerical simulation and research on the furnace temperature field are made, then the distribution and offset angle of burners that could organize burning rationally and effectively are obtained. These provide a basis for ensuring the furnace temperature uniformity, further improving the heating quality and re-optimizing the furnace structure. The system simulation and practical running results show that the uniformity of furnace temperature field is improved greatly. It satisfies the needs of high quality heating of billets.
鄣（Γ·s 鄣ωs/鄣xj）/鄣xj+R觶 s
(4)
式中：ρ—流体密度
t—时间
ui、uj—直角坐标系 i 和 j 方向的速度 xi、xj—直角坐标系 i 和 j 方向的坐标 μ—黏性系数
p—压力
h—热焓
Γh—热交换系数 S觶 h—热焓源项 ωs—组分的质量分数 Γs—组分扩散系数 R觶 s—反应源项 湍流动能方程 k：
修正后，上排烧嘴向上倾斜 15°，下排烧嘴向上 倾斜 8°。
3 运行结果
合理布置烧嘴后，炉膛内温度场的均匀性得到 了很大提高。 炉膛中部接近钢坯的部分温度非常均 匀，这样有利于钢坯温度的稳定和均匀，便于提高加 热质量。 烧嘴布置和偏移角度优化后，对加热炉热 流场进行数值模拟， 得到的炉内温度场分布如图 2 所示。
T/℃
工 业 炉 第 33 卷 第 1 期 2011 年 1 月
炉温变化情况如图 3 所示。
1 1 250
2 1 250
3 1 250
8∶00 10∶00 12∶00 14∶00 16∶00 t/h
图 3 炉前、炉中、炉尾温度变化曲线
图 3 中，曲线 1 为炉前温度变化曲线，曲线 2 为 炉中温度变化曲线，曲线 3 为炉尾温度变化曲线。从 图中可以看出，炉膛温度达到稳定后，炉前、炉中和 炉尾的温度基本上都维持 1 250 ℃左右， 炉温分布 均匀，达到了控制要求。
4 结论
通过对某钢厂台车式脉冲燃烧加热炉炉膛气流 湍流模型的数值模拟， 得到了炉膛内温度场的分布 情况。 对于该台车式加热炉，14 个脉冲烧嘴即能满 足加热需求。烧嘴安装在炉膛两侧炉壁上，上下各两 排，均匀分布，上排 3 个烧嘴，下排 4 个烧嘴。数值模 拟结果表明，上排烧嘴向上倾斜 15°，下排烧嘴向上 倾斜 8°，能使炉膛温度场分布更加均匀。
鄣（ρk）/鄣t+鄣（ρkuj）/鄣xj=鄣（μ·鄣k/鄣xj）/鄣xj+ μ·t 鄣ui /鄣x·j （鄣uj /鄣xi+鄣ui /鄣xj）-CDρk3/2/l （5）
湍流扩散方程 ε：
鄣（ρε）/鄣t+鄣（ρεuj）/鄣xj=鄣（μ·鄣ε/鄣xj）/鄣xj+ （μtC1ε/k）·鄣ui/鄣x·j （鄣uj/鄣xi+鄣ui/鄣xj）-C2ρε2/k （6）
2.1 钢厂加热炉工艺参数
本文以某钢厂脉冲式台车加热炉为研究对象，
加热炉的主要参数如表 1 所示。
表 1 钢厂加热炉主要参数
类别 炉型 炉 子 尺 寸 /mm×mm×mm 加 热 温 度 /℃ 燃气种类 钢 坯 尺 寸 /mm×mm×mm 加热钢种
参数值 台车式 5 300×3 000×3 000 1 250 天然气 300×300×2 000 普碳钢、合金钢
