不锈钢带钢卧式连续热处理炉内传热过程数学模型

V0130NO6NOV2011冶金能源ENERGYFORMETALLURGICALINDUSTRY不锈钢带钢卧式连续热处理炉内传热过程数学模型刘义平温治周钢豆瑞锋庄惟琦I北京科技大学热能工程系，2宝钢不锈钢事业部摘要建立了带钢在卧式连续热处理炉内传热过程的数学模型，并通过TDMA方法求解得到了相同炉温制度下不同带钢厚度、宽度和速度对带钢温度分布的影响。计算出了特定工况下的极限带宽、带速和带厚，同时对不同炉温制度下带钢在全炉的温度分布进行了预测和分析。所得结论对带钢卧式连续热处理炉计算机优化控制具有重要的指导意义。关键词不锈钢卧式连续热处理炉数学模型MATHEMATICALMODELOFHEATTRANSFEROFSTAINLESSSTEELSTRIPINHORIZONTALCONTINUOUSHEATTREATMENTFURNACELIUYIPINGWENZHIZHOUGANGDOURUIFENGZHUANGWEIQI1DE舳ENTOFTHERMALENGINEERINGOFUSTB，2STAINLESSSTEELDIVISIONOFBAOSTEE1ABSTRACTAMATHEMATICALMODELTOEVALUATETHEHEATTRANSPORTOFSTRIPWHILEMOVINGINTHEHORIZONTALC鲫幽HOL工SHEATTREATMENTFURNACEHASBEENDEVELOPEDJTHROUGHTHEMODELSOLVEDTDMAMETHODWECANGETTHESLLLEFURNACESYSTEMSTRIPTHICKNESS，STRIPWIDTHANDSPEEDOFTHESTRIPWITHTEMPERATUREDISTRIBUTION，ANDTHELIMITATIONOFTHICKNESS，WIDTHANDSPEEDINSPECIFICOPERATINGCONDITIONSWASOBTAINED，THEWHOLETEMPERATUREDISTRIBUTIONOFSTRIPUNDERDIFFERENTFURNACETEMPERATUREISPREDICTEDTHECONCLUSIONSOBTAINEDINTHISPAPERHAVEIMPORTANTDIRECTIVETOCOMPUTEROPTIMIZATIONCONTROLOFSTRIPINHORIZONTALCONTINUOUSHEATTREATMENTFURNACEKEYWORDSSTAINHSSSTEELHORIZONTALCONTINUOUSHEATTREATMENTFURNACEMATHEMATICALMODEL近年来我国的不锈钢市场需求呈快速增长趋势，我国已经步人世界不锈钢消费大国行列J。卧式连续热处理炉是不锈钢带钢热处理的关键热工设备，广泛用于以建筑、机械加工、家电业为应用主体的带钢企业。随着能源紧缺、国际铁矿石基准价大幅上调以及对环保要求越来越高等问题的出现，钢铁行业将面临十分严峻的考验，这促使国内外各大钢铁企业在保证产品质量的前提下，积极寻找对现有的模型、工艺等进行优化改造的途径，以加强企业的综合竞争力。卧式连续热处理炉由预热段、加热段和冷却段组成。带钢在炉内经过预热、加热、保温、冷却等一系列过程后得到工艺要求的金相组织，以此来获得良好的力学性能和使用性能。收稿日期2011一O524刘义平1987一，硕士生；100083北京市海淀区。卧式连续热处理炉内不锈钢带钢温度的求解涉及到炉衬与带钢的耦合传热、带钢的物性特性和炉内的热工特性等。热处理过程中变工况下带温的准确预测，对热处理过程模型的研究和现场实际应用均有重要意义，是卧式连续热处理炉模型研究的核心。L数学模型国内学者韩小良2、严祖虬口、窦坦明L4等对退火炉进行了大量研究，但缺少对带钢在卧式连续热处理炉内整个过程进行研究。国外学者57对该领域的研究较早，但公开资料较少，并且较多借助大型商业软件对模型进行解读。该文根据卧式连续热处理炉内传热机理，建立了带钢沿宽度方向的一维导热模型，并用TDMA方法对模型进行数值求解。借助C群高级计算机语言编制了离线仿真软件，分析了带钢的宽度、厚冶金能源ENERGYFORMETALLURGICALINDUSTRYVO13ON06NOV2011度和速度对带钢温度的影响，并模拟计算了不同炉温制度下带钢在全炉的温度分布。