（工程热物理专业论文）全氢罩式炉料室空间流动特性研究.pdf

a thesis submitted in partial of fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering study on flow characteristic of work base for high performance hydrogen bell-type annealers candidate: huang wenwen major: engineering thermodynamics supervisor: prof. jin shiping prof.huang suyi huazhong university of science flow ; distribution network processing method ; simulation 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 iii 目目 录录 摘 要 . i abstract . ii 1 绪论 1.1 背景 . (1) 1.2 退火 . (1) 1.3 退火炉 . (2) 1.4 课题来源 . (4) 1.5 国内外相关研究现状 . (5) 1.6 论文内容概要 . (6) 1.7 本章小结 . (6) 2 全氢炉退火过程分析 2.1 全氢罩式退火炉基本构造 . (7) 2.2 全氢罩式炉操作工艺流程 . (9) 2.3 全氢罩式炉退火工艺 . (10) 2.4 全氢罩式炉传热分析 . (11) 2.5 本章小结 . (12) 3 料室空间流动模拟研究 3.1 料室空间流动二维模拟 . (13) 3.2 料室空间流动三维模拟 . (16) 3.3 本章小结 . (19) 4 料室空间流动理论研究 4.1 流体力学基础 . (20) 4.2 料室空间流动理论简化研究 . (20) 4.3 料室空间流动理论修正研究 . (25) 4.4 本章小结 . (27) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 iv 5 料室空间流动程序介绍及模型对比 5.1 程序简介 . (28) 5.2 模型对比 . (29) 5.3 本章小结 . (30) 6 料室空间流动影响因素分析 6.1 对流板尺寸 . (31) 6.2 钢卷尺寸 . (31) 6.3 内罩尺寸 . (34) 6.4 循环流量 . (35) 6.5 表面粗糙度 . (36) 6.6 堆垛数 . (37) 6.7 本章小结 . (37) 7 展望及全文总结 7.1 沿程阻力损失系数 . (38) 7.2 局部阻力损失系数 . (39) 7.3 其他相关量 . (39) 7.4 实验数据 . (40) 7.5 全文总结 . (40) 致谢 . (41) 参考文献 . (42) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论 1.1 背景 能源与环境问题一直是全球关注的热点和焦点。我国是一个能源大国，能源产 量很高，但其总量毕竟是有限的，现在形势也越来越严峻。而且我国人口基数大， 人均占有能源量却是很少的。不仅如此，我国能源消耗量是巨大的，万元 gdp 消耗 持续走高。由此造成的环境问题不仅对人们的生活产生越来越大的影响，而且治理 起来得不偿失。节能减排的工作现在已经深入人心，这对作为国民经济重要基础产 业的钢铁行业来说，提出了更高的要求。因为他是技术资金资源能源密集产业，高 排放高耗能，有着举足轻重的地位。