加热设备 工业加热 第38卷2009年第6期 DOI：10．3969／j．issn．1002—1639．2009．06．010 基于步进式加热炉数学模型的氧化烧损预测模拟 赵 军，刘 蒙，刘 洋 (中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙 410083) 摘要：针对钢铁企业的氧化烧损问题，用数值模拟的方法进行预测分析。利用CFD流体计算软件建立了炉内流动、燃烧、辐射、钢 坯导热和氧化烧损模型，流动模型采用k—s湍流模型，燃烧采用 PDF燃烧模型，辐射换热模型采用离散坐标 (DO)辐射模型，热 流密度做为钢坯导热的边界条件，模拟钢坯在实际工况下的结果表明，氧化铁皮的快速增长期是在钢坯人炉50～120 rain之间，位 于加热段；在不同均热时间下，钢坯氧化率随均热时间呈线性增长。据此结论，现场操作人员可通过强化加热段加热能力的手段减 少钢坯在加热段的停留时间或热装钢坯调整总的在炉时间来降低钢坯氧化烧损率以提高钢坯加热质量。 关键词：加热炉；钢坯；氧化烧损；数值模拟 中图分类号：TF111．14 文献标志码：A 文章编号：1002—1639(2009)06·0038—02 Numerical Simulation of Oxidation Depending on the Model of Walking Beam Type Reheating Furnace ZHA0 Jun，LIU Meng，LIU Yang (School of Energy Science and Engineering，Central South UniversitY,Changsha 4 1 0083，China) Abstract：An oxidation of prediction model has been developed for solving the problem of oxidation in iron and steel enterprises，which in- cludes the k—s two．equation model for turbulent flow．discrete ordinates model for radiative heat transfer and the PDF combustion model for gaseous reaction．Heat flux around the slabs iS introduced as the boundary condition ofthe transient conduction equation ofthe slab．Prediction of the growth of oxidation has been simulated in the actual operation．The result shows that the height rate of oxidation growth take place at the heating time from 50 minutes to 120 minutes when the slab is in heating zones；nle growth rate ofthe scale is a parabolic function ofthe soaking time．Operators can improve the quality of the slab that has a low oxide rate by means of enhance the heating capacity or thermal loading for the slab according to the simulated result． Key words：reheating fumace；seel slab；oxidation；simulation 资料显示，国内轧钢加热炉在加热过程中钢的氧化 2 数学模型 烧损率一般为1．5％左右[ ]，除了会造成较大的经济损失 2．1 通用控制方程 外，还会降低成品质量，降低炉子效率。因此研究其影 对于连续、能量、动量和组分4个基本控制方程[6-8] 响因素，并采取相应措施，减少氧化烧损对湘潭钢铁厂 可以表示成以下通用形式： 生产具有重要意义。 针对如上情况，通过CFD流体计算软件建立的某钢 +div(puS)：div(rgrad~)+ (1) 铁厂加热炉模型和氧化烧损模型来模拟真实炉况，研究 式中： 为通用变量，可以代表U， ，W，礴 求解标量； 加热时间和温度对钢坯氧化烧损的影响。 r为广义扩散系数； 为广义源项，上式4项依次为非稳 1 物理模型 态项、对流项、扩散项和源项。 