11假设条件1忽略炉段间辐射换热，同时假设各炉段内温度分布不随时间变化。2忽略炉辊对带钢温度的影响，即只考虑炉气和炉衬与带钢之间换热。3炉内衬表面、带钢表面及炉气的黑度恒定，即视为常数。4带钢表面没有氧化铁皮，且忽略带钢相变潜热。5忽略带钢沿炉长及厚度方向的导热，仅考虑宽度方向导热。12数学模型由于带钢厚度较小，且宽度为厚度的100倍左右，为简化分析，以带钢横截面为研究对象，建立如图L所示沿带钢宽度方向一维模型，控制方程如公式1所示11ILF12F1LLLFF图1带钢在卧式连续热处理炉内物理模型C旦OX卜APL。AJCP式中为带钢宽度方向坐标，M；为时间坐标，S；P为带钢密度，KGM；C为带钢比热，KJKGK；K为带钢热导率，WM；T，R为带钢单元内任意一点的温度，；Q为带钢内热源，WM。13边界条件能量在炉内的传递涉及到流体力学、传热传质学和燃烧学等多个学科，参与热交换过程有高温炉体、炉气以及被加热带钢。带钢表面的热流耦合了辐射和对流传热，在加热段由于温度高于10002，辐射是主要换热方式。炉内对流换热采用经验关联式计算。1对流换热热流密度影响对流换热系数的因素很多，除非通过专门模拟试验求出所需的对流换热系数关联式，否则要准确地计算出不同情况下的对流热交换是很困难的。当炉内金属水平排列时，其对流换热系数及热交换量可以近似地使用气体沿平板流过时的对流换热公式【8】QO659TRY。一F2式中Q为对流换热热流密度，WMS；P为炉气密度，KGM；为炉气速度，MS；为炉气温度，OC；为带钢表面温度，；F为带钢表面积，N12。2辐射换热热流密度封闭空间多个表面间的辐射换热中，一个表面的净辐射换热量是与其它各表面分别换热的热量之和。对于被透热介质隔开的多表面系统，可采用辐射网络法计算出各个表面的有效辐射热流。各表面的能量平衡方程可写为二二1I6IAI1EA置，1一A。13其中各表面的黑体辐射E表面积A、发射率占和炉气有效辐射、吸收率A均为已知数。按式4可列出含有7,个未知数的，L维方程组，再根据顺序GAUSS消去法就能计算出，进而求出各表面的净辐射换热热流密度QQ,3喷气和喷水冷却热流密度计算对流换热冷却介质带走的热量Q。时，一般采用牛顿冷却公式9】Q。LF5式中为综合对流换热系数，WM；F为接触面积，M；AT为冷却介质与热带钢表面间的温差，。其中，综合对流换热系数是表示冷却能力的重要指标，各种冷却方法冷却能力计算都与VO130NO6NOV2011冶金能源ENERGYFORMETALLURGICALINDUSTRY综合对流换热系数直接相关。文献1O一11详细介绍了不同冷却方式的经验计算公式。学者王有铭对不同冷却方式的对流换热做了大量的研究，用参数回归法得到了不同条件下喷射、喷水、雾化和层流冷却的对流换热系数。2模型验证及参数优化21模型验证现场测量数据表明由于炉内气氛及设备安装因素的影响，在预热段、加热三段以及冷却段出口带钢实测温度偏离实际温度较大，而加热段四段出口简称加热段出口，后同测点温度与带钢实际温度偏差在10CC以内，故利用加热段出口实测温度来验证模型的正确性。表1是值带速带厚为230时，AISI300钢种典型炉区温度设定值，仿真得到该工况下带钢在各炉段出口沿宽度方向的温度分布如图2所示。由图2可知，带钢中心与边缘温度相差不大，且越靠近带钢中线温度越高。在该工况下带钢的全炉温度及断面温差分布如图3所示。由图3中可知带钢沿炉长方向的温度分布与工艺要求曲线基本吻合，且断面温差小于带钢平均温度L，说明仿真软件计算结果满足工艺要求。由数据分析可知加热段出口模型计算结果与实测值的绝对误差为L626、相对误差为149。为了进一步验证模型的准确性，将AISB00钢种在加热段出口现场实测温度值与计算值比较如图4，从图4可知实测值与计算值之间的绝对误差在20以内，相对误差在2以内。上述结果表明，建立的数学模型能够准确地模拟计算出带钢在炉内的温度变化，计算结果满足工艺要求，所建模型可靠。表1300系列TV230时典型炉区温度设定值值ZLZ3Z4Z5Z6Z7Z82301208L20812081208120812081180L18022带钢参数变化对带钢温度分布的影响影响带钢温度分布的因素很多，首先讨论带速、带厚和带宽变化对带钢温度分布的影响。以钢种AISB04为例具体参数见表2，模拟计算在表1所示炉温制度下不同参数变化对带钢温度的影响，并计算出该炉温制度下的极限带宽、带厚和带速，为变钢种的生产提供有效的数据支持。