所以，在原料上涨，成本加倍，市场形势严峻 的环境下，优化钢铁生产环节，采用新技术，节能减排是基本举措。 另一方面，随着中国工业的发展，钢铁产品需求量上升，国际国内两个市场使 得钢铁产量由 2003 年的 2.22 亿吨到 2010 年 6.27 亿吨，差不多增长了两倍。而冷 轧产品由于广泛应用于汽车制造，家用电器，机械制造，建筑，轻工，电子，石油， 石化，农业及环保等行业，而且作为一种高附加值的产品，表现得尤为突出。而对 于冷轧产品的质量也有了更高的要求，不仅需要良好的表面性能，也需要良好的力 学性能，来实现多方面的功能。冷轧的基本工序主要有酸洗、冷轧、退火、平整、 包装等 1，退火作为一个相当重要的中间环节很受重视。各钢铁企业不断研究优化退 火过程，应用新技术，新设备和控制方法，以满足工业发展对高性能冷轧板带材的 需求。 1.2 退火 退火作为一种金属热处理工艺2， 是指按照一定的工艺曲线将工件加热至所需要 的温度，保温一段时间，然后进行冷却，以达到所需的质量。首先它可以消除冷轧 产生的加工硬化现象，降低硬度和强度，改善切削加工性能，保证在后续的深冲和 拉延过程中有良好的可塑性。其次，他的光亮退火很好的改善表面性能，减少腐蚀 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 和积碳。工业生产中，退火应用得很广泛，根据工件材料不同，退火目的不同，工 艺规范也有很多种，常用的有完全退火，球化退火，去应力退火等。 图1-1 轧钢主要工艺流程 当工件加热到再结晶温度以上，金属内部原子受到激发，晶粒经过回复，再结 晶，晶粒长大等过程得到很好的排列组合，由不稳定状态达到稳定状态，细化了晶 粒，消除了组织内部的缺陷，如晶粒破碎等，改善了残余应力，稳定尺寸，减小了 变形及裂纹的倾向。由于退火一般是最后一道工序，所以其过程尤为重要，因为， 一旦出现问题，将会前功尽弃。 1.3 退火炉 退火炉一般来说应该具有以下特点：退火过程中，钢卷加热应该均匀快速。保 温过程中，钢卷各点温差要小。冷却过程要迅速。退火结束要保证钢卷表面光亮， 减少积碳和氧化。降低燃料，保护气体和冷却水的消耗。操作简单，检修方便，安 全可靠。目的是为了一方面保证良好的退火质量，另一方面缩短时间，提高设备利 用率，降低能源介质使用。 退火炉主要包含以下几个部分，密封系统，排烟预热系统，燃烧系统。经历了 几十年的发展，退火炉得到了很大的进步。目前主要有两类退火炉：连续退火炉和 罩式退火炉。连续退火炉是 20 世纪 30 年代国外开始研制的，其处理过程主要如下， 钢卷在经过一系列处理之后， 以带状的形式依次通过炉体， 在炉内加热到 700左右， 达到规定要求后保温冷却，在炉内的过程一般为五分钟左右，出炉直接卷曲，一般 采用辐射管加热，整个流水线生产对效率的提高大有帮助。连续退火炉主要包括带 钢连续式和台车连续式两种，需要电机，减速器带动传动装置，不适合小批量生产。 罩式退火炉属于间歇式退火炉，钢卷堆于内罩内，中间有加强对流换热用的对流板， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 底部有循环风机和扩散器，密封的内罩内充满循环气体，一方面防止钢卷与外界的 氧接触， 另一方面提高对流换热。 加热过程扣有加热罩， 冷却过程有带加热罩冷却 3， 辐射冷却，空气冷却，喷淋冷却四种方式。分析两种退火过程，可以发现，对于一 些有特殊要求的钢材，例如硅钢片，需要采用罩式退火炉，因为静止的钢卷可以得 到很好的控制。另外，罩式退火炉的可塑性更强。但是，也因此造成的罩式炉的致 命弱点是成卷处理，加热、冷却效率较低，有时，为了某些特殊处理还需要进行松 卷。所以，为提高罩式炉的生产能力，还有很多研究和改进工作可以做。