（热能工程专业论文）基于加热炉传热模型的钢坯氧化烧损研究.pdf

m a s t e rd i s s e r t a t i o n t h es t u d yo fs l a bo x i d a t i o nd e p e n d i n go nt h eh e a tt r a n s f e r m o d e lo f w a l k i n gb e a mr e h e a t i n gf u m a c e a p p l i c a n t ： z h a oj u n 一一 o- o 。- o o - oo-oooo-oooo o - o - o o - - - - s u p e r v i s o r ：蠡渤照z 獭a n g q 蝗鲍 m a j o r ： ! 魍俎e 贼斟e n g i 熙匝n g 一 s u b m i t t e dt o t h e f a c u l t yo fc e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u lf i l l m e n tt h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo fm a s t e r o c t o b e r ，2 0 0 9 s c h o o lo fe n e r g ys c i e n c ea n de n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h a ，h u n a n ，p r c h i n a 舢82m 8 9m 1m 7 舢1胂y 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：堂坠日期：丑年卫月兰日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 中南人学硕士学位论文摘要 摘要 轧钢加热炉的钢坯氧化烧损一直是研究的热点问题，通过以湘潭 钢铁集团宽厚板2 群线步进加热炉为研究对象，基于f l u e n t 软件平台 建立加热炉燃烧传热及钢坯导热模型，得到了炉内三维温度场、浓度 场和钢坯动态温度分布，计算值与实测值表明，温度场最大相对误差 在5 以内；将此模型耦合氧化烧损计算程序模拟钢坯在炉内的动态 氧化过程，数值模拟揭示： ( 1 ) 钢坯在预热段和加热一段时的氧化铁皮增长速率小，在加 热二段和均热段增长速率较大； ( 2 ) 在常规炉内气氛下，闷炉1 5 0 m i n 的钢坯其氧化烧损率比正 常情况下增加了3 4 8 1 热装温度为2 0 0 和7 0 0 时，加 热时间缩短2 3 m i n ，而相应的氧化烧损率从0 7 9 2 3 降低 为0 7 2 5 8 ； ( 3 ) 加热一段、加热二段和均热段的空气消耗系数分别为1 4 、 1 3 和0 9 时，氧化铁皮在高温区的增长速率明显降低。 指导现场生产后，实测钢坯氧化烧损率仅为0 4 6 6 ，达到国际 领先水平，由此表明，基于加热炉燃烧、传热、氧化烧损模型所提出 的降低钢坯氧化烧损的措施是可靠的，可使传统的加热炉钢坯氧化烧 损降低至一个新水平。 关键词加热炉，钢坯，氧化烧损，数值模拟 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eo x i d a t i o no fs l a b si nt h er o l l i n gm i l lf u m a c ei s a l w a y st h e h o t s p o t am a t h e m a t i c a lh e a tt r a n s f e rm o d e la n dt r a n s i e n th e a t i n gm o d e l o fs l a b sw a se s t a b l i s h e db yt a r g e t i n gt h ew a l k i n gb e a mr e h e a t i n gf u m a c e i nx i a n g t a ni r o na n ds t e e lg r o u p 1 _ t h r e e d i m e n s i o n i a t e m p e r a t u r ef i e l da ndconcentrationf i e l da n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nns l a b sw a sc o m p u t e d s i m u l a t e da n dm e a s