CSP均熱爐板坯爐內(nèi)加熱溫度變化規(guī)律數(shù)值模擬研究

陳 超 丁翠嬌 羅 巍 宋中華 陳 勝 楊 超

(武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院 湖北 武漢：430080)

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 模型建立

本文取鋼坯斷面為研究對(duì)象，建立二維模型，研究其溫度分布情況，簡(jiǎn)化后物理模型如圖1。

由于爐膛內(nèi)換熱機(jī)理復(fù)雜，為方便計(jì)算研究，進(jìn)行了如下假設(shè)：

(1)同一斷面爐氣溫度分布均勻；

(2)由于板坯在爐內(nèi)運(yùn)行速度快，爐輥絕熱性能良好，故忽略爐輥對(duì)板坯傳熱的影響；

(3)忽略氧化鐵皮對(duì)板坯傳熱的影響。

(4)忽略板坯長(zhǎng)度方向?qū)?，只考慮板坯厚度和寬度方向的傳熱。

因此，得到板坯在均熱爐內(nèi)傳熱的二維數(shù)學(xué)模型：

(1)

式(1)中，ρ為鋼坯的密度，kg/m3；c為鋼坯的質(zhì)量熱容，J/(kg·K)；λ為鋼坯導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；t為鋼坯的溫度，℃；τ為加熱時(shí)間，s。

清掃落葉，秋后翻耕土壤，以減少病源。落花后噴1次1：2：160倍的波爾多液，以后每隔上5天再噴1次，多雨年份可適當(dāng)加噴。甜櫻桃最好用0.2-0.3波美度石硫合劑噴殺。

對(duì)于鋼坯爐內(nèi)加熱過程，入爐溫度可認(rèn)為鋼坯斷面上各點(diǎn)溫度相同。

則初始條件為：

t(x,y)|τ=0=t0

(2)

邊界條件為鋼坯上表面：

(3)

鋼坯下表面：

(4)

鋼坯左側(cè)絕熱面：

(5)

鋼坯右側(cè)表面：

(6)

式(2)-式(6)中，qU，qL分別為鋼坯上下表面輻射熱流密度，J/(m2·s)；qs為鋼坯側(cè)面熱流密度，J/m2·s；C0為絕對(duì)黑體輻射系數(shù)，C0=5.675W/(m2·K4)；tg為爐氣溫度，℃；t為鋼坯表面溫度,℃；t0為鋼坯初始溫度，℃。

上下表面熱流密度按式(7)計(jì)算[5]。

(7)

(8)

式(7)-式(8)中，εz為體系的總黑度；hg為鋼坯表面對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；εq為爐氣黑度；εm為鋼坯黑度；Φm為爐壁對(duì)鋼坯表面的角系數(shù)。

1.2 離散求解

在建立數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，采用控制容積熱平衡法對(duì)控制方程進(jìn)行離散化，網(wǎng)格為均勻網(wǎng)格，并假定控制容積的界面上熱流密度是均勻的。

圖2為網(wǎng)格劃分示意圖，通過對(duì)控制方程進(jìn)行離散，將偏微分方程的計(jì)算轉(zhuǎn)化為各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度計(jì)算，從而將計(jì)算過程簡(jiǎn)化為計(jì)算機(jī)求解方程組，本文采用高斯—賽德爾(Gauss-Seidel)迭代法進(jìn)行求解計(jì)算。

圖2 鋼坯內(nèi)部及邊界節(jié)點(diǎn)控制容積

1.3 計(jì)算流程

通過對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散，編程求解代數(shù)方程組，從而獲得板坯溫度變化規(guī)律，計(jì)算流程見圖3。

圖3 計(jì)算流程圖

1.4 計(jì)算條件

薄板坯以一定的拉速進(jìn)入均熱爐，依次完成加熱、均熱和保溫過程，達(dá)到軋制溫度要求，出爐進(jìn)入連續(xù)軋制。加熱爐全長(zhǎng)260.7m，內(nèi)寬2m，高2.5m。加熱爐共有10個(gè)控制段，各段溫度及長(zhǎng)度見表1。計(jì)算所采用的板坯的尺寸及相應(yīng)加熱制度見表2，板坯平均導(dǎo)熱系數(shù)為38.9W/m℃，密度為7850kg/m3,比熱平均值為504J/kg℃。