连续退火 炉和罩式退火炉各有优缺点，在很长一段时间内，他们还将共存。 罩式退火炉主要发展阶段有三个 4：传统罩式炉，混氢强对流罩式炉，全氢强对 流（hicon/h2）高性能（hph） 5罩式炉 6。保护气体逐渐由氢气取代氮气，密封结 构由橡胶密封取代了沙封，以保证气体的纯度和钢卷表面的光亮；炉衬采用了轻质 节能的陶瓷纤维 7，隔热效果好，而且起吊更加方便；使用了大功率循环风机强制对 流，加快换热，减少升温时间，防止热量集中造成机械性能不均匀。采用冷却水喷 淋内罩，水冷换热器冷却保护气体以及冷却罩来加快冷却 8，一台冷却罩可以供给两 个内罩，提高设备利用率和退火效率；烧嘴带有空气和燃气预热装置，能更好地吸 收余热，减少排烟热损失。全氢炉由于其各方面的优势将逐步取代氮氢罩式炉 9。 图1-2 氢气与氮气介质对流换热系数的比较 作为全氢炉保护性循环气体的氢气，它与氮气相比它具有如下显著优势：导热 系数是氮气的7倍，这样有助于加强传热，特别是对于钢卷径向导热系数，包含钢卷 导热和气层导热两个方面。密度是氮气的1/14，风机功率一定的情况下，将有更高 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 的流速，换热时间得以减少。同时氢气的粘度仅为氮气的1/2，大大增加了对流换热 系数。有利于钢卷均匀加热，机械性能均匀，打破加热限制。因此同等条件下，炉 内保护气体具有高的流动速度和传热速度，再配以氢气的还原特质，防止氧化和腐 蚀，碳污染少，表面油质也可以快速挥发，避免后续处理-酸洗，减少了工序，能 源与保护气体消耗量低，降低了污染。所以无论是从质量产量上都是有益的 10。 1.4 课题来源 全氢罩式炉的应用已经日趋普遍，在世界范围内有取代氮氢罩式炉的趋势。但 是，从目前来看，国内各钢铁企业，离掌握全氢炉退火过程的核心技术还有一段距 离。长期以来，国内很多学者和研究机构对退火过程进行了实验研究，得到了很多 有用的数据，但是对现场指导的意义很有限，而在数学模型方面的研究的主要问题 就是不够精确。而国外引进的软件也存在各方面的问题，主要是知识产权问题及炉 型适用性问题。不仅如此，全氢炉退火过程的控制基本基于现场工作人员的经验， 这种经验由试验加以改进，具有很大的不确定性，而且难以满足多规格，多品种， 高质量的要求。因此，从数学模型的角度深入研究退火工艺的各个环节，对于消化 和吸收国外先进技术，提高我国罩式炉自行改造和扩展能力，开发适合我国各种情 况下使用的全氢罩式退火炉，实现钢铁行业可持续发展具有重要意义。 本课题与江苏凯特尔工业炉合作，对全氢罩式炉退火过程的工艺过程和传热机 理进行分析，建立模型化体系，编写离线预测平台，形成具有自主知识产权的退火 控制技术，提高产品质量和种类，节能降耗。笔者主要研究料室空间流动特性，因 为它是钢卷直接所在的环境。对流换热是保护气体与内罩和钢卷之间的主要换热方 式，直接影响钢卷乃至整个罩式炉的换热效果。而保护性循环气体的流量和流速分 配影响着对流换热系数。我们不难理解，采用大功率，大风量的炉台循环风机，加 大气体流速，在最短时间内把内壁上的热量传递给带钢卷，可以提高对流传热，缩 短带钢卷的升温时间 11。所以，笔者主要从料室空间保护气体流动着手，以数值模 拟的方式研究和验证流通网络处理方法的合理性，并基于此编写料室空间流动的专 项处理程序，将复杂的流动过程以简单的方式进行处理。对不同堆垛数，不同钢卷 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 尺寸，不同对流板结构尺寸和其他敏感性因素加以分析，本课题后续还有实验性工 作，因此，具有一定的指导意义。 