u r e dv a l u e ss h o w st h a tt h em a x i m u mr e l a t i v ee r r o ro f t e m p e r a t u r ef i e l d i n5 o rl e s s t h eo x i d a t i o np r o c e s so fs l a b sw a s s i m u l a t e db yt h i sh e a tt r a n s f e rm o d e lc o u p l e dw i t ht h eo x i d a t i o n c a l c u l a t i o np r o g r a m a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e v e a l s ： ( 1 ) t h er a t eo fo x i d a t i o ni s l o wi np r e h e a t i n ga n dh e a t i n gz o n e o n e h i g h e ri nh e a t i n gz o n et o wa n ds o a k i n gz o n e ( 2 ) t h er a t eo fo x i d a t i o ni n c r e a s eo f3 4 8 w h e ns l a b si ss t u f f y 15 0 m i ni nt h ef u r n a c ei nt h ec o n v e n t i o n a lf u m a c ea t m o s p h e r e ；t h e h e a t i n gt i m ew i l l r e d u c e2 3 m i nw h e ni n c r e a s eh o tc h a r g i n g t e m p e r a t u r ef r o m2 0 0 t o7 0 0 w h i l et h ec o r r e s p o n d i n g o x i d a t i o nr a t ew i l lr e d u c ef r o m0 7 9 2 3 t o0 7 2 5 8 ( 3 ) t h er a t eo fo x i d a t i o ns i g n i f i c a n t l yr e d u c e di nt h eh i g h t e m p e r a t u r e z o n eo ft h ef u m a c ew h e nt h ea i rc o n s u m p t i o n c o e f f i c i e n ti nh e a t i n gz o n eo n e h e a t i n gz o n et w oa n ds o a k i n gz o n e i s1 4 ，1 3 ，0 9r e s p e c t i v e l y h e a t i n go p e r a t i n gc o n d i t i o n so fx i a n g t a ni r o na n ds t e e l2 撑h e a t i n g f u m a c ew a so p t i m i z e dw h i c hb a s e do nt h ea b o v el a w t h em e a s u r e d o x i d a t i o nr a t ew a so n l y0 4 6 6 w h i c hr e a c ht h ei n t e m a t i o n a la d v a n c e d l e v e la f t e ra p p l i c a t i o no ft h a ts i m u l a t e dr e s u l t t h em e a s u r eo fr e d u c i n g t h er a t eo fo x i d a t i o ni sr e l i a b l ew h i c hb a s e do nt h ec o m b u s t i o n h e a t t r a n s f e ma n do x i d a t i o ni nt h ef u m a c e ，a n dt h eo x i d a t i o no ft h et r a d i t i o n a l h e a t i n gf u m a c ei sr e d u c e dt oan e w l e v e l k e yw o r d s f u r n a c e ，s t