CSP均热炉板坯炉内加热温度变化规律数值模拟研究

2014-06-27丁翠娇宋中华

武汉工程职业技术学院学报 2014年2期

关键词：炉气炉温钢坯

陈超丁翠娇罗巍宋中华陈胜杨超

(武汉钢铁(集团)公司研究院湖北武汉：430080)

1 数学模型

1.1 模型建立

本文取钢坯断面为研究对象，建立二维模型，研究其温度分布情况，简化后物理模型如图1。

由于炉膛内换热机理复杂，为方便计算研究，进行了如下假设：

(1)同一断面炉气温度分布均匀；

(2)由于板坯在炉内运行速度快，炉辊绝热性能良好，故忽略炉辊对板坯传热的影响；

(3)忽略氧化铁皮对板坯传热的影响。

(4)忽略板坯长度方向导热，只考虑板坯厚度和宽度方向的传热。

因此，得到板坯在均热炉内传热的二维数学模型：

(1)

式(1)中，ρ为钢坯的密度，kg/m3；c为钢坯的质量热容，J/(kg·K)；λ为钢坯导热系数，W/(m·K)；t为钢坯的温度，℃；τ为加热时间，s。

清扫落叶，秋后翻耕土壤，以减少病源。落花后喷1次1：2：160倍的波尔多液，以后每隔上5天再喷1次，多雨年份可适当加喷。甜樱桃最好用0.2-0.3波美度石硫合剂喷杀。

对于钢坯炉内加热过程，入炉温度可认为钢坯断面上各点温度相同。

则初始条件为：

t(x,y)|τ=0=t0

(2)

边界条件为钢坯上表面：

(3)

钢坯下表面：

(4)

钢坯左侧绝热面：

(5)

钢坯右侧表面：

(6)

式(2)-式(6)中，qU，qL分别为钢坯上下表面辐射热流密度，J/(m2·s)；qs为钢坯侧面热流密度，J/m2·s；C0为绝对黑体辐射系数，C0=5.675W/(m2·K4)；tg为炉气温度，℃；t为钢坯表面温度,℃；t0为钢坯初始温度，℃。

上下表面热流密度按式(7)计算[5]。

(7)

(8)

式(7)-式(8)中，εz为体系的总黑度；hg为钢坯表面对流换热系数，W/(m2·K)；εq为炉气黑度；εm为钢坯黑度；Φm为炉壁对钢坯表面的角系数。

1.2 离散求解

在建立数学模型的基础上，采用控制容积热平衡法对控制方程进行离散化，网格为均匀网格，并假定控制容积的界面上热流密度是均匀的。

图2为网格划分示意图，通过对控制方程进行离散，将偏微分方程的计算转化为各个节点的温度计算，从而将计算过程简化为计算机求解方程组，本文采用高斯—赛德尔(Gauss-Seidel)迭代法进行求解计算。

图2 钢坯内部及边界节点控制容积

1.3 计算流程

通过对数学模型进行离散，编程求解代数方程组，从而获得板坯温度变化规律，计算流程见图3。

图3 计算流程图

1.4 计算条件

薄板坯以一定的拉速进入均热炉，依次完成加热、均热和保温过程，达到轧制温度要求，出炉进入连续轧制。加热炉全长260.7m，内宽2m，高2.5m。加热炉共有10个控制段，各段温度及长度见表1。计算所采用的板坯的尺寸及相应加热制度见表2，板坯平均导热系数为38.9W/m℃，密度为7850kg/m3,比热平均值为504J/kg℃。

2 结果与讨论

通过计算获得钢坯在炉内的温度变化曲线，见图4；板坯出加热段及出炉时内部的温度分布见图5。

表1 加热炉控制段

表2 板坯尺寸及加热制度

图4 钢坯在炉温度曲线

图5 板坯温度场

图4(a)所示为板坯表面温度与中心温度及断面温差的变化曲线，图4(b)为角点与中心温度及温差变化曲线。板坯在加热段炉温高于板坯温度，板坯表面与炉气进行辐射和对流换热，温度迅速升高，将热量向中心传递。由于角点既受上表面炉气的传热，又受侧面炉气传热，因此角点处的温升速度最快，温度最高，与板坯中心的温差也最大。进入均热段后，炉温较加热段稍有减低，此时板坯的温度与炉温接近，因此钢坯表面与炉气之间的换热相对较弱，传热主要发生在板坯内部，使温度逐渐趋于均匀，温差明显降低。而摆动段和公共段的炉温较均热段炉温要低，此时钢坯要向外传热，导致了板坯在该阶段至出炉时中心温度略高于表面及角点温度，但仍满足板坯加热均匀性质量要求。

图5(a)中给出了板坯经加热段加热后的断面温度分布情况，图5(b)为板坯出炉时内部温度分布。由图5可见，与上述分析相符，角点温度最高。板坯经加热段后宽度方向温度梯度较大，即内部温度分布尚不均匀；而从均热出炉后的断面温度场可以看出，沿板坯宽度方向温度梯度已显著减小，内部温度分布均匀，表面与中心温度也非常接近，满足加热质量要求。