1.5 国内外相关研究现状 国内外的许多学者和研究单位对全氢罩式炉离线预测做了分析，取得了不少的 成果12。他们通过对全氢炉传热的关键环节进行研究，建立相关模型。搭建仿真体 系，并通过现场试验进行结果分析对照，验证其准确性，而对于那些由于物理条件 而不能够实现的情况，则主要通过数值模拟来精确显示。归纳起来，主要有这么几 个方面： 1. 钢卷径向导热系数模型。 2. 钢卷表面对流换热系数研究。 3. 料室空间保护气体流动特性研究。 4. 钢卷与内罩辐射换热的研究。 5. 加热室内燃烧传热特性的研究。 这样就建立起全氢炉退火传热过程模型体系，并基于此进行钢卷温度场的模 拟研究。现在着重介绍料室空间保护气体流动特性的发展状况。国内外在处理内罩 流动时， 采用了许多假设， 基于经验和总结， 积累了不少经验 13。 1983 年， perrin ar 14等人做了一种简单的假设，进行流量分配的处理，因为对流板形式基本相同，所 以其流动比例也一样，这样保护气体循环量从上到下逐渐减少；1998 年，欧阳德刚 通过设置探头测试静压和动压来计算循环气体的流速，分析了流速沿罩式炉高度的 变化以及等高截面气流的周向速度，并基于保护气体流场分析对影响因素进行了研 究，提出了改进措施，为内罩流动情况提供了有用的实测数据 15。孙晨等取 1/4 圆 周，对不同循环风量下钢卷和对流板处的流量比例进行了模拟研究，发现循环气体 主要从最上面的顶部空间流动，对流板处较少 16；张西合17首先基于流体力学基本 原理验证了动网格技术在研究上的合理性，然后考虑底部旋流的部分，进行了模拟 研究，不仅清楚了表现了气体的螺旋运动，旋流状态，其模拟结果与欧阳德刚的测 试结果也基本吻合。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 而在流动情况模型化方面，流通网络法不断被采用，并得到了优化。危日光， 林林 18,19等人做出了如下假设： ( 1) 内罩严密密封，循环气体无泄漏，体积不变，底部循环风机帮助循环； ( 2) 稳定工况下，保护气体定常流动。 李卫杰等人从模型化着手，基于新建流通网格模型，搭建了仿真体系，利用 fluent 进行模拟验证，以及和欧阳德刚的测试值进行对比，基本吻合，然后他们对 影响流动的敏感性因素进行了分析，如循环风量，温度，扩散器角度，保护气体成 分，表面粗糙度等，得出了一系列的结论，是对前人工作很好的总结和开拓，在指 导以后工作上具有很重要的意义 20。 1.6 论文内容概要 本文主要在学习前人研究成果的基础上，基于连续性方程和流动阻力损失方程 组编写了用于计算内罩内流量分布的程序，同时进行了二维和三维模拟，将模拟与 理论计算的结果进行对比。然后对比分析了常用的理论计算模型的优劣，基于程序 对影响流量分配的关键因素，如对流板结构尺寸，内罩及钢卷尺寸，钢卷堆垛数和 堆垛方式进行分析研究，得到了他们对流量分配的影响大小，指导合理分配料室空 间流量。最后对今后还需要进行的工作进行了总结，以期待有更精确和创新性的研 究。 1.7 本章小结 本章首先从能源环境及钢铁行业特别是冷轧退火的快速发展的背景入手，介绍 了退火及退火炉的作用，接着介绍了连续退火炉和罩式退火炉这两种还将长期共存 的各有优缺点的退火炉，并分析了罩式退火炉从传统罩式炉，氮氢罩式炉，全氢罩 式炉的发展趋势和氢气作为保护气体之所以优越的原因。阐述了罩式炉退火模型化 研究的重大意义，以及在这方面所取得的成果，最后对本文的研究内容作了简要介 绍。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 2 全氢炉退火过程分析 2.1 全氢罩式退火炉基本构造 全氢罩式炉的结构如图 2-1 所示 21，可以看出，它主要包括内罩，加热罩，冷 却罩，炉台等部分构成，各个部件的配套使用，保证了退火过程的完成。 