工艺要求出加热段时材温112020C；出冷却段时小于80CI。P、瑙赠494O49354930一预热段。一一加热段。却段。图3带钢沿炉长方向的温度分布及断面温差P趟婿乞L222554LL144IP雠赠P馘赠LLL1LL1P趟媚稍靛VOL30NO6NOV2011冶金能源ENERGYFORMETALL1JRGICALINDUSTRY2723炉温制度变化对带钢温度分布的影响卧式连续热处理炉加热段的8个炉区温度可以进行独立控制，根据不同值可对炉区温度进行相应的设定，I一7号炉区炉温控制精度在410，8号炉区控制在45C，而相应炉段出口带钢温度波动范围控制在420C。表3是300系不锈钢带钢典型炉区温度参考设定值。表3炉区温度参考设定值项目Z1Z2Z3Z4Z5Z6Z7Z8L6O9851O54167L16O116318010351O9O115811731173L1791169L16820O1085L1261178L187L187L19111771173230L177L177120812081208120811801180炉温制度1炉温制度2炉温制度3炉温制度4用仿真系统对不同炉温制度下不同规格的带钢进行离线模拟，根据数据分析可知每种炉温制度下有最佳的运行值，且计算结果表明同一炉温制度下相同值的带钢温升曲线几乎一3结论致。图8是不同炉温制度下带钢在全炉的温度分布图。从图8可知不同炉温制度下带钢的温升曲线不一样，即可根据不同的工艺要求选择不同的炉温制度。炉长M图8不同炉温制度下带温分布图1依据卧式连续热处理炉数学模型建立了基于机理分析的一维带钢温度预报模型，并通过文献及现场数据验证了模型的可靠性。2带宽变化对带温影响不大，带速和带厚的变化对带温分布有较大影响。此外，所建模型可对不同炉温制度下带钢在全炉的温度分布进行预测，从而为新钢种的生产提供有力的理论支持。3通过对带钢卧式连续热处理数学模型的离线模拟，可以计算出带钢在炉内的温度变化，以及特定工况下的极限带宽、带速和带厚等主要热工参数，这对带钢卧式连续热处理炉的在线优化控制系统的设计奠定了坚实的理论基础。参考文献1王福凯，白秀艳冷轧不锈钢带连续退火炉综述J工业炉，2006，281L8202韩小良，鲍戟带钢连续退火炉加热室传热计算方法J北京科技大学学报，1993，1543533573严祖虬，张丹元1550MM连退机组退火炉水冷辊冷模型控制优化J冶金自动化，2009，S1414413下转第3L页V0130NO6NOV20LL冶金能源ENERGYFORMETALLURGICALINDUSTRY31图9爆炸实验萘热管冷凝段与蒸发段平均壁温的限度时，工质萘会发生分解，萘的分解会造成热管内部传热过程的中断使壁温急剧上升，而管壁温度的升高会使其许用应力减小，同时热管内部压力也急剧增大，当热管内部压力超过管壁材质的许用应力时热管就会发生爆炸。因此萘热管在使用时要注意对其壁面温度的限制，重点是对蒸发段壁温的限制，即在现场操作时，要特别注意对蒸发段壁温的监测，以免引起爆炸事故。3结论1热管传输功率随着空气流量的增加而增加，但存在一个最大流量，超过该流量后，功率将不再增加，而这个流量依据热管工作的实际工况而定。2对不同管径不同充液量下的中温萘热管进行实验，由热管的传输功率、等温性能以及空气出口温度综合分析得到，中温萘热管的最佳充液量在90一100之间，且管径小的热管偏向于大充液量，管径大的热管偏向于小充液量。3当中温萘热管壁面温度超过一定值时，会发生爆炸现象，因此在实际使用中要注意对其壁面温度的限制，特别是对蒸发段壁温的限制，最好将壁温控制在萘的临界温度478CI以下，以确保中温萘热管的安全使用。参考文献1张红，杨峻，庄峻热管节能技术M北京化学工业出版社。2O091161182许永贵全烧高炉煤气实现1250风温的两种组合预热系统J炼铁，2008，27217203】许永贵，梁怀琪高炉高风温的组合换热系统专利号Z1_2004200240149。20054马同庆等热管M北京科学出版社，19831861875马沛生等石油化工基础数据手册续编M北京化学工业出版社，19933963996邹琳江，李敏，严大炜萘热管的实验研究J工业炉，2010，32513赵艳编辑上接第27页4窦坦明，金晓宏不锈钢带连续退火炉冷却系统工艺分析J山东冶金，2006，8444465SHUZOFUKUDA。NAOMKEYOSHIHARAYUTAKAOHKUBO，ETCRECENTTECHNOLOGI