燃料配比與鋼坯運動軌跡對鋼坯加熱的影響

果晶晶，陳 健

（1.邢臺職業(yè)技術學院資源與環(huán)境工程系，河北 邢臺 054035；2.中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司，河北 邢臺 054025）

為實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，在“節(jié)能減排，鋼鐵產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整，淘汰落后產(chǎn)能”政策的引導下，多數(shù)先進鋼廠開始向清潔環(huán)保、低能耗、高附加值產(chǎn)品的方向發(fā)展[1]。加熱爐是鋼鐵行業(yè)的重要熱工設備之一，能耗很高，約占整個鋼鐵行業(yè)總能耗的20%左右。因此加熱爐優(yōu)化節(jié)能是鋼鐵行業(yè)節(jié)能的重點方向。提高加熱爐的加熱效率，進而實現(xiàn)加熱爐節(jié)能的關鍵是對爐內(nèi)氣流的速度分布、溫度分布進行細致研究分析，對加熱爐爐膛內(nèi)熱工過程加以研究解決。

由于加熱爐是一個高溫封閉的系統(tǒng)，燃料、爐氣、鋼坯等都在不斷的運動且是不斷變化的，其內(nèi)部氣體流動、燃燒、傳熱、傳質等過程非常復雜，受很多因素的影響，目前現(xiàn)場操作缺乏足夠的理論指導，很容易造成盲目和不必要的能源浪費。陳永等[2]運用拖偶法測量重軌鋼坯在加熱爐內(nèi)的升溫曲線，并分析燃料消耗、爐溫與加熱時間對鋼坯溫度的影響。許望炎等[3]對加熱鋼坯進行埋偶試驗，獲得加熱爐內(nèi)部的實際爐氣溫度，并以此為邊界條件建立鋼坯在加熱爐內(nèi)的溫度場模型，分析鋼坯在步進式加熱爐內(nèi)的溫度場變化情況。Kim等[4]人在考慮湍流和輻射的條件下研究了鋼坯在加熱爐內(nèi)的穩(wěn)態(tài)傳熱過程。王子松等[5]建立鋼坯、梁及爐氣流動的三維鋼坯加熱模型，分別從不同的空氣系數(shù)和流量兩方面來分析爐內(nèi)的燃燒與流動特性。張彪等[6]采用計算機對加熱爐燃燒控制系統(tǒng)進行在線智能節(jié)能管控，工作參數(shù)的在線自動調(diào)整，以監(jiān)測、控制加熱爐鋼坯表面溫度分布。程健等[7]在研究步進梁系統(tǒng)結構特點及工作原理的基礎上，建立了電液比例方向閥和液壓缸的數(shù)學模型。

目前的研究多數(shù)是有關鋼坯加熱過程與自動控制的，但對爐膛內(nèi)爐氣的流動、爐氣與鋼坯之間的傳熱過程進行全面的理論研究較少。主要表現(xiàn)在：大多采用智能模擬的方法，將加熱爐看作一個“黑箱”，不分析其內(nèi)部的反應機理，而只研究輸入端即工藝參數(shù)的對于輸出端鋼坯加熱質量的影響；因加熱爐的高溫封閉性，對加熱爐內(nèi)流動、傳熱的研究非常有限。大多數(shù)研究主要面對爐內(nèi)輻射換熱與鋼坯加熱，而對于鋼坯運動軌跡同爐膛溫度分布的合理匹配方案涉及較少。本研究以加熱爐內(nèi)爐氣與鋼坯的熱量交換為研究對象，建立不同燃料配比情況下爐氣在爐內(nèi)傳熱過程以及鋼坯加熱過程的數(shù)學模型；并探討步進式加熱爐內(nèi)鋼坯運動軌跡同爐膛溫度分布的合理匹配方案，從而為合理地組織燃料燃燒，加熱爐實現(xiàn)節(jié)能降耗起到指導作用。

1 爐氣與鋼坯熱交換模型的建立

1.1 模型的建立

本研究以步進式連續(xù)加熱爐為主要分析對象。該加熱爐有效長度L0=23.52 m，將加熱爐沿鋼坯運動方向分成三段：第一加熱段長度L1=8.10 m、第二加熱段L2=9.05 m和均熱段L3=6.73 m。爐膛在高度方向上分為上爐膛和下爐膛，其上爐膛高度H1=1.40 m，下爐膛高度H2=2.10 m，爐膛寬W=7.30 m。其加熱爐結構示意圖1。