e e l ，o x i d a t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i 一 中南人学硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 步进式加热炉简介1 1 3 加热炉数值模拟研究概述一4 1 4 钢坯氧化烧损的研究概述7 1 5 研究内容一9 第二章加热炉数值模拟与现场验证一1 1 2 1 加热炉数学模型1 1 2 1 1 基本控制方程1 l 2 1 2 湍流模型1 2 2 1 3 燃烧模型1 4 2 1 4 辐射模型16 2 1 5 钢坯导热模型1 8 2 1 6 钢坯氧化烧损模型1 8 2 2 加热炉数值模拟1 9 2 2 1 研究对象1 9 2 2 2 网格划分2 0 2 2 3 基本方法一2 0 2 2 4 边界条件2 1 2 2 5 计算结果与分析2 2 2 2 6 氧化烧损计算2 7 2 3 模型验证现场测试2 8 2 3 1 现场测试2 8 2 3 2 测试结果与模型验证2 9 2 3 3 误差分析3 0 2 4 本章小结3 0 第三章钢坯氧化烧损研究31 3 1 氧化烧损影响因素分析31 3 1 1 加热温度对氧化烧损的影响3 1 3 1 2 加热时间对氧化烧损的影响3 2 i i i 中南人学硕十学位论文目录 3 1 3 炉内气氛对氧化烧损的影响3 2 3 1 4 闷炉对氧化烧损的影响3 3 3 1 5 热装对氧化烧损的影响3 4 3 2 钢坯加热过程优化研究3 6 3 2 1 加热时间的优化3 6 3 2 2 炉内气氛的优化3 7 3 3 氧化烧损计算4 l 3 4 本章小结4 l 第四章降低氧化烧损的工业试验研究4 3 4 1 工业试验4 3 4 2 试验结果分析4 4 4 3 试验结果与模拟结果对比4 6 4 4 本章小结4 6 第五章总结与建议4 7 5 1 总结4 7 5 1 1 工作内容4 7 5 1 2 结论4 7 5 2 建议4 8 参考文献4 9 致 射5 2 攻读硕士学位期间的主要研究成果5 3 i v 中南人学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 当前，我国经济的发展与城市化进程的加速使得能源与资源面临着十分巨大 的压力，能源与资源紧缺对我国发展的约束越来越大。要保持我国经济持续发展 势头，需要我国能源与资源能够持续、稳定地供给。而大量的理论研究和实践发 展表明，我国能源与资源对经济社会的支撑力度正在逐渐下降，国内能源与资源 不足、自给程度下降将成为制约我国经济持续、稳定发展的一个重要因烈。 国家发改委能源局公布，中国能源消费总量已经位居世界第二，约占世界能 源消费总量的1 1 ，但每吨标准煤的产出效率仅相当于日本的1 0 3 、欧盟的 1 6 8 、美国的2 8 6 t 2 1 。从根本上解决中国能源问题，必须转变经济增长方式， 走新型工业化道路，选择资源节约型、质量效益型、科技先导型的发展方式。要 以提高能源资源利用效率为核心，以节能、节水、节地、节材、能源资源综合利 用和发展循环经济为重点，把节约能源与资源工作贯穿于生产、流通、消费各个 环节和经济社会发展各个领域，加快形成节约型生产方式和消费方式，提高全社 会能源资源利用水平在全国形成有利于节约能源与资源的生产模式和消费模式， 发展节约型经济，建设节能型社会【3 1 。 对于钢铁产业来说，大中型钢铁企业2 0 0 9 年上半年总能耗1 1 7 1 7 万吨标煤， 比上年同期增加8 7 6 万吨标煤，增长8 0 6 ，上半年平均吨钢综合能耗6 2 7 千克 标煤吨，同比下降0 3 9 ，钢铁行业新设立的万元工业增加值能耗指标，上半年 为4 3 2 吨万元，比上年同期下降0 7 3 吨万元，降低1 4 5 ，按上半年大中型钢 铁企业完成工业增加值2 8 0 8 8 亿元计算，相当于半年节能2 0 5 0 万吨标煤，上半年 吨钢用新水4 9 9 吨，同比下降7 7 9 ，化学耗氧量排放总量同比下降2 6 6 7 ，工 业粉尘排放总量同比下降8 9 3 ，可见，大中型钢铁企业节能减排工作目前喜忧 参半，还需进一步提耐引。 钢坯在加热过程中会因各种原因产生氧化铁皮，减少钢坯的氧化烧损成为各 钢铁企业节能减排的重要一项内容。目前来说钢坯的氧化烧损是不可避免的，国 内轧钢加热炉在加热过程中钢的氧化烧损率一般为1 5 【5 1 ，由此造成损失甚至超 过燃料消耗的经济损失，同时还会带来其它诸多不利影响，降低氧化烧损率的经 济效益是显而易见的，因此对如何降低钢坯氧化烧损的研究无疑是十分必要的。 1 2 步进式加热炉简介 中南人学硕十学位论文第一章绪论 在轧制生产中，必须将钢坯加热到一定温度，使它具有一定的可塑性，才能 进行轧制，这就需要使用各种类型的加热炉。