步进式加热炉异形钢坯加热间距研究与应用

高海军 冯文义 李 岩

(莱钢集团宽厚板厂，山东 莱芜 271104)

0 前言

加热炉作为轧钢行业的重点耗能设备，钢坯加热能耗占总能耗的60% ～70%，加热炉的节能研究具有较为重要的实际意义。目前，步进式加热炉是最为广泛应用的加热炉型，具有加热质量好、氧化烧损少、钢温均匀、无划伤等优点，现有的加热炉优化研究工作主要集中在余热回收、汽化冷却、燃烧技术及热工制度方面，对钢坯布料间距关注较少。加热钢坯间距的大小影响着加热炉的生产率及热效率，在实验的基础上，舒佩在测量试验观察基础上提出最佳间距在0.3～0.7倍坯厚之间，范围太宽，不利于指导生产。坯料间距较大时，钢坯受热面加大，吸热性强，能够快速加热，热效率较高，但此时炉内钢坯量较少，生产率受到影响，从而使炉子总的热效率降低，钢坯间距较小时，炉内钢坯数量增加，但每支钢坯吸热受到影响，从而影响炉子的热效率。因此，可通过对加热炉热量吸收效率分析，并对其求极值的方法，来确定钢坯的最佳间距，此方法简单实用，便于指导步进式加热炉炉内布料[1-4]。

1 步进式加热炉概述

某厂轧钢加热炉为三段步进式加热炉，引进法国斯坦因技术，具有较高的自动化水平，该炉长35.6m，炉宽14.4m，均热段与加热段高4.2m，预热段高2.9m，产量240t/h(冷坯)，所用燃料为高焦混合煤气，热值为7500KJ/m3，共分为14个加热区，28个烧嘴，空气预热至400℃，煤气无预热，加热的坯料为异形钢坯，共分三种规格，BB1、BB2、BB3，坯料尺寸分别为：BB1：550*440*90(mm);BB2：750*370*90(mm);BB3：1024*390*90(mm)。最大允许入炉钢坯长度13.6m，图1为BB1钢坯横截面尺寸。

图1 B B1钢坯尺寸图

2 步进式加热炉数学模型

2.1 主要假定条件

1)加热炉内加热状态处于稳态，炉温不随时间变化，认为炉膛内介质温度在所分区段内是均匀一致的。2)异形钢坯横截面几何图形简化为如图2。3)炉内每支钢坯在同一位置受热条件完全相同。4)忽略钢坯间的热交换。

图2 异形坯在炉钢坯间距示意图

2.2 数学模型的建立

加热炉中每支钢坯单位时间的所受热流密度qi为，

式中

σ——史提芬-波尔兹曼常量

φCG——总括热吸收率

如图 2，设定异形钢坯的尺寸分别为 a、b、c、d、S，每支异形钢坯有效受热面积F为

则单位时间内炉内每支钢坯获得的热量为Qi

设加热炉有效长度为L，钢坯间距为x，炉内钢坯总数量N为

单位时间内炉内钢坯所获得的总热量为

由图2可知，式(2)与式(3)中cosα与cosβ分别为cosα=将其与式(3)、

式(4)带入式(5)中，可得，

由于式(6)中 a、b、c、d、S 都为常量，由假定条件知，热流密度qi也为定值，所以单位时间内炉内钢坯获得的总热量与加热间距 x 有关。[3]

3 计算结果分析

异形钢坯间距由前人研究可在0.3～0.7倍坯厚之间，某厂异形坯加热炉控制间隙为0.12m。分别选择三种规格异形钢坯，命x值在0.08m至0.2m之间，以长度为10m钢坯为例，得单位时间炉内钢坯获得总热量见表1(表中数值为热流密度qi的倍数)。

表1 不同间距在炉钢坯单位时间获得总热量

图3 不同间距各规格异形钢坯吸热功率曲线

利用计算机辅助得到此区间内的吸热功率曲线图如图3，可知，在此区间内钢坯吸热功率有极大值产生，对应的钢坯间距为最佳间距，由曲线图可得，BB1钢坯的最优间距为142.0mm，BB2钢坯最优间距为126.48mm，BB3钢坯最优间距为136.39mm。

4 结论

本文仅从钢坯吸热功率上研究钢坯的最优间距，莱钢型钢厂大型线加热炉异形坯加热间距为120mm，与本文基本相符。由于加热炉炉内温度场较为复杂，异形钢坯受热不规律，难以确定最佳的钢坯间距，此方法简单使用，可作为制定异形钢坯炉内布料制度的参考依据。

[1]李国军、刘筱婷等.步进式加热炉内布料间距的优化研究.东北大学学报.2012.33(3)：389-391.

[2]张富等.步进梁式板坯加热炉内流场和温度场的数值模拟.工业炉.2009.9(5)：5-7.

[3]徐春柏、李曙光等.步进式炉钢坯最佳间距计算方法.1988.5：20-22.