炉内的湍流流动采用标准k—s模型，燃烧过程属于非 图1所示为某钢铁宽厚板厂凤凰加热炉主视图，炉 预混燃烧，燃烧模型采用平衡混合分数PDF模型，辐射 膛内宽8 120 mm，长40 000 mm，高3 700 film，燃料为 传热模型采用离散坐标辐射模型，即Discrete Ordinates辐 混合煤气，预热温度573 K，空气预热温度731 K，烧嘴 射模型。有关其详细控制方程见文献 [1】。 布置如图1所示，炉顶共65个平焰烧嘴，侧面共20个 2．2 钢坯非稳态导热方程 调焰烧嘴。 8t pc 3r一 烟道 固定梁 顶站烧嘴 侧墙烧嘴 一( )+专 )+岳(磅) c2， j+ I J+ l J ’ 式中：P为钢坯的密度，kg／m ；c是钢坯的比热容，J／ ( ·℃)； 是钢坯的导热系数，W／(m·K)。 2．3钢坯氧化烧损模型 本文采用苏联学者IO．P埃万斯提出的氧化层厚度增 图1加热炉主视图 长速度与表面温度、时间在一定炉内气氛下的经验公式。 8h 收稿日期：2009—07-28；修回日期：2009—10—22 百 作者简介：赵 军(1983一)，男，河北保定人，在读硕士研究生 ar一( )。 I J=而h t+ 273 p(p t+273) (3) 研究方向为热能工程． 38 睾 加热设备 工业加热 第38卷2009年第6期 式中：r为时间，min； 为氧化层高度，mm；a·，02为氧 3．2钢坯氧化烧损 化动力学常数。 图4所示为钢坯氧化铁皮增量随加热时间变化趋 2．4 边界条件 势，可以看出钢坯在炉内前50 min，钢坯位于低温区， 进口：采用速度边界条件，即给定具体空气和燃料 钢坯表面温度不高导致氧化铁皮增长速度极小；在50～ 速度；出口：采用压力边界条件，考虑实际工况是微正 120 min内，钢坯运动到加热段，图2所示此时钢坯表面 压操作，取出口负压6Pa；壁面：采用壁面函数处理，同 温度区间为799～1 234℃，氧化铁皮厚度急剧增加，这 和Wanger[~4]提出的理论是相符的(当钢坯处于高温区时， 时考虑炉子散热问题，为方便计算，给定壁面一个恒定 氧化反应机制发生变化，氧化率主要和分子扩散有关)； 负热流¨9。 。钢坯：黑度取0．8，炉气、炉墙与钢坯表面 在加热120～150min内，钢坯处于均热段，钢坯表面温 的净热流作为钢坯导热的边界条件。热流采用如下公式 度变化不大，氧化铁皮增长速率明显放缓，出炉钢坯氧 计算： 化铁皮量为1 079．4 mg／cm 。 g= - 『／ 100＼]4_( y4] (4) 氧化烧损率=堕 亘 翥 素警幽 ·100％ 式中：g为热流密度，W／m ；tg为炉气温度，℃；tm为钢 (5) 坯表面温度，℃； 为导来辐射系数，取4．85。 由式 (5)可计算出当炉钢坯面积为13．652 m ，重 3 计算结果分析 10 t时，氧化烧损率： ×100％： 3．1 加热曲线％的氧化率相比，误差在允许范围内， 从图2中加热曲线可看出，加热制度即考虑了加热 说明此模型的计算方法是正确的。 初期温度应力的危险，同时考虑了中期快速加热和最后 温度均匀性，兼顾了产量和质量两方面江南体育。在预热段钢坯 与炉气的温差最大，但钢坯平均升温缓慢，在加热一段， 钢坯与炉温温差逐渐缩小，钢坯升温却逐渐加快，钢坯 断面温差加大。图3中显示了钢坯在炉内受到的热流变 驾 血I 化，在炉内 ：12．5 1TI处的钢坯受到的热流密度最大，因 此此位置的钢坯升温也最快。图2和图3互为因果关系， 共同描述了炉内钢坯传热特性的变化趋势。 图4 不同加热时间内氧化铁皮单位面积重量的变化 在加热炉现场测试中发现，轧钢厂设备出故障时，钢 坯需在炉内继续停留，直到故障排除后才出炉，此时氧 化烧损明显增大。针对这种情况，对氧化烧损进行模拟 预测。假设当轧钢设备出故障时，钢坯处于均热段，预 测均热时间依次为40，60，90，120，150 min的烧损率。 如图5所示，正常均热时间为30 min，氧化烧损最低；尽 管钢坯表面温度在均热段不再明显升温，可是随着均热 时间增加，氧化烧损呈线 钢坯随加热时间的温度变化 言 槲 ● 薰 婀if 龆 亲 驿 图5 不同均热时间下氧化率的增长趋势 图3 钢坯表面热流密度变化 (下转第5l页) 39 带 技木交流 工业加热 第38卷2009年第6期 (1)熔化炉炉门设计过大，炉子烟罩密封差，一旦 大限度地抽走炉膛内产生的各种烟气。 炉门打开，烟罩内部难以建立抽排烟气所需的负压，大 (3)设置小烟罩：在熔化炉浇口上方设置一个能覆 部分烟气从炉门处逸出；二是收尘系统风机流量设计较 盖保温炉炉盖的小吸烟罩进行强制排烟。 小，保温炉与熔化炉同时要求最大排烟时，抽排烟能力 (4)通过在烟道上增设三个电动阀门，合理分配各 显得不足；三是抽排烟口位置远离熔池 (产生烟尘处)， 烟道风量，从而最大限度地利用风机的抽风能力。 抽排烟口处抽力不足，抽排烟效率低下。 (5)改进了保温炉的炉盖开启方式，并增大了原收 (2)从熔化炉向保温炉内转注铜水时浇口及保温炉 尘罩，提高了增尘效果。 