轧钢生产工序进行的顺畅与否，很 大程度上与钢坯加热有关。多年来，世界各国的钢铁企业，在轧钢加热炉的技术 改造方面做了大量研究，从最原始的一段式加热炉逐步发展成目前比较先进的多 段式、多控制点的加热炉，使加热炉技术性能指标有了大幅度提高。从轧钢生产 对加热炉的基本要求看，除了作为热工设备的加热炉在热工制度方面满足工艺要 求外，还要求加热炉满足：生产效率高，加热质量好，燃料消耗低，炉子寿命长， 劳动条件好等条件。由于步进式加热炉有着推钢式加热炉无法比拟的优点，诸如 不拱钢、不粘钢、氧化烧损小、脱碳少、加热时间短、操作灵活、易于和轧制节 奏匹配、自动化程度高和易于采用计算机控制等，已经成为新建轧钢加热炉的首 选炉型【6 1 。 1 9 6 7 年4 月，美国格兰纳特城钢铁公司【7 】采用了米德兰公司设计的世界首座 步进式加热炉，同年5 月由日本中外炉公司为名古屋钢铁厂设计了世界上第二座 步进梁式炉后，步进式加热炉在世界上获得了长足的发展。 为了适应轧机小时产量的提高，步进式加热炉向着大型化方向发展。德国克 勒克纳公司【7 】不莱梅厂热轧用步进梁式炉，其产量为4 0 0 t h ，法国索拉克热轧带 钢厂步进式加热炉，炉子有效长5 3 9 m ，炉子最大产量达5 2 5 讹，1 9 9 0 年，由意 大利i t 公司为加拿大道菲斯克公司【7 】设计的步进式加热炉，加热冷坯时产量为 4 0 0 t h ，加热热装坯时产量为5 5 0 t 1 1 ，该炉内长4 7 3 9 m ，内宽1 2 m ，装有快速出 料机，能使每座炉子产量达1 0 0 0 t h ，该炉采用了较多先进技术，如热滑道水管汽 化冷却，分离的二段式步进梁，二级计算机控制，高效换热器，火焰长度可调烧 嘴。我国8 0 年代从法国斯太因引进了首台2 0 5 0 热轧厂用步进炉【8 】，炉子有效长 5 0 m ，内宽1 2 6 m ，额定产量3 5 0 t h 。 为了减少钢坯与水管接触处所产生的水管黑印，减少坯料温差，提高坯料的 加热质量，步进式加热炉采用了一些技术措施，如采用加热段与均热段步进梁纵 向水管滑道位置错开的布置，可大大减少坯料在加热段带来的黑印。德国一座 4 0 0 t h 产量的步进式加热炉【8 】，为了水梁能错开布置，加热段采用了4 根固定梁， 均热段采用了5 根固定梁，让4 根步进梁均错开布置。意大利奥斯包厂的步进底 式炉，如图1 1 ，可以使坯料在炉内运行过程中转动，这样的设计使炉子产量大 大提高，而燃耗并不增加。 2 中南人学硕十学位论文第一章绪论 图1 - 1 步进底式炉 图1 2 所示为组合式步进炉，预热段和加热段采用梁式，均热段或高温段采 用底式也可以提高钢坯加热质量。 图卜2 组合式步进炉 为了提高热效率和节能降耗，做了水管双层绝热，炉底强度合理，炉体严密， 采用双预热等措施。加拿大道菲斯克加热炉使用焦炉煤气为燃料【9 】，换热器采用 逆流形式，保证空气温度预热到6 5 0 。且在换热器后安装了余热锅炉，使全炉 热效率达到7 5 5 。 推钢式加热炉采用汽化冷却已相当普遍，但步进式炉采用汽化冷却则为数不 多。加拿大道菲克4 0 0 t h 步进式炉，热滑道采用汽化冷却后，使吨钢加热成本从 4 5 5 美元降到3 4 9 美元【m 】。 美国r o u g e 钢铁厂为了降低步进梁立柱孔洞的辐射热，安装了井式孔洞帽， 使炉子节能4 5 ，同时改善了炉压控制，清理水封槽氧化铁皮的次数也大为减 少】。 步进炉的燃烧系统也逐步完善，顶部安装平火焰烧嘴，如图1 3 ，由于平焰 烧嘴空、煤气的混合燃烧是逐渐进行的，加之助燃空气分两次供给，火焰温度分 布比较均匀，不会形成高温区，其n o x 排放量 8 0 p p m 。侧墙的调焰烧嘴是为了 适应长坯料，宽炉型而研制画出来的一种新型烧嘴，其火焰长度可灵活调节，充 分满足加热炉各种加热工艺。 3 中南人学硕十学位论文 第一章绪论 i 空气 图卜3加热炉烧嘴系统 步进式加热炉自动化控制系统已从过去的一级控制发展n - 级控制。二级控 制可以根据轧机节奏、炉内钢坯数量和状态通过加热炉数学模型来实现炉子最佳 燃烧。目前世界上自动化程度最高的步进式加热炉当属建在加拿大道菲斯克的步 进式加热炉，它配备可靠的计算机二级控制系统，具有强大的管理控制和信息处 理功能【1 2 1 。 随着轧钢技术向着连续化、大型化、自动化、多品种和高精度的方向发展， 步进式加热炉也朝着大型化、多功能、优质、高产、低能耗、无公害和操作自动 化的方向迈进。 1 3 j l 热炉数值模拟研究概述 加热炉内的热过程是异常复杂的，在其内部同时进行着流动、混合、燃烧、 传热等过程，而且这些过程相互作用、相互影响。对该设备用纯理论分析也是非 常困难的，因此前人多采用经验方法。