实际运行效果表明， 这种烧嘴的布置情况和偏 移角度对于改善温度场分布均匀性， 提高钢坯加热 质量具有良好的效果，能满足高效、优质、低耗和环 保的加热需要，大大改善了钢坯加热质量，降低了钢 材的氧化损耗， 提高了钢厂的优质钢生产率和经济 效益。
图 2 优化后沿炉宽方向炉膛内温度场分布情况图
图中深色区域表示温度较高，可达 1 600 ℃。 随 着颜色变浅，炉气温度沿炉宽方向从两侧到中间，由 高到低呈梯度变化趋势，接近钢坯部分，炉气温度基 本达到稳定，维持在 1 240~1 260 ℃左右。 沿炉长方 向看，炉温分布均匀，炉前、炉中、炉后温度维持在同 一温度范围。
2.2 温度场均匀性优化 合理的喷嘴布置和偏移角度是实现高效燃烧、
确保加热效果的关键。 有关工具书中规定的上下排 烧嘴能力比例为下排 80%~90%，上排 10%~20%。 对 日益发展的台车加热炉来讲，实践证明是不合适的。 上 下 排 布 置 能 力 应 为 下 排 50%~70%， 上 排 30%~ 50%。 国外同等规模的加热炉实际应用也是这种分 配，否则就会引起上下温差加大，造成局部过热现象 [5]。 本设计中，根据实际情况，烧嘴布置在加热炉两 侧炉壁上，每侧分上下两排分布。初步确定为上排烧 嘴数目小于下排。 由于钢厂原有系统烧嘴总数为 14 个，满足加热需求，所以最终每侧炉壁上上排布置 3 个烧嘴，下排布置 4 个烧嘴。 烧嘴的分布情况如图 1 所示。
根据炉膛结构及尺寸、加热钢种、坯料形状、燃 料及轧钢温度的不同，对烧嘴的分布和最佳偏移角 度的要求都不相同。 本文以某钢厂台车式脉冲燃烧
收稿日期：2010- 10- 26 作者简介：刘增环（1962—），男，工学硕士，教授，主要研究方向
为计算机检测与控制、智能仪器仪表的应用.
加热炉为研究对象， 通过对加热炉热流场的数值模 拟，采用小步长试探的方法，优化得出了加热炉烧嘴 的分布情况和偏移角度， 改善了加热炉温度场的均 匀性，获得了良好的加热效果，大大提高了产品的合 格率和优质率。
第 33 卷第 1 期 2011 年 1 月
工业炉
Industrial Furnace
Vol.33 No.1 Jan. 2011
加热炉炉温均匀性优化控制研究
刘增环，王利珍，何广祥 （河北工程大学 信电学院，河北 邯郸 056038）
摘 要：以某钢厂台车式脉冲燃烧加热炉为研究对象，采用k-ε 湍流双方程模型，对炉膛内温度场进行数值模拟和研
式 中 ：k 为 湍 流 脉 动 动 能 ；μt=Cμ ρk2/ε 为 湍 流 动 力 黏
源自文库
性系数，Cμ=0.09；CD 为 系 数 ，CD=0.08~0.38；l 为 湍 流 的脉动普朗特混合长度；ε 为湍流脉动动能耗散系 数；C1 为系数，C1=1.44；C2 为系数，C2=1.92。
2 炉内温度场均匀性优化
湍流 k-ε 双方程模型的可靠性和实用性，是目前应
用最广泛的工程模型[4]。 因此用 k-ε 双方程湍流模
型描述加热炉内炉气流动过程，进而得到温度场的
分布情况是完全适用的。 鉴于炉膛热过程炉气流动
的实际情况，本文采用了该模型。
1.2 流场模型控制方程
加热炉燃烧过程是一个湍流燃烧过程，控制加
热炉燃烧过程的基本方程由以下方程组成。
究，得出了合理有效组织燃烧的烧嘴布置和偏移角度，为保证炉膛温度的均匀性、提高加热质量和优化炉型结构提供了
参考依据。 系统仿真和实际运行效果表明：炉膛内温度场的均匀性得到了很大提高，满足了钢坯高质量加热的需要。
关键词：加热炉；炉温均匀性；烧嘴；热流场；数值模拟
中图分类号：TF062 文献标识码：A
文章编号：1001- 6988（2011）01- 0009- 03
Study on Optimal Control of Furnace Temperature Uniformity
