燃料配比与钢坯运动轨迹对钢坯加热的影响

果晶晶，陈 健

（1.邢台职业技术学院资源与环境工程系，河北 邢台 054035；2.中钢集团邢台机械轧辊有限公司，河北 邢台 054025）

为实现钢铁行业的可持续发展，在“节能减排，钢铁产业结构调整，淘汰落后产能”政策的引导下，多数先进钢厂开始向清洁环保、低能耗、高附加值产品的方向发展[1]。加热炉是钢铁行业的重要热工设备之一，能耗很高，约占整个钢铁行业总能耗的20%左右。因此加热炉优化节能是钢铁行业节能的重点方向。提高加热炉的加热效率，进而实现加热炉节能的关键是对炉内气流的速度分布、温度分布进行细致研究分析，对加热炉炉膛内热工过程加以研究解决。

由于加热炉是一个高温封闭的系统，燃料、炉气、钢坯等都在不断的运动且是不断变化的，其内部气体流动、燃烧、传热、传质等过程非常复杂，受很多因素的影响，目前现场操作缺乏足够的理论指导，很容易造成盲目和不必要的能源浪费。陈永等[2]运用拖偶法测量重轨钢坯在加热炉内的升温曲线，并分析燃料消耗、炉温与加热时间对钢坯温度的影响。许望炎等[3]对加热钢坯进行埋偶试验，获得加热炉内部的实际炉气温度，并以此为边界条件建立钢坯在加热炉内的温度场模型，分析钢坯在步进式加热炉内的温度场变化情况。Kim等[4]人在考虑湍流和辐射的条件下研究了钢坯在加热炉内的稳态传热过程。王子松等[5]建立钢坯、梁及炉气流动的三维钢坯加热模型，分别从不同的空气系数和流量两方面来分析炉内的燃烧与流动特性。张彪等[6]采用计算机对加热炉燃烧控制系统进行在线智能节能管控，工作参数的在线自动调整，以监测、控制加热炉钢坯表面温度分布。程健等[7]在研究步进梁系统结构特点及工作原理的基础上，建立了电液比例方向阀和液压缸的数学模型。

目前的研究多数是有关钢坯加热过程与自动控制的，但对炉膛内炉气的流动、炉气与钢坯之间的传热过程进行全面的理论研究较少。主要表现在：大多采用智能模拟的方法，将加热炉看作一个“黑箱”，不分析其内部的反应机理，而只研究输入端即工艺参数的对于输出端钢坯加热质量的影响；因加热炉的高温封闭性，对加热炉内流动、传热的研究非常有限。大多数研究主要面对炉内辐射换热与钢坯加热，而对于钢坯运动轨迹同炉膛温度分布的合理匹配方案涉及较少。本研究以加热炉内炉气与钢坯的热量交换为研究对象，建立不同燃料配比情况下炉气在炉内传热过程以及钢坯加热过程的数学模型；并探讨步进式加热炉内钢坯运动轨迹同炉膛温度分布的合理匹配方案，从而为合理地组织燃料燃烧，加热炉实现节能降耗起到指导作用。

1 炉气与钢坯热交换模型的建立

1.1 模型的建立

本研究以步进式连续加热炉为主要分析对象。该加热炉有效长度L0=23.52 m，将加热炉沿钢坯运动方向分成三段：第一加热段长度L1=8.10 m、第二加热段L2=9.05 m和均热段L3=6.73 m。炉膛在高度方向上分为上炉膛和下炉膛，其上炉膛高度H1=1.40 m，下炉膛高度H2=2.10 m，炉膛宽W=7.30 m。其加热炉结构示意图1。

图1 加热炉结构示意图（mm）

步进式加热炉内钢坯的加热模型采用运动坐标系的二维切片法，即从加热炉的炉尾至炉头方向，按时间步长截取断面，建立二维非稳态模型，具体数学模型如图2所示。加热炉采用端进端出的装出料方式，且钢坯在炉内采用两排布置，实施双面加热。模拟5种混合燃料对尺寸为0.165 m×0.165 m×2.8 m的20号钢坯的加热过程，钢坯入炉时为常温20℃。

1.2 定解条件

1.2.1 初始条件

钢坯初始温度为293 K。

1.2.2 边界条件

图2 步进式加热炉加热钢坯的数学模型

高温炉气鼓入加热炉的初始温度按照燃料的燃烧反应计算出理论燃烧温度，再乘以炉温系数，得到实际进入炉膛的炉气温度，即：

式中：假定n=0.7。

采用高炉、焦炉混合煤气对钢坯进行加热，高炉煤气和焦炉煤气的成分见表1；按照煤气、空气被预热到450℃进行混合燃料燃烧的计算过程，可以分别计算出5种不同燃料配比下炉气的实际理论燃烧温度，具体见表2，将其作为烧嘴速度进口边界条件中要设定的进口温度值；出口为自由出流动边界条件。

表1 高炉煤气和焦炉煤气湿成分 %

表2 不同燃料配比下炉气的实际理论燃烧温度

给定壁面一恒定热流[8]，取qn=-5 000 W/m2。

考虑到辐射问题，结合加热炉特点，选择DO辐射模型，并依据经验取钢坯的黑度为0.8，炉墙的黑度为0.85。

炉气在加热炉内的运动为湍流，故附加湍流模型。

2 模拟结果与分析

2.1 不同燃料配比对步进式加热炉炉膛热量交换的影响

在炉内钢坯水平前进位移为200 mm的条件下，分析5种不同燃料配比对步进式加热炉炉膛热量交换的影响，如图3所示。为了方便描述炉膛热量交换过程，将采用混合燃料x对钢坯加热，钢坯在炉内前进的水平位移y，简化表示为x-y。

