步进式加热炉板坯温度场数值模拟

小水

通过建模, 求解计算得出钢坯的温度分布已成为加热炉工艺改
进优化的主要手段。陈海耿针对推钢式加热炉建立了一维数学模型, 用有限差分法求解钢坯温度场[ 2] ;
沈丙振对钢坯加热过程的三维温度场进行了数值模拟, 并通过现场拖偶实验对模拟结果进行了验证[ 3] ;
青格勒等建立了三段步进梁式加热炉内加热的板坯物理模型和数学模型, 并编制了计算软件[ 4] 。
本文以某钢厂步进式加热炉为研究对象, 建立了板坯加热过程二维数学模型, 分段计算, 将上一段
加热终了温度作为下一加热过程的初始温度, 根据加热工艺计算不同加热段边界条件, 用数值方法对传
热方程进行离散, 编程求解加热炉内钢坯在不同加热段的温度场, 分析加热过程中的钢坯表面与中心的
温差, 以了解加热过程, 为加热工艺优化提供参考数据。
1  研究对象
1 1  加热炉概况
某轧钢厂步进梁式板坯加热炉, 年产量200 万吨, 设计小时能力260 t/ h。燃料为高炉、焦炉、转炉
混合煤气, 发热量为1 800  4 18 kJ/ ( N 淜3 ) , 炉前煤气压力10 kPa, 加热炉预热段长度8 81 m, 加热
段长度8 81 m, 均热段长度7 75 m, 炉子宽度17 43 m, 炉子内宽度16 50 m, 炉子有效长度23 61 m,
炉子全长24 66 m。
1 2  加热钢种及要求
表1  常见钢种的板坯加热制度,
Tab. 1  Reheat ing system o f common st eel,
板坯出
炉温度
均热段温度
上下
加热段温度
上下
预热段温度
上下
1 150 1 250 1 230 1 280 1 250 1 000 1 000
1 250 1 340 1 320 1 350 1 320 1 150 1 150
加热板坯规格为0 135 m  1 123 m  15 m,
钢种为低碳钢( w ( C)  0 25% ) , 加热制度见表
1。加热温度: 装炉温度930  , 出炉温度1 150~
1 250   30  ; 温度均匀性: 出炉钢坯全长上温
差、断面上温差 30  。
收稿日期: 20101120。
作者简介: 冯亮花( 1974- ) , 女, 山西忻州人, 讲师。
2  数学模型
  加热炉内板坯尺寸15 m  1 123 m  0 135 m。将钢坯沿加热炉纵向取截面, 即只考虑钢坯温度
随宽度和厚度方向的变化。由于板坯导热的对称性, 取1/ 4 断面为研究对象。钢坯入炉温度为930  ,
在炉内经预热段、加热段和均热段, 加热至预定温度从出口出钢, 炉内停留时间为60 min 。
2 1  基本假设
板坯在炉内加热过程是一个复杂的物理化学过程, 与许多影响板坯加热质量和加热速度的因素有
关。主要有: 炉膛尺寸、炉墙的热特性、板坯尺寸、板坯的热物性参数、燃料的种类及供热量、炉气的热特
性、炉气的运动、板坯的运动等。本文对加热炉内板坯温度场建模时, 假设: ( 1) 钢坯没有内热源; ( 2)
同一时刻钢坯各节点的热物性参数相同; ( 3) 不考虑钢坯传热的端部效应; ( 4) 所研究截面传热是对称
的; ( 5) 钢坯与辊道的接触传热不计; ( 6) 忽略钢坯表面氧化对传热的影响; ( 7) 炉墙热特性和炉气黑度
不随时间和温度变化; ( 8) 不考虑步进梁与板坯之间的传热, 认为板坯周围全是炉气; ( 9) 板坯与炉气
的对流、辐射传热视为与无限大环境的传热。
2 2  控制方程
本文研究的是钢坯二维断面上的温度分布, 根据单元体的能量平衡原理, 基于以上假设建立的控
制微分方程为[ 5] : 设厚为dx , 宽为dy , 按照传热学理论来建立微分方程为

式中: 为钢坯的导热系数, 碳钢处于炉温条件下的平均导热系数= 28 5 W/ ( m   ) ; CP 为钢坯的
比热, CP= 465 J / ( kg  K) ; T 为钢坯的温度,  ; 为钢坯的密度, = 7 84  103 kg/ m3 ; x 和y 为钢坯
宽度和厚度方向的坐标。
2 3  初始条件
对板坯加热, 入炉温度可视为初始温度。即板坯断面初始温度, 预热段出口温度为加热段初始温
度, 加热段出口温度为均热段初始温度。预热段: T ( x , y ) | t= 0 = 930  ; 加热段: T ( x , y ) | t= 0 = T( 预热
段加热终了温度) ; 均热段: T( x , y ) | t= 0= T ( 加热段加热终了温度) 。
2 4  边界条件
( 1) 板坯中心对称面

=  ( T g - T sy )
式中:  为炉气与板坯的综合换热系数; T g 为炉气温度; T sy 为板坯上下表面温度; T sx 为板坯侧面表面
温度。
2. 5  不同加热段综合换热系数计算
在加热过程中, 板坯外表面与炉气接触, 通过对流和辐射进行热交换。钢坯的上表面、下表面受到
炉气对它的对流和辐射传热。加热炉中温度一般高达1 000  以上, 辐射传热量占总传热量的90% 以
上, 热流密度计算式