2 結(jié)果與討論

通過計(jì)算獲得鋼坯在爐內(nèi)的溫度變化曲線，見圖4；板坯出加熱段及出爐時(shí)內(nèi)部的溫度分布見圖5。

表1 加熱爐控制段

表2 板坯尺寸及加熱制度

圖4 鋼坯在爐溫度曲線

圖5 板坯溫度場(chǎng)

圖4(a)所示為板坯表面溫度與中心溫度及斷面溫差的變化曲線，圖4(b)為角點(diǎn)與中心溫度及溫差變化曲線。板坯在加熱段爐溫高于板坯溫度，板坯表面與爐氣進(jìn)行輻射和對(duì)流換熱，溫度迅速升高，將熱量向中心傳遞。由于角點(diǎn)既受上表面爐氣的傳熱，又受側(cè)面爐氣傳熱，因此角點(diǎn)處的溫升速度最快，溫度最高，與板坯中心的溫差也最大。進(jìn)入均熱段后，爐溫較加熱段稍有減低，此時(shí)板坯的溫度與爐溫接近，因此鋼坯表面與爐氣之間的換熱相對(duì)較弱，傳熱主要發(fā)生在板坯內(nèi)部，使溫度逐漸趨于均勻，溫差明顯降低。而擺動(dòng)段和公共段的爐溫較均熱段爐溫要低，此時(shí)鋼坯要向外傳熱，導(dǎo)致了板坯在該階段至出爐時(shí)中心溫度略高于表面及角點(diǎn)溫度，但仍滿足板坯加熱均勻性質(zhì)量要求。

圖5(a)中給出了板坯經(jīng)加熱段加熱后的斷面溫度分布情況，圖5(b)為板坯出爐時(shí)內(nèi)部溫度分布。由圖5可見，與上述分析相符，角點(diǎn)溫度最高。板坯經(jīng)加熱段后寬度方向溫度梯度較大，即內(nèi)部溫度分布尚不均勻；而從均熱出爐后的斷面溫度場(chǎng)可以看出，沿板坯寬度方向溫度梯度已顯著減小，內(nèi)部溫度分布均勻，表面與中心溫度也非常接近，滿足加熱質(zhì)量要求。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)CSP輥底式均熱爐內(nèi)傳熱的分析，建立了CSP輥底式均熱爐內(nèi)板坯加熱過程的二維數(shù)學(xué)模型。通過模擬計(jì)算獲得鋼坯在爐內(nèi)的溫度變化規(guī)律，板坯在加熱段時(shí)，溫度迅速上升，并且溫差較大，角點(diǎn)溫升最快，溫度最高；經(jīng)均熱后至出爐，板坯內(nèi)部溫度分布逐漸趨于均勻，溫差滿足加熱質(zhì)量要求。

[1] 楊占春，武文斐，李義科，等.薄板坯連鑄連軋輥底加熱爐內(nèi)傳熱過程的數(shù)學(xué)模型[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào),2006，18(3):6-9.

[2] 王紅瑞.連鑄連軋輥底式加熱爐薄板坯的溫度場(chǎng)計(jì)算[J].熱能工程,2001,(6):6-9.

[3] 武文斐,張欣欣.直通式輥底加熱爐傳熱數(shù)學(xué)模型研究[J].工業(yè)爐,2006,28(3):1-4.

[4] 王俊升,牛鈺，溫治，等.輥底式連續(xù)熱處理爐鋼坯二維傳熱過程數(shù)學(xué)模型的研究[J].2005,34(1):14-18.

[5] 陳超,丁翠嬌，宋中華，等.鋼坯爐內(nèi)加熱過程數(shù)值模擬[J].工業(yè)加熱,38(5):27-29.