图2-1 全氢罩式退火炉基本结构 (1) 炉台 炉台是全氢炉的基础设备，也成为底盘。首先他起着支撑内罩以及外罩（加热 罩，冷却罩）的作用。并且它和内罩一起形成橡胶密封，配以自动夹紧系统和软件 控制，保证保护气体不会泄露，因为氢气是可以发生爆炸的，必须保证安全。炉台 底部装有循环风机，用以加快保护气体的流动，一方面可以达到钢卷温度均匀一致， 另一方面可以缩短加热和冷却时间，起到节能的作用。其驱动电机有三种，密封水 冷的专用电机，带驱动，长轴电机以及长轴通用电机。炉台上还有保护气体输入和 输出管道以及排烟管道，用以排除燃烧产生的废气。此外，炉台上还有热电偶用于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 测温和旁路冷却系统用于冷却保护气体。扩散器根据风洞试验设计，给予循环气体 以最好的初始状态。 （2）内罩 内罩也称为保护罩，里面充满着保护气体，它将钢卷所处的环境，即料室空间 与外界燃烧环境隔开，防止了钢卷的氧化，并在加热和冷却过程中进行热传递，内 罩是一个倒 u 形的设置，一般由高温不锈钢做成，能够扣紧在炉台之上，防止易燃 易爆的氢气泄漏，在退火过程完成时可由顶部吊起而移开。内罩从外观来看可以分 为两种，一种是直壁式，用于分流式快速冷却系统；一种是波纹式，用于喷水冷却 系统。 （3）加热罩 加热罩是罩式炉结构中最复杂的部分。它主要由耐火模块，轻质陶瓷纤维以及 外部钢结构组成，轻质节能。它是燃烧的场所，用以给内罩加热。其中 8-12 个燃烧 器切向布置，保证火焰环的形成，分为两排，为了尽可能保证内罩加热均匀。加热 罩燃烧产生的废气首先预热燃气，接着还可以预热空气，热交换效率高，起到了节 能降耗的目的。加热罩还配有燃气空气调节系统，保证两者有很好地燃烧比例。此 外，还配有完善的点火控制系统，开关控制系统，火焰监测系统以及报警系统，保 证安全。 （4）冷却罩 在冷却阶段，加热罩被吊走一段时间后，需要扣冷却罩进行空气冷却，这样做 是为了提高设备利用率，提高生产效率。冷却罩配有两个轴流风机用于加快气体流 动，还配有喷淋装置进行喷淋冷却，但是这个容易照成内罩腐蚀，降低了设备寿命， 因此对水质有很高的要求，一般有 75%的高性能全氢罩式炉采用分流式快速冷却系 统。 （5）对流板 对流板是提高炉内换热的一个非常重要的设备，因为它不仅可以提高径向导热 系数，也额外的开辟了几条流道用以加强传热。此外，他还有支撑的作用，防止损 坏带钢边缘，一般他与钢卷只有 50%接触。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 （6）安全系统 氢气是易燃易爆的气体，必须保证安全，对于保障措施提出了更加严格的要求。 首先必须保证内罩内部无裂纹，有较高的加工质量。还有各处阀门无泄漏，仪表显 示正常，在充氢开始前要进行密封测试，防止泄露；氮气吹扫过程中要保证吹扫时 间，氮气量，还有氧含量。内部空间设置了氧探头，对于氧含量能够随时监测。当 出现氢气压力降低，氧含量超过 1%会自动进行氮气吹扫，也可手动按键。循环水流 量自动测量控制。 （7）控制系统 全氢罩式炉控制系统由三级构成 22，第一级是炉台控制单元（buc） ，第二级是 过程控制单元（scc） ，第三级是主计算机系统。通过这三级系统，对流程和运行状 态进行控制，对过程量进行监测，对错误进行自动修正报警，很好的保证了生产效 率和产品质量。 从上面不难看出，全氢罩式炉消耗的能源介质主要有，燃料加热，风机用电， 保护气体，冷却水，空气。