图3 不同燃料配比下加热炉炉膛内部温度场分布情况

由图3不同燃料配比下加热炉炉膛内的温度场分布情况可知，炉膛内部的温度场分布趋势大体相同；随着高炉煤气中焦炉煤气比例的增加，炉膛内的炉气的温度提高，与钢坯之间的热量交换增强，故而钢坯的加热温度有所提高。

图4 为不同燃料配比下炉内钢坯的平均温度变化曲线。

图4 不同燃料配比下炉内钢坯的平均温度变化曲线

由图4可以看出，随着钢坯在加热炉内停留时间的延长，钢坯的平均温度逐渐升高；在高炉煤气中焦炉煤气的比例由0增加至5%，钢坯的平均温度增加，当继续增加焦炉煤气的比例至7.5%，钢坯的平均温度在加热后期比含焦炉煤气为5%的混合燃料4略低。

为了更好地研究步进式加热炉内炉气与钢坯之间的换热效果，本研究引入钢坯换热效率来进行评价。

钢坯换热效率：

式中：Ts，average为两块钢坯在加热过程中的某一时刻的平均温度，K；Tgas为混合燃料的实际理论燃烧温度，K。

图5 为不同燃料配比下炉内钢坯换热效率变化曲线。

图5 不同燃料配比下炉内钢坯换热效率变化曲线

由图5可以看出，随着钢坯在加热炉内停留时间的延长，钢坯不断吸收炉气中的热量，钢坯的换热效率增加；随着高炉煤气中焦炉煤气比例的增加，钢坯的换热效率略有降低，混合燃料5的热效率相对较低。

2.2 钢坯运动轨迹对加热炉炉膛热量交换的影响

采用混合燃料3对钢坯进行加热，钢坯在炉内的水平前进位移分别取160 mm、200 mm、300 mm，所模拟的炉膛内热量交换结果如图6所示。

图6 三种钢坯运动轨迹下加热炉炉膛温度场分布云图

三种钢坯运动轨迹下加热炉炉膛温度场的温度分布云图如图6所示。

由图6可以看出，炉气在加热炉内的分布情况大体相同。当钢坯在炉内前进的水平位移由160 mm、200 mm增至300 mm，使得钢坯在加热炉内的停留时间越来越短，钢坯与炉气之间的热量交换时间随之减少，故而钢坯随钢坯水平前进位移的增加，加热出的钢坯温度降低。

图7 为三种钢坯运动轨迹下炉内钢坯的平均温度变化曲线。

由图7可以看出，同一燃料配比下，随着钢坯在炉内水平前进位移的增加，钢坯出炉时的平均温度降低；在钢坯的水平前进位移为160 mm时，随着高炉煤气中焦炉煤气比例的增加，钢坯出炉时的平均温度是逐渐增加的，而且增加幅度比较大；在钢坯的水平前进位移分别为200 mm、300 mm时，随着高炉煤气中焦炉煤气比例由0增加至5%的混合燃料4，钢坯的出炉温度是一直增加的；而随着焦炉煤气的比例继续增加到7.5%，钢坯的出炉温度有所下降。相应的钢坯的换热效率变化趋势与上述相同，如图8所示。

图8 三种钢坯运动轨迹下钢坯换热效率变化曲线

3 结论

1）在炉内钢坯水平前进位移为200 mm的条件下，不同燃料配比下的炉内温度场分布趋势大体相同；随着高炉煤气中焦炉煤气比例的增加，钢坯加热温度有所提高；在高炉煤气中焦炉煤气的比例由0增加至5%，钢坯的平均温度增加，当继续增加焦炉煤气的比例至7.5%，钢坯的平均温度在加热后期比含焦炉煤气为5%的混合燃料4略低。

2）在炉内钢坯水平前进位移为200 mm的条件下，随着钢坯在加热炉内停留时间的延长，钢坯的换热效率增加；随着高炉煤气中焦炉煤气比例的增加，钢坯的换热效率略有降低，混合燃料5的热效率相对较低。

3）采用混合燃料3对钢坯进行加热，当钢坯在炉内前进的水平位移由160 mm、200 mm增至300 mm，出口钢坯温度降低。

4）采用混合燃料3对钢坯进行加热，同一燃料配比下，随着钢坯在炉内水平前进位移的增加，钢坯出炉时的平均温度降低；在钢坯的水平前进位移为160 mm时，随着高炉煤气中焦炉煤气比例的增加，钢坯出炉时的平均温度大幅增加；在钢坯的水平前进位移分别为200 mm、300 mm时，随着高炉煤气中焦炉煤气比例由0增加至5%的混合燃料4，钢坯的出炉温度是一直增加的；而随着焦炉煤气的比例继续增加到7.5%，钢坯的出炉温度有所下降。相应的钢坯的换热效率变化趋势与上述相同。

本研究通过数学模型计算5种不同燃料配比情况下的加热炉炉气与钢坯换热之间的关系，得出钢坯燃料配比与钢坯加热的平均温度、换热效率之间的变化关系，为后续实际生产合理地组织燃烧，加热炉节能，奠定了理论基础。并在同一燃料配比下，研究钢坯的运动轨迹同炉膛温度分布的合理匹配方案，得出钢坯水平前进位移同钢坯出炉时的平均温度、钢坯的换热效率的关系，对加热炉节能降耗及优化设计有较强的指导作用。