但从加热炉模拟的发展过程来看，利用简 化的理论模型，再加入适当的经验结论所形成的半经验半理论方法更能够正确地 反映加热炉的实际工作情况。加热炉内热工过程是一个包含有流动、传热、传质 和燃烧等有关过程的极其复杂的物理化学过程【1 3 】。长期以来，进行加热炉的模化 试验和现场热态试验等炉内试验一直是探索这一复杂过程的有效手段。尽管冷模 实验在某种程度上可以反映出实际窑炉内过程的某些规律，但冷态过程与热态过 程之间毕竟存在一定差别。就目前而言，试验台的设置、实验数据的测量、获取 还十分困难，试验工作量大、周期长而且受到许多客观因素的制约，特别是对不 同加热炉种类进行测试受到实验手段的制约，甚至某些试验还无法进行，通用性 4 中南人学硕十学位论文 第一章绪论 差，难以获得全面的结果，进行试验研究需要耗费较大的人力、物力与资金。因 此，有必要采用更加有效的途径来了解加热炉内发生的复杂的流动和传热等过程。 2 0 世纪7 0 年代以来，随着计算机技术以及计算流体力学、计算传热学和计 算燃烧学等学科的发展，运用数值计算方法模拟加热炉内热工过程已日益成为科 学研究中的重要手段和工程设计用户的有力工具【1 4 】。用数值模拟方法研究炉内过 程可通过编制计算程序，用计算机迅速进行多种方案计算，得到各种参数场的分 布，根据厂家要求选择最佳加热炉种类，这样不仅能缩短建设周期，还能预报出 燃烧室内介质的流动、传热和燃烧性能以及污染物的排放水平。这不但有助于深 化对基本物理现象的认识，而且使燃烧室的设计优化建立在可靠的、合理的计算 力、财力。因此加热炉内过程数学模拟这一方法在工程上的应用必将对加热炉的 设计、使用和理论研究产生巨大的影响，带来无法估量的经济效益【1 5 】。 从数学角度看有关炉膛的数学模型不外乎可分为零维模型、一维模型，三维 模型。零维模型实际上就是集总参数模型，它把炉内各物理量都看作是均匀分布 的，这样的模型最为简单【1 6 1 。一维模型则考虑了各物理量沿炉膛某方向的不均匀 性，由于对这样的模型进行计算并不复杂，因此得到了一些应用。随着计算机技 术的发展，借助高性能计算机可以对窑炉内工作过程进行详细的流动、燃烧、传 热计算，因此三维模型r 益受到重视。国内外均有不少学者已经对此进行了不少 公式，o r r i c k 力h 以修正。得到如下形式的经验关系式f 1 7 1 ： = ( 1 t ) 1 + 一一j 二 5 9 6 、e 式中为炉膛吸热率或称炉膛传热效率，。真值为炉膛辐射换热量与输入炉膛 热量之比，； 前苏联古尔维奇【i8 1 提出了炉膛计算的半经验方法，称为以ukt1 4 法。此方 法当时在实际计算中有较高的准确性，其物理意义明显，推理方法也十分容易接 受。它采用了最为简单的零维模型，把所有炉内物理量均作为均匀分布处理，由 热平衡可知，烟气在炉内的放热量与高温烟气和水冷壁间的辐射换热量相等。 空间的热交换过程【1 9 】，用这种方法进行研究时，把炉膛分割为若干容积区域( 此 中南人学硕七学位论文第一章绪论 处为气体) 和表面区域，这些区域都很小，以至可以将每一区域看作是个均匀混 合介质，针对每个区域可以写出辐射能量平衡方程式，这样就会形成一组有关未 知温度或热流的瞬态方程组，通过求解总能量平衡方程就可以得出每个区域的温 度或热流。单独应用区域法求解炉内辐射传热问题时，需先估计或测定炉内流场 的速度与浓度分布，在先估定热流分布情况下，可迭代求解热流的分布。用区域 法计算辐射换热在原理上是较好的，但是计算工作量大，很费时间，且不宜把炉 膛分成很多区域，所以区域法常用在几何形状较简单和温度变化较小的场合。但 截至目前为止，只有少数几种情况存在一维或二维的精确解，因此区域法仍作为 最精确的数学模型用以考核其它计算方法的精度【2 0 1 。在七、八十代，s p a l d i n g 首先 在计算机上得到了边界层燃烧问题的数值解，并在继承前人研究成果的基础上， 创立了“湍流模型”方法，提出了一系列的湍流和湍流燃烧模型【2 1 1 ，近三十年来， 各国相继发展了燃烧过程数值计算的研究工作，在数值方法和计算机等方面都取 得了一系列的进展。g r o w 等的气固两相模型【2 2 1 ，p a r t a n k a r 的s i m p l e 算法的相继 问世，标志着模型发展与完善阶段的开始【2 3 1 。丽英国的a b b a s 和l o c k w o o d 等对前 墙布置燃烧器和切向燃烧两种类型的锅炉进行了气相燃烧模拟，辐射传热采用离 散传播法，燃烧模型采用简单的单步快速反应，所得的冷态流场与试验值比较吻 合【2 4 1 ，这标志着一整套的燃烧室内的模拟方法开始初步形成，燃烧室的模拟开始 走向大型的炉内模拟。