正是拥有上面所述的主要部件，并配以对于压力，温度， 流量等数据的测量控制调节系统， 以及密封系统， 冷却系统， 循环系统， 安全系统 23， 罩式炉才能良好的进行退火处理。 2.2 全氢罩式炉操作流程 全氢罩式炉的操作工艺如图 2-2 所示 2425： （1）炉台装料：将钢卷按规定的次序装在炉台上，中间隔以对流板，保证钢卷 中心，对流板中心，炉台中心在同一条直线上。 （2）密封测试：吊装内罩并液压锁紧。检验氢气阀不泄露。然后进行密封测试， 首先用氮气小流量的置换空气，当内罩内的压力达到 5500pa 时，停止供应氮气，如 果在十分钟内，炉内的压力在 4500pa 以上，则认为密封良好，否则需要进行检查， 确保安全。 （3）扣加热罩点火：用氮气吹扫使得内罩内的氧含量低于 1%，吹扫时间和吹扫 量达标时，可以满足点火要求，必须用空气吹扫燃烧空间防止燃气浓度过大发生爆 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 炸， 点火的同时用氢气置换氮气， 燃烧室的温度低于 250时氢气置换氮气已经完成， 退火在全氢氛围内完成，吹扫排出的氢气用于加热室燃烧。 （4）加热均热：按照退火工艺控制加热过程，当钢卷升至一定温度后，保持这 个温度恒定一定时间，在冷却过程开始前，需要进行密封测试。 （5）冷却：冷却主要有四种方式，带加热罩冷却；辐射冷却，指的是从吊走加 热罩到盖上冷却罩的这段时间内，内罩与外界进行换热；空气冷却，扣上冷却罩后， 高速流动的空气对内罩有良好的冷却效果；喷淋冷却，及直接对内罩外表面喷淋。 （6）氮气吹扫：用氮气吹扫氢气，防止氢气进入外界环境发生爆炸。 （7）卷料出炉：移除冷却罩，移除内罩，钢卷出炉，退火完成。 图2-2 全氢罩式炉操作工艺 2.3 全氢罩式炉退火工艺 无论是加热，均热还是冷却过程，都是对应不同的钢种，不同的堆垛数和尺寸， 具有不同的退火工艺 26。 （1） 加热 加热过程指的是从扣加热罩点火开始，一直到达到保温温度为止，温度是一个 逐渐上升的过程。它包含两种方式，一种是全速升温，一种是给定速率升温，具体 工艺必须根据钢卷内部组织变化来制定，也要考虑节能的需求。 （2）保温 保温的阶段要控制温度，一方面要保证钢卷内再结晶的完全形成，还有要求 钢卷各部分的温度均匀一致。这个主要是通过钢卷冷点和热点温度来测量的。不仅 炉 台 装 料 锁 紧 密 封 测 试 氮 气 吹 扫 点 火 加 热 均 热 保 温 冷 却 氮 气 吹 扫 卷 料 出 炉 带加热罩冷却 辐射冷却 空气冷却 喷淋冷却 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 如此，对于不同重量和尺寸的钢卷，在制定保温时间时，也要有合理的把握。 （3）冷却 对于某些钢种来说，要求不需要，就尽快冷却，可以提高设备利用率和节能。 但对于某些特殊钢种，控制冷却温度也是重要的环节。钢卷的出炉要防止氧化，所 以要控制出炉温度低于一定值。 （4）保护气吹扫 保护气吹扫一方面需要保证钢卷表面的乳化液能够完全挥发，实现良好的表面 质量，要根据炉内气体清洁程度不同，确定不同的吹扫量。另一方面因为它影响整 个炉内的温度，所以还需要根据季节不同确定不同的开始温度和终了温度来减少其 消耗。 在整个过程中，再结晶只在加热阶段中。而晶粒长大在加热和保温过程中都有。 必须根据钢卷内部组织变化对应的不同节点温度合理的设置退火工艺曲线，包括温 度曲线，节点温度及对应的时间等。实际上，钢卷在达到规定的保温温度后不到一 分钟就能完成金相转变，而且工艺加热和冷却时间一般都长于钢卷传热所需 27。所 以，一般没有特殊要求，加热和冷却的时间都需要缩短来提高效率。 