LIU Zeng-huan, WANG Li-zhen, HE Guang-xiang （College of Information and Electronic Engineering, Hebei University
5.3 m
1.3 m
1.3 m
1.35 m
3m 1.3 m 1.1 m
1.3 m
1.3 m
1.3 m 0.7 m
图 1 优化后烧嘴的分布情况图
如 图 1，该 台 车 式 加 热 炉 炉 长 为 5.3 m，宽 为 3 m，高为 3 m，所采用的烧嘴为脉冲式烧嘴，所有烧嘴 等间距分布。 下排烧嘴安装高度为距炉膛底部 0.6 m 处 ，距 炉 门 和 炉 尾 各 0.7 m，烧 嘴 间 的 距 离 为 1.3 m。 上排烧嘴与下排烧嘴垂直间距为 1.3 m，与下排 烧 嘴 交 错 布 置 ，距 炉 门 和 炉 尾 各 1.35 m，各 烧 嘴 间
10
相距 1.3 m。 根据本文 1.2 节的控制方程，借助于计算机，用
数值方法对加热炉热流场进行数值模拟。 模拟过程 中采用小步长试探法逐步改变烧嘴偏离水平方向的 角度，并不断观察模拟过程的数值结果和炉膛内流 体分布变化规律，逐渐优化烧嘴的偏移角度，直到实 现炉膛温度场的均匀分布。
具体步骤为：先优化上排烧嘴的角度，从水平方 向以 1°的步长逐步向上偏移， 探寻最佳偏移角度； 再优化下排烧嘴的角度，同样从水平方向以 1°的步 长逐步向上偏移逼近最佳控制状态；最终得到了炉 膛热流场和温度场的最佳分布，实现了加热过程燃 烧氛围的最优控制。 烧嘴偏移角度的优化不仅有利 于温度场分布的均匀性，而且可以避免烧嘴火焰直 烧钢坯，造成局部过热，这也是有利于提高钢坯加热 质量的。
9
第 332 卷第 13 期 实20验110研年究15： 加月 热 炉 炉 温 均 匀 性 优 化 控 制 研 究
工业炉
Industrial Furnace
Vol.332 No.13 MJaany. 20110
实际工程应用中取得了巨大的成就，给出了大批与
实验吻合的数值解，使越来越多的科技人员认识到
Key words: heating furnace; temperature uniformity; burner; thermal fluid field; numerical simulation
钢坯的加热质量直接关系到钢材产品的质量、 产量、能耗以及机械设备的寿命等，改善钢坯的加热 质量可以提高钢的塑性，降低热加工时的抗力，减少 燃料消耗和氧化损耗[1]。 炉膛温度场的均匀性是衡 量加热质量和保证钢坯加热均匀的一个重要因素。 脉冲式加热炉能够很好地提高能源的利用率和钢坯 加热质量，但炉膛温度场的均匀性仍有待进一步优 化。 合理的烧嘴布置和偏移角度，能够优化炉子热 交换过程，有效组织炉膛气流，大大提高炉膛温度场 的均匀性，改善加热质量。
1 加热炉热流场数值分析
1.1 热流场模型分析 加热炉依靠燃料燃烧后生成的气态燃烧产物的
流动过程把热量传给被加热的钢坯[2]。 以天然气为 燃料的加热炉燃烧过程与气体力学紧密相关， 加热 过程中的炉膛内炉气流动、 对流传热与燃烧过程几 乎全部是湍流过程， 湍流模型是加热炉热过程数学 模型的基础。
常见的湍流模型有：零方程模型、单方程模型和 双方程模型[3]。 其中，湍流流动的 k-ε 双方程模型在
连续方程：
鄣ρ/鄣t+鄣（ρuj）/鄣xj=0
(1)
动量方程：
鄣（ρuj）/鄣t+鄣（ρujui）/鄣xj=-鄣ρ/鄣xi+
鄣[μ（鄣uj /鄣xj-鄣ui /鄣xj）]/鄣xj
(2)
能量方程：
鄣（ρh）/鄣t+鄣（ρujh）/鄣xj=
鄣（Γh·鄣h/鄣xj）/鄣xj+S觶 h
(3)
组分方程：
鄣（ρωs）/鄣t+鄣（ρujωs）/鄣xj=
实际运行过程中，在炉膛前部、中部和尾部各取 一个测量点，用热电偶测取实际炉温值，均热段三处
参考文献： [1] 欧俭平,詹树华,马 爱 纯,等. 热 式 连 续 推 钢 加 热 炉 内 钢 坯 加 热 过