圖1 加熱爐結構示意圖（mm）

步進式加熱爐內(nèi)鋼坯的加熱模型采用運動坐標系的二維切片法，即從加熱爐的爐尾至爐頭方向，按時間步長截取斷面，建立二維非穩(wěn)態(tài)模型，具體數(shù)學模型如圖2所示。加熱爐采用端進端出的裝出料方式，且鋼坯在爐內(nèi)采用兩排布置，實施雙面加熱。模擬5種混合燃料對尺寸為0.165 m×0.165 m×2.8 m的20號鋼坯的加熱過程，鋼坯入爐時為常溫20℃。

1.2 定解條件

1.2.1 初始條件

鋼坯初始溫度為293 K。

1.2.2 邊界條件

圖2 步進式加熱爐加熱鋼坯的數(shù)學模型

高溫爐氣鼓入加熱爐的初始溫度按照燃料的燃燒反應計算出理論燃燒溫度，再乘以爐溫系數(shù)，得到實際進入爐膛的爐氣溫度，即：

式中：假定n=0.7。

采用高爐、焦爐混合煤氣對鋼坯進行加熱，高爐煤氣和焦爐煤氣的成分見表1；按照煤氣、空氣被預熱到450℃進行混合燃料燃燒的計算過程，可以分別計算出5種不同燃料配比下爐氣的實際理論燃燒溫度，具體見表2，將其作為燒嘴速度進口邊界條件中要設定的進口溫度值；出口為自由出流動邊界條件。

表1 高爐煤氣和焦爐煤氣濕成分 %

表2 不同燃料配比下爐氣的實際理論燃燒溫度

給定壁面一恒定熱流[8]，取qn=-5 000 W/m2。

考慮到輻射問題，結合加熱爐特點，選擇DO輻射模型，并依據(jù)經(jīng)驗取鋼坯的黑度為0.8，爐墻的黑度為0.85。

爐氣在加熱爐內(nèi)的運動為湍流，故附加湍流模型。

2 模擬結果與分析

2.1 不同燃料配比對步進式加熱爐爐膛熱量交換的影響

在爐內(nèi)鋼坯水平前進位移為200 mm的條件下，分析5種不同燃料配比對步進式加熱爐爐膛熱量交換的影響，如圖3所示。為了方便描述爐膛熱量交換過程，將采用混合燃料x對鋼坯加熱，鋼坯在爐內(nèi)前進的水平位移y，簡化表示為x-y。

圖3 不同燃料配比下加熱爐爐膛內(nèi)部溫度場分布情況

由圖3不同燃料配比下加熱爐爐膛內(nèi)的溫度場分布情況可知，爐膛內(nèi)部的溫度場分布趨勢大體相同；隨著高爐煤氣中焦爐煤氣比例的增加，爐膛內(nèi)的爐氣的溫度提高，與鋼坯之間的熱量交換增強，故而鋼坯的加熱溫度有所提高。

圖4 為不同燃料配比下爐內(nèi)鋼坯的平均溫度變化曲線。

圖4 不同燃料配比下爐內(nèi)鋼坯的平均溫度變化曲線

由圖4可以看出，隨著鋼坯在加熱爐內(nèi)停留時間的延長，鋼坯的平均溫度逐漸升高；在高爐煤氣中焦爐煤氣的比例由0增加至5%，鋼坯的平均溫度增加，當繼續(xù)增加焦爐煤氣的比例至7.5%，鋼坯的平均溫度在加熱后期比含焦爐煤氣為5%的混合燃料4略低。

為了更好地研究步進式加熱爐內(nèi)爐氣與鋼坯之間的換熱效果，本研究引入鋼坯換熱效率來進行評價。

鋼坯換熱效率：

式中：Ts，average為兩塊鋼坯在加熱過程中的某一時刻的平均溫度，K；Tgas為混合燃料的實際理論燃燒溫度，K。

圖5 為不同燃料配比下爐內(nèi)鋼坯換熱效率變化曲線。

圖5 不同燃料配比下爐內(nèi)鋼坯換熱效率變化曲線

由圖5可以看出，隨著鋼坯在加熱爐內(nèi)停留時間的延長，鋼坯不斷吸收爐氣中的熱量，鋼坯的換熱效率增加；隨著高爐煤氣中焦爐煤氣比例的增加，鋼坯的換熱效率略有降低，混合燃料5的熱效率相對較低。