2.4 全氢罩式炉传热分析 对于加热和冷却两个阶段进行区别处理，基于传导，对流，辐射三种方式，主 要涉及钢卷，对流板，保护气体，内罩，加热罩及冷却罩等部件和工质 28。具体传 热过程如图 2-3 所示 29： 图 2-3 全氢罩式炉退火传热示意图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 由于内罩一直处于密封状态，所以不管是加热还是冷却阶段，它内部的传热方 式是一定的。主要包含钢卷内部导热，保护气体与钢卷，对流板，及内罩的对流换 热及辐射换热，对流板内部导热，对流板与钢卷的导热及辐射换热，内罩与钢卷及 对流板的辐射换热。 对于内外罩之间的空间，主要存在以下几种方式：气体与内外罩的对流及辐射 换热，外罩内部导热，内外罩的辐射换热。外罩外表面散热。 在实际处理过程中，某些传热方式传热量相对少，可以忽略，这样大大简化了 模型。例如加热过程，一方面强对流的氛围加强了对流换热，另一方面内部温度约 为 700，这样辐射换热相对与对流换热来说，已经很少了。 这样基于这些传热方式的研究，以钢卷温度场为核心，从传热着手建立数学模 型，考虑他们之间的相互耦合联系，就可以建立起全氢罩式炉退火离线预测平台， 平台的合理性正是这些模型合理性的体现。 2.5 本章小结 本章主要介绍了全氢炉的基本结构，接着基于这些结构了解了其操作流程和退 火工艺，最后分析了其中的热过程，确立了以钢卷为核心，对流，辐射，导热过程 为研究对象的体系。并提出了基于这些基本热过程编写罩式炉离线预测平台的基本 思路。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 3 料室空间流动模拟研究 研究料室空间的流动情况，对于确定各流道的对流换热边界条件，计算对流换 热和整个钢卷温度场是非常必要的。保护气体一方面与钢卷直接接触，另一方面， 对流换热是炉内的主要换热形式30。从前面所述的内容可以发现，内罩内的流动需 要考虑以下几个重要部件，钢卷，对流板，内罩，还有可能涉及扩散器与循环风机。 3.1 料室空间流动二维模拟 采用 cfd 软件模拟料室空间流动情况，首先分析内罩内各部件可以发现，对流 板处流道变化多，尺寸小，加之结构多种多样，情况复杂。无论是在模拟，实验还 是在计算中都一直是处理过程的重点，首先考虑最简单的情况，将其视为通道，而 且只处理炉台上面部分区域，模型会变为一个旋转轴对称的圆柱，可以进行简化的 二维处理 31。 图 3-1 全氢炉内罩流动二维模型图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 模型的具体数据设置如下，钢卷内外径分别为 610mm 和 1895mm，内罩内径为 2088mm，钢卷高度为 1012mm，为简化其他处理过程，四钢卷完全相同，对流板中间 层高度 10mm，上下层高度各为 32mm，进口速度为 7m/s，壁面粗糙度为 0.006，内罩 内部总高为 5.1m。模型具体情况如图 3-1 所示： 在模拟中，进口边界条件为速度入口，出口边界为压力出口边界条件，对于湍 流模型，采用标准-模型，并采用如下计算公式 32： 湍流密度： 1 () 8 0.16rei 湍流动能： 2 1.5( * )ku i。其中 u 为流动速度。 模型对应的速度大小示意图如 3-2 所示： 图 3-2 四堆垛简化二维模型速度示意图 从图中可以看到，底部速度为 6.5m/s，顶部约为 4m/s；气体绝大部分从最顶部 空间通过，流过对流板的很少，但是只是相对于总量来说很少，从钢卷端部流速颜 色从红色到褐色再到橙色可以发现，流过对流板的流量影响很大。