1 9 8 8 年德国斯图加特大学的g o m e r 对侧墙有8 个切向进风燃 烧器的炉膛( 燃褐煤) 内的三维两相流动、传热与燃烧过程进行了数值模拟，气相 场的求解运用将泊松方程的直接解法和压力修正进行结合，辐射传热分别采用六 通量热流模型和半随机的m o n t e c a r l o 法进行计算比较，分别预报了速度场、压力 场、热流分布等【2 5 】。卡内基梅隆大学b r i m a c o m b e ，j k 等于1 9 8 8 年开发了钢坯加 热炉稳态数学模型，其中采用区域法计算辐射换热，有限差分法计算钢坯二维导 热，只考虑了纵向传热影响，分析了钢坯温度、炉内温度和水冷梁的结构对黑印 形成的影响，结果表明，引起钢坯表面形成黑印的主要原因是由于水冷梁的结构 不合理，消弱了钢坯部分表面接收的辐射热，并且通过模型证明了通过改变梁的 结构可以缓解黑印的形成，但此模型并未考虑燃烧过程，因此没有对炉内浓度场 进行分析。最近，m a ny o u n gk i m 2 7 】编写了p o s c o 的二维步进式加热炉传热模型 计算程序，模拟了炉墙与钢坯的传热过程，对比了不同吸收系数和发射系数对钢 坯加热的影响，模拟结果表明，黑度对钢坯传热的影响很大，但此模型忽略了燃 烧过程，因此不能对炉内流场和浓度场进行分析，进而不能对钢坯的氧化烧损进 行研究。 国内方面，中南大学肖泽强、欧俭平【2 8 】等通过c f x 软件以蓄热式加热炉为对 象建立了三维数学模型，应用了f f 湍流模型、耦合混合燃烧模型和蒙特卡洛 6 中南人学硕士学位论文第一章绪论 法辐射换热模型，耦合了钢坯动态加热子程序，研究了钢坯在各个时刻的加热情 况，且模拟了某位置的烧嘴停止工作下的炉内温度场和钢坯加热情况，并对仿真 结果进行了现场验证，相对误差不超过3 o ，认为计算基本符合实际情况，对指 导生产具有指导意义，但此模型并未考虑炉气对钢坯传热的影响，这便限制了对 钢坯氧化烧损的研究。 东北大学陈海耿、宋晓娜【2 9 】等对钢坯做二维假定，对热滑轨做一维假定，使 用有限差分法，通过f o r t r a n 语言编写了计算程序，对连续式加热炉内钢坯黑印进 行了模拟研究，模拟结果表明，增加水冷梁孔洞的数目能有效减轻钢坯黑印，不 同材质的热滑轨产生的黑印温差无明显差别，此模型也未考虑炉气对钢坯传热的 影响。 北京科技大学刘向军，杜冰雁【3 0 】等以某钢厂三段式加热炉为对象，通过 s t a r c d 计算软件建立了炉内燃烧流动和传热模型，湍流模型采用k 双方程 模型，辐射换热计算采用六通量法，气相燃烧采用修正e b u 模型，流场采用s i m p l e r 算法，模拟结果表明：炉气辐射热源梯度大，加热段高温区较多，但此模型并未 耦合计算钢坯的传热过程，这对于分析钢坯氧化烧损是不可行的。 北京科技大学温治，苏福永【3 l 】等应用f l u e n t 计算软件建立了双蓄热式环形炉 内流动与传热过程的数学模型，湍流模型采用k e 双方程模型，辐射换热计算采 用离散坐标( d o ) 辐射模型，气相燃烧采用平衡混合分数( p d f ) 模型，通过模 拟计算，结果表明：炉膛内温度均匀性较好，一氧化碳燃烧完全，二氧化碳的浓 度在炉内分布均匀，但此模型忽略了钢坯的传热过程，这对于分析炉内温度场存 在较大误差。 1 4 钢坯氧化烧损的研究概述 钢坯在加热过程中表面会产生氧化，氧化铁皮的产生使钢坯导热系数降低， 延长了钢的加热时间，降低炉子效率；氧化铁皮还造成炉底耐火材料的侵蚀，影、 响炉体的寿命【3 2 】；研究钢坯氧化烧损一直是个热点问题，目前来说，钢坯在加热 过程中氧化烧损是不可避免的，国内外学者通过各种方法对钢坯氧化问题进行了 研究。 p e t t i t 和w a g e r 于1 9 6 4 年通过实验得出，当氧化铁皮达到一定厚度时( 约 0 0 0 4 m m 一0 0 1 m m ) ，氧化机理发生变化，氧化率主要由离子通过氧化层扩散决定， 此时氧化铁皮的增长率是关于氧化时问的抛物线性函数【3 3 1 。g v s a m s o n o v 3 4 】在 1 9 7 3 年出版的氧化手册中提出，氧化铁皮中的铁原子扩散速度明显大于氧原子的 扩散速度，并且，仅当铁原子扩散到氧化铁皮表面时，氧化铁皮才会增长，因此， 7 中南人学硕十学位论文第一章绪论 铁原子的扩散速度决定着氧化铁皮的增长速度。s h a e s b y 对1 2 0 0 。c 的低碳钢进行 研究【3 5 1 ，结果表明，氧化铁皮的成分分别为f e o ，f e 3 0 4 ，f e 2 0 3 ，其所占的含量 比值分别为9 5 ：4 ：1 。m p i c a r d 通过对4 p h b t 钢在相同炉内气氛不同温度下进行研 究表明3 6 1 ，如图1 4 所示，钢坯在7 0 0 c 时氧化铁皮开始松动，1 1 0 0 ( 2 时氧化铁 皮松动明显，甚至脱落。 