加热炉的热过程是一个包含流体流动、化学反应、传热与传质等复杂的物理化学过程。一般直接燃用燃料的工业炉窑炉膛内熟交换以辐射换热为主,约占905以上。因此,加热炉热过程数学模型研究可以以求解辐射换热为主。炉内辐射传热模型作为加热炉热过程数学模型,可以真实地反映加热炉的热工过程,在此基础上应用数值计算的方法可阻求解炉气温度场以及加热钢坯的温度场。所以在查阅文献时,主要集中查阅了大量的有关辐射换热模型、钢坯导热模型及其耦合的文献。下面把所查文献按辐射换热模型、钢坯导热模型【21】及其耦合的顺序进行系统归纳整理如下:

　　昙×掣-(1一∞k(r)-l(r,s)老LP(@肌’kQ’(1.1)其中的散射积分增强项可以沿所划分的各份空间分别积分,这样就可以将辐射

　　强度提到积分界外,单独积分散射相函数,同时考虑在轴对称散射情况下侧向散射彼此相等,这样就可以导出前向、后向和侧向散射形状系数f、b和S, ,-孑f叫O)cos20sinOdOd妒一岳P(o)cos20sinOd@(1.2)

　　加热炉热过程指的是在加热炉内迸行着的气体流动、燃料燃烧和传热、传质过程的综合,因此,它属于一个以传热为中心的物理和物理化学的复杂过程,其中以物理过程为主。而对热过程的分析指的是对它物理本质的揭示以及尽可能地进行定量的数学描述,这也是炉子热工理论的主要组成部分。加热炉热过程的理论研究可以通过建立完整的热过程数学模型进行,数学模型是过程分析的重要组成部分,数学模型的用途主要在以下几个方面:

　　本文是在分析包头钢铁公司的步进式加热炉热过程的基础上,针对其具体情况,建立了加热炉生产热过程中包括辐射换热过程和钢坯加热过程及其耦合过程的热过程数学模型,并对热过程数学模型求解方法进行了研究。对加热炉热过程中的钢坯出炉温度进行了计算,计算结果和生产实际基本相符,验证了数学模型是可靠的,数值计算结果是基本可信的江南体育。

　　对于各向同性散射情况,散射相函数尸(@)等于1,从而有f=b=s=l/6。

　　分别考察每一坐标的正和负方向上的辐射能量平衡,或者将每一方向的辐射传输方程(1.1)沿其所在的2Ⅱ/3空间积分,即相当于乘以cos20dQ沿前2Ⅱ空间积分,忽略左侧项求导的方向性,即得到六个通量近似微分方程:

　　1958年Hollel和Cohen研究了炉内充满吸收性气体的辐射热交换问题,首次提出了求解辐射换热问题的区域法。1972年Coslic应用Holm和Cohen的区域法,对二维辐射换热问题进行了较为详细的研究;同年,Filzgerald等人对加热炉热过程三维辐射换热问题进行了研究;Sailer和Coslic对于多段加热炉二维问题进行了研究,首次引入‘假想断面’的概念,使多段加热炉热交换问题的求解简单化。随着人们对加热炉热过程认识的进一步深化和对工业过程控制技术要求的提高,加热炉热过程数学模型【q也越来越逼近实际情况。

　　由于六通量近似的计算精度和工作量适中,应用较多,因此只介绍六通量近似。它开始用于电磁波散射的研究,后来在热能、化工等领域中被应用于辐射换热计算。

　　六通量近似是将任意点处的4Ⅱ空间分为六等份,在沿着传输方向s所取的正交坐标系(;,n,‘)各个轴的正和负方向各占一份空间,并且假设在每一份空间内辐射强度具有各向同性。对于灰辐射一吸收一轴对称散射介质,由全辐

　　我国有近七百座轧钢加热炉【31】,年耗标准煤约一千五百万吨,随着连铸连轧技术的不断发展与普及,轧钢工序节能的重点是轧钢加热炉的技术改造。同时随着轧机生产能力和轧制产品质量的提高,为了实现高效节能、减少污染的目标,轧钢加热炉131】将向自动化和计算机控制方向发展。深入研究工业加热炉热过程的数学模型及应用计算机技术实现优化炼钢的自动控制,对提高钢铁工业生产水平有着深远的意义。轧钢加热炉在钢铁企业中占有重要的地位,它的任务是加热钢坯,使钢坯表面温度及其温度分布满足轧制要求。在加热过程中,炉温过高或在炉内停留时间过长,会造成钢坯表面氧化铁皮的增厚,这直接关系到钢坯的成材率和钢材质量:炉温过低,轧机无法顺利SL%d,严重磨损轧辊,缩短轧机使用寿命,损毁其它配套机电设备。这些都直接影响企业的经济效益,所以,研究轧钢加热炉的热过程是当前轧钢生产过程中增效节支、节能降耗的重要技术途径。

　　一个『F确的加热炉数学模型16】是真实加热炉热工特性的代表,通过一系列的数学方程描述在炉膛内可能发生的热过程的基本规律。数学模型建立后,可以通过数值模拟计算加热炉特性变化的预测值。

　　按照炉膛外部传热过程的复杂程度,可以将数学模型131】分为:零维模型、一维模型、二维模型和三维模型。零维模型适用炉温均匀的室状炉;对于炉长比炉宽大得多的炉子来说,炉气温度沿炉长方向有较明显的变化,而在炉宽及炉高方向炉气温度变化比较小,可以认为是均匀的,这属于一维模型;在一维模型的基础上,如果进而考虑炉高方向温度分布的不均匀性,这就属于二维模型情况;实际上在绝大部分炉膛内炉气温度分布在炉子长、宽、高三个方向上是不相等的,则将它们当作零维、一维或二维模型来处理势必带来较大的计算误差,这时就必须应用三维模型。

　　加热炉【31】是火焰炉的一种,指的是这样一些炉子,即在它们的炉膛内只有部分空间装有被加热物料,而另一部分空间为火焰或燃烧产物所占据。通过它们和炉料及炉衬之间进行的热交换,炉气将部分热量传递给受热表面然后排出炉膛。平炉、反射炉、均热炉、加热炉及热处理炉都属于火焰炉的范围。

　　过程中,辐射换热占很大比例,尤其是在高温燃烧情况下,辐射换热成为主要的换热形式,约占90%以上,因此本文用辐射换热模型来求解加热炉的热过程。经过查阅大量的文献资料,目前,辐射换热模型主要有辐射通量模型1291,区域法【29】,蒙特卡洛法【29】,离散传递法【291、有限体积法㈣和离散坐标法[15】等。下面对它们一一进行叙述.

　　离散坐标法由于可以很方便地处理入射散射项,因此离散坐标法在计算有散射的辐射问题方面要优于现有的其它方法,且易与流动方程联立求解。因而,在含散射性介质的系统,如煤粉燃烧室内流动、燃烧、传热的模拟中,离散坐标法将是一种很有发展前途的辐射传热计算模型。本文首先对辐射传递方程的坐标进行离散,最后对三维矩形炉膛内辐射传递过程进行数值模拟,并与区域法进行比较,从而验证了离散坐标法的求解精度。因此本文采用离散坐标法来求解炉内辐射传热,然后和钢坯导热进行耦合,最后求解出钢坯的温度分布。