口上方无排烟装置，处于完全开放状态，仅靠浇口处的 (6)在此套炉组区域的厂房顶部增加了12个收尘风 一 点负压作用很小，烟尘大量飘散到厂房内。 机，进一步提高收尘效果。 (3)保温炉在进行加料、扒渣和搅拌均匀化等作业 通过以上措施的实行，现烟尘回收率超过90％，大 时炉盖打开后收尘罩排烟不畅，大部分烟尘逸出。其原 大改善了工厂的环保状况。 因一是收尘罩抽排烟能力不足，收尘罩及其管道需加大； 3．2 备用电源接入系统的改造 二是此种开启方式使炉门占了收尘罩的大部分排烟面积， 炉组的备用电源取自工厂低压配电室，采用电缆和 排烟效果差。 感应体连接。两台炉组共用一套应急电源，如某一台感 对照以上存在的问题，我们进行了以下几点改进： 应体电源出现故障，则将此感应体的两块连接铜排 (铜 (1)对熔化炉烟罩进行了改进，缩小了烟罩内腔空 排尺寸：120 mm×10 mm)拆下，每一块铜排有8只螺 间，以利于其内腔形成较大负压，确保烟气不外逸；所 栓 (M16 mm×40 mm)需拆装，一个熟练的电工在切换 有管道由矩形改为圆形，弯头由直角改为45。圆弧，降低 此应急电源时需要30 min。现在我们改为一拖二换炉开 了管道压力的沿程损失。 关，此开关在正常电源和应急电源之间的切换只需通过 (2)将抽排烟口由侧壁改到烟罩上方对着熔池且靠 按钮电动实现，在短短2 min之内就能解决，大大缩短了 近炉门处，能有效防止作业时炉内烟气从炉门处外逸，最 故障的处理时间。 (上接第39页) [7]武文斐，张欣欣．直通式辊底加热炉传热数学模型研究 [J]． 4 结 论 工业炉，2006，28(3)：56—59． [8]KOLAITIS D l，FOUNTI M A．A Comparative Smdy ofNu— 以某钢铁厂步进式加热炉为例，建立了炉内流动与 merical Models for Eulerian·-Lagrangian Simulations of Turbu·- 传热的数学模型、钢坯导热和氧化烧损模型，得到了 lent Evaporating Sprays[J】．Heat Mass Transfer，2006，27 钢坯升温曲线以及钢坯氧化增长曲线． ①氧化铁皮的快速增长期在钢坯入炉50～120 min之问， [9】KOLAITIS D I，FOUNTI M A．Modelling ofthe Gas—particle 位于加热段。②当预测轧机出故障时，氧化率随钢坯在 Flow in Industrial Classification Chambers for Design Optimis— ation【J】．Powder Technol，2002，25(1)：298—305． 均热段停留时间呈线】KLIPFEL A，FOUNTI M A，ZAEHRINGER K，et a1．Nu· 建议优化加热段工艺或热装钢坯，缩短钢坯在加热 merical Simulation and Experimental Validation of the Turbu— 段时间和总在炉时间，有利于减少氧化率，提高出炉钢 lent Combustion and Perlite a Expansion Processes：in an In— 坯加热质量。 dustrial Perlite Expansion Furnace『J]．Flow Turb，1998，56 (7)：283—300． 参考文献： [11】邓圭玲，段吉安，钟 掘．双辊铸轧铸嘴内部铝液流动的 [1】ZHANG QUAN．Research on Optimum Operation and Structure 三维数值仿线． ofTundish[J]．Iron and Steel Res．Int．，2002，9(1)：27—30． [12】GAOM，REIDCN，JAHEDIM，eta1．EstimatingEquilibration 【2】朱伟素，陈海耿，张 羽，等．步进梁式加热炉内钢坯和垫 Times and Heating／cooling Rates in Heat Treatment of Parts 块数学模型 [J]．中国冶金，2007，17(4)：31—35． with Arbitrary Geometry[J]．Mater．Eng．，2000，12(10)： 【3]吴侍恭．水力学 (下册)[M]．北京：高等教育出版社，1983． 62—71． 【4]HALLIDAY W．Computer Control Model for Continuous Reheat [13】REVCOLEVSCHI A，AMMERAHL U，DHALENNE G． Furnaces，Metallurgia fJ]．Hea

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