图卜4 氧化铁皮a = 7 0 0 b = 1 1 0 0 安阳钢铁公司杜永军【3 7 】进行了热送热装改造，建立了与炼钢工序的信息沟通 网络，实现了炼钢一轧钢的机对机热送热装，大幅度提高了热装比，使连铸坯 料入炉温度提高，在提高炉子加热能力的同时，缩短了钢坯在高温区的停留时间， 加强轧机与加热炉之间的协调化操作管理，减少钢坯在炉内的保温待轧时间，使 氧化烧损率由1 9 8 降低至1 0 7 ，降低了4 6 。 鞍钢新轧钢技术中心邓伟等人【3 8 】通过对钢坯氧化烧损影响因素的实验研究 表明：温度越高，氧化烧损越严重，如图1 5 所示，温度达1 2 0 0 后氧化烧损加 剧；氧化烧损随空气消耗系数的升高而增加( 如图1 - 6 所示) ；并与现场技术人员 对加热炉加热段及均热段的空气系数进行了调整，生产操作中，将空气消耗系数 由原来的1 8 调低至1 0 5 1 1 5 之间，从运行效果看，加热过程中钢坯氧化烧损得 到了控制，氧化铁皮大大减少，加热炉的清渣周期由4 个月延长到6 个月以上。 图1 - 5 氧化烧损与加热温度的关系图1 - 6 氧化烧损空气系数的关系 天津市车l - - - n 钢有限公司聂维【3 9 】通过研究炉内气氛对氧化过程的影响得出 当空气过剩系数从1 3 降至1 0 5 时每降低o 1 可减少2 0 的氧化铁皮生成量，通 过研究温度、时间和氧化烧损量的关系，得出提高轧制速度，缩短加热时间可减 8 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 少氧化烧损量，通过延长预热段，高温快速加热，均热段少加热的操作制度，使 氧化层厚度降低了o 1 5 m m ，氧化烧损较以前减少了2 5 。 宝钢股份有限公司张正割删认为钢坯单位面积的氧化量与在炉加热时间的 增长速度成反比，并以此为出发点建立了宝钢热轧加热炉钢坯氧化烧损数模，通 过试验回归法用加热炉正常工况下典型钢种试验数据对模型进行了修正，在线计 算钢坯氧化烧损率，计算值与实测值的相对误差为3 9 4 ，但此计算模型并不能 对钢坯在炉内的动态氧化情况做离线研究。 东北大学于洋掣4 l 】通过氧化动力学与现场实际相结合建立了氧化动力学模 型，模拟了a s p 热连轧过程中氧化铁皮的生长情况，得出了氧化铁皮的厚度和时 间的关系，此模型可以模拟不同工艺制度和不同钢种条件下氧化铁皮的演变规律， 为调整生产工艺参数、控制氧化铁皮厚度提供了数据，但此模型对于变炉内气氛 的氧化烧损研究存在一定限制。 北京科技大学温治、朱宏祥【4 2 】等通过氧化烧损模型模拟了钢坯在加热炉内的 氧化过程，结果表明，钢坯在预热段氧化烧损较少，在加热段和均热段氧化烧损 严重；但实际情况下，钢坯在炉内的步进加热过程中，钢坯附近的氧浓度是变化 的，而此模型将钢坯附近氧浓度考虑为定值，这对于氧化烧损的分析是有误差的。 中南大学蒋绍坚、蒋受宝【4 3 】等建立了加热炉模型，炉内温度场简化为零维， 研究了高温富氧空气燃烧对氧化烧损的影响，研究表明：在预热9 0 0 和含氧体 积分数为5 4 条件下燃烧与传统燃烧相比氧化烧损可降低4 0 ，这对于氧化烧损 理论研究上具有一定的意义。 1 5 研究内容 纵观国内外文献可以看出，国内外学者通过试验手段研究了多种因素对钢坯 氧化烧损的影响，如温度、炉内气氛、时间等，但实际上钢坯的氧化烧损是受这 些因素同时影响的，而通过试验手段来研究的话很难获得全面、详细的数据。通 过数学模型来研究的学者基于研究目的的不同做了某些假设，多数忽略了钢坯传 热或将钢坯附近氧浓度考虑为定值。本文在总结国内外建模基础上，将通过f l u e n t 计算软件建立炉内三维燃烧、流动传热模型，并将得到的三维温度场、浓度场耦 合氧化烧损计算子程序研究炉内钢坯动态加热、氧化过程，从而优化钢坯加热制 度，为加热炉优化操作生产j 为钢铁企业节能降耗提供依据。 研究内容： ( 1 ) 建立加热炉传热模型，分析常规模式下炉内钢坯传热过程和氧化铁皮增 长规律； 9 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 模型验证的现场测试( 包括炉内温度、烟气浓度、煤气成分、钢坯氧化 烧损等) ； ( 3 ) 通过模型研究各热工因素对氧化烧损的影响，并给出优化方案； ( 4 ) 模型应用的现场测试( 炉内温度、烟气浓度和钢坯氧化烧损) ： l o 中南大学硕士学位论文第二章加热炉数值模拟与现场验证 第二章加热炉数值模拟与现场验证 炉内传热过程是个复杂的物理、化学过程，包括气相流动、燃烧、辐射换热 等，且这些过程同时存在，相互影响。基于上一章对加热炉数值模拟研究现状的 综述，本章将通过数值模拟手段，分析常规模式下的炉内传热特点及氧化铁皮生 长过程。 2 1 加热炉数学模型 2 1 1 基本控制方程 建立湍流均流控制方程的基础是雷诺分解与平均，所以控制方程也称作雷诺 方程。