2.2 鋼坯運動軌跡對加熱爐爐膛熱量交換的影響

采用混合燃料3對鋼坯進行加熱，鋼坯在爐內(nèi)的水平前進位移分別取160 mm、200 mm、300 mm，所模擬的爐膛內(nèi)熱量交換結果如圖6所示。

圖6 三種鋼坯運動軌跡下加熱爐爐膛溫度場分布云圖

三種鋼坯運動軌跡下加熱爐爐膛溫度場的溫度分布云圖如圖6所示。

由圖6可以看出，爐氣在加熱爐內(nèi)的分布情況大體相同。當鋼坯在爐內(nèi)前進的水平位移由160 mm、200 mm增至300 mm，使得鋼坯在加熱爐內(nèi)的停留時間越來越短，鋼坯與爐氣之間的熱量交換時間隨之減少，故而鋼坯隨鋼坯水平前進位移的增加，加熱出的鋼坯溫度降低。

圖7 為三種鋼坯運動軌跡下爐內(nèi)鋼坯的平均溫度變化曲線。

由圖7可以看出，同一燃料配比下，隨著鋼坯在爐內(nèi)水平前進位移的增加，鋼坯出爐時的平均溫度降低；在鋼坯的水平前進位移為160 mm時，隨著高爐煤氣中焦爐煤氣比例的增加，鋼坯出爐時的平均溫度是逐漸增加的，而且增加幅度比較大；在鋼坯的水平前進位移分別為200 mm、300 mm時，隨著高爐煤氣中焦爐煤氣比例由0增加至5%的混合燃料4，鋼坯的出爐溫度是一直增加的；而隨著焦爐煤氣的比例繼續(xù)增加到7.5%，鋼坯的出爐溫度有所下降。相應的鋼坯的換熱效率變化趨勢與上述相同，如圖8所示。

圖8 三種鋼坯運動軌跡下鋼坯換熱效率變化曲線

3 結論

1）在爐內(nèi)鋼坯水平前進位移為200 mm的條件下，不同燃料配比下的爐內(nèi)溫度場分布趨勢大體相同；隨著高爐煤氣中焦爐煤氣比例的增加，鋼坯加熱溫度有所提高；在高爐煤氣中焦爐煤氣的比例由0增加至5%，鋼坯的平均溫度增加，當繼續(xù)增加焦爐煤氣的比例至7.5%，鋼坯的平均溫度在加熱后期比含焦爐煤氣為5%的混合燃料4略低。

2）在爐內(nèi)鋼坯水平前進位移為200 mm的條件下，隨著鋼坯在加熱爐內(nèi)停留時間的延長，鋼坯的換熱效率增加；隨著高爐煤氣中焦爐煤氣比例的增加，鋼坯的換熱效率略有降低，混合燃料5的熱效率相對較低。

3）采用混合燃料3對鋼坯進行加熱，當鋼坯在爐內(nèi)前進的水平位移由160 mm、200 mm增至300 mm，出口鋼坯溫度降低。

4）采用混合燃料3對鋼坯進行加熱，同一燃料配比下，隨著鋼坯在爐內(nèi)水平前進位移的增加，鋼坯出爐時的平均溫度降低；在鋼坯的水平前進位移為160 mm時，隨著高爐煤氣中焦爐煤氣比例的增加，鋼坯出爐時的平均溫度大幅增加；在鋼坯的水平前進位移分別為200 mm、300 mm時，隨著高爐煤氣中焦爐煤氣比例由0增加至5%的混合燃料4，鋼坯的出爐溫度是一直增加的；而隨著焦爐煤氣的比例繼續(xù)增加到7.5%，鋼坯的出爐溫度有所下降。相應的鋼坯的換熱效率變化趨勢與上述相同。

本研究通過數(shù)學模型計算5種不同燃料配比情況下的加熱爐爐氣與鋼坯換熱之間的關系，得出鋼坯燃料配比與鋼坯加熱的平均溫度、換熱效率之間的變化關系，為后續(xù)實際生產(chǎn)合理地組織燃燒，加熱爐節(jié)能，奠定了理論基礎。并在同一燃料配比下，研究鋼坯的運動軌跡同爐膛溫度分布的合理匹配方案，得出鋼坯水平前進位移同鋼坯出爐時的平均溫度、鋼坯的換熱效率的關系，對加熱爐節(jié)能降耗及優(yōu)化設計有較強的指導作用。