基本方程的因变量在湍流的流场中表示该变量的瞬时值，对这些量进行雷 诺分解，而后对方程中的各项进行雷诺平均，即可得到湍流均流控制方程，包括 连续性方程、动量守恒方程及能量方程【棚。 1 ) 连续性方程 连续性方程又称为质量守恒方程，它基于对任意控制体系，体系内质量的增 加率等于从外界进入体系的净质量流率。其矢量表达式为： _ 0 , o + v 泐) ：0 ( 2 1 ) f 式中，p 为密度；f 为时间；u 为速度矢量。 2 ) 动量守恒方程 动量守恒方程可阐述为：单位体积流体某方向动量的增加率等于该方向流体 动量的净流入率与作用于它在该方向的外力之和。i 方向动量的矢量表达式为： 吴沏，) + v ( p u “，) ：_ o r u + o zo x ； ( 2 - 2 ) 式中：f ，为流体所受到的表面力在f 方向的分力，即广义牛顿粘性应力，包括静压 力和流体粘性力；万为f 方向上的外部体积力，可以是重力、电磁力等。 3 ) 能量方程 能量守恒方程可表述为：单位体积流体内总能量的增加率等于进入该体系的 净热流率与体积力、表面力对体系作功率之和。其矢量表达式为： o _ ( p h ) + v ( p u h ) ：v q v 丁) - p v “+ + s h ( 2 - 3 ) 式中，h 为显焓；五是流体热导率；r 为温度；瓯为包括流体内热源、辐射换热等 中南大学硕士学位论文 第二章加热炉数值模拟与现场验证 的源项；为由于粘性作用机械能转换为热能的部分，称为耗散函数；p v 历为 表面力对流体控制体系所做的功。 2 1 2 湍流模型 炉膛内湍流流动是一种高度复杂的三维流动。从物理结构上说，可以把湍流 看成不同尺度的涡旋叠合而成的流动。这些涡旋的大小及旋转轴的方向分布是随 机的。大尺度的涡旋主要由流动的边界条件所决定，其尺寸可以与流场的大小相 比拟，是引起低频脉动的原因；小尺度的涡旋主要是由粘性力引起的，其尺度可 能只有流场尺度的的千分之一的量级，是引起低频脉动的原因。大尺度的涡旋破 碎以后形成小的涡旋。较小尺度的涡旋破裂后形成成更小尺度的涡旋。因而在充 分发展的湍流区域内，流体的涡旋的尺寸可在相当宽的范围内连续地变化。大尺 度的涡旋不断地从主流获得能量，通过涡旋问的相互作用，能量逐渐向小尺度的 涡旋传递。最后由于流体粘性的作用，小尺度的涡旋不断消失，机械能就转化( 或 耗散) 为流体的热能。同时，由于边界的作用、扰动及速度梯度的作用，新的涡 旋又不断产生，这就构成了紊流运动。由于流体内不同尺度涡旋的随机运动造成 了紊流的一个重要特点物理量的脉动。在湍流中流体的物理参数，如速度、 压力、温度等都随时间与空间发生随机的变化。一般认为，无论紊流运动多么复 杂，非稳态的n a v i e s s t o k e s 方程对于紊流的瞬时运动仍然是合适的。湍流模型的 基本思想是用低阶关联量和平均流性质来模拟未知的高阶关联项，从而封闭平均 方程组或关联项方程组1 4 引。 目前的湍流数值模拟方法可以分为直接模拟( d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， 简称d n s ) 方法和非直接模拟方法。由于直接模拟对计算机内存及计算速度要求 比较高，目前还没有在工程计算中广泛运用。非直接模拟包括大涡模拟方法 ( l e s ) 、统计平均法和r e c o r d s 平均法( r a n s ) 。统计平均法是基于湍流相关函 数的统计理论，用相关函数及谱分析的方法来研究湍流结构，主要涉及小尺度涡 的运动，在工程上应用不是很广泛；而大涡模拟方法( l e s ) 的基本思想是：用 瞬时的n s 方程直接模拟大尺度涡，不直接模拟小尺度涡，而小涡对大涡的影响 通过近似的模拟来考虑。该模型是目前c f d 研究和应用的热点之一，仍处于起步 阶段。而r e c o r d s 平均法的核心是不直接求解n s 方程，而是想办法求解时均化 的r e c o r d s 方程。该方程不仅避免了d n s 方法的计算量大的问题，而且对工程应 用可以取得很好的效果。因而r e c o r d s 不仅避免了d n s 方法的计算量大的问题， 而且对工程应用可以取得很好的效果。而其r e c o r d s 平均法是目前使用最广泛的 湍流数值模拟方法。根据对r e y n o l d s 应力做出的假设或处理方法不同，目前常用 1 2 中南大学硕士学位论文 第二章加热炉数值模拟与现场验证 的湍流模型有两大类：r e y n o l d s 应力模型和湍流粘性系数法。r e y n o l d s 模型直接 将r e y n o l d s 应力用微分方程表示。建立r e y n o l d s 应力的方式有两种：一是r e y n o l d s 方程