到了最上层对流 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 板处，颜色变化基本消失了，说明此处的流量极小，流速随着截面高度的增加下降 的速度变小。到了钢卷芯部速度相对来说比较平缓，因为它的截面积较大，有较大 的流动空间。 基于 fluent 计算的总流量为 0.11063kg/s。各对流板处，钢卷端部和芯部的流 量列表如 3-1 所示： 表 3-1 四堆垛简化二维模拟各处流量分配（kg/s） 底层对流板 0.0044 二层卷芯 0.0961 二层对流板 0.0094 二层卷边 0.0950 三层对流板 0.0076 三层卷芯 0.0897 四层对流板 0.0035 三层卷边 0.0895 顶层通道 0.0856 顶层卷芯 0.0857 底层卷芯 0.1056 顶层卷边 0.0861 底层卷边 0.1056 从上面的流量分配情况，可以计算各个对流板处的分流比例如下，底层对流板 处，4%。二层对流板，8.5%。三层对流板 6.9%。四层对流板 3.2%。顶层通道 77.4%。 对于底层对流板，由于其直接搁置在扩散器之上，考虑实际情况，所以只选取了其 上半部的高度，这样更能贴近实际情况。 由此可以清楚地知道内罩内的流动情况，循环气体经过扩散器进入钢卷与内罩 之间的夹缝。当遇到对流板时，会进行分流，分流的多少要根据具体情况来定。这 样，钢卷与内罩夹缝间气体的平均流速逐渐降低。而对于钢卷芯部，随着对流板中 气体的注入，平均流速由上到下逐渐增加，最终回到底部风机位置。 对于上述模型，主要有以下几点思考： 1.各种尺寸参数需要重新定义。对于二维模拟可以看到，钢卷端部截面积小于 钢卷芯部。而对于实际罩式炉的圆柱来说，钢卷端部流通面积是大于芯部的，这就 需要在二维模拟中加以修正。 2.压差的影响。进出口压差的定义很关键。不难理解，当压差较大时，会有更 多的气体从对流板经过，因为这相当于在出口处增加了一个引风机。 从上面的分析可以知道，二维模拟展现了料室空间的流动情况，但是其数据并 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 不十分准确，需要修正和处理。但是无论如何，它给以后的工作指明了方向。 3.2 料室空间流动三维模拟 对于三维模拟情况，分两种进行处理。一种是考虑对流板结构尺寸，将对流板 分为中间隔层以及上下两层部分流动的槽层。这种情况与实际比较相符。另一种是 简化为通道进行处理。第一种模型具体情况如图 3-5 所示，每块对流板上下层均有 20 个槽，对流板中间连接层的宽度约为内外径之差的一半。 前面二维分析时提到，进口和出口是有压差的，这个压差是由底部循环风机产 生的，不是由内罩内部本身的流动产生的。也就是说，无论是入口处的速度边界条 件，还是压差条件，都需要在模拟中进行处理。在出口处做一个引风装置，可以很 好的实现两个条件。模型的具体数据设置如下，钢卷内外径分别为 610mm 和 2060mm， 内罩内径为 2700mm， 钢卷高度为 1133mm， 四钢卷完全相同， 对流板中间层高度 10mm， 上下层高度各为 30mm，进口速度为 7m/s，壁面粗糙度为 0.002，顶层通道高度为 0.424m。模型具体情况如图 3-3 所示： 图 3-3 全氢炉三维模型图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 依然主要从速度以及流量分配着手，研究内部的流动情况，其中模型的纵剖面 如图 3-6 所示： 从图中可以看出，在钢卷端部，由于速度分布域太广，从图中很难察觉端部的 变化，说明随着高度的变化，其截面速度变化比较平缓，其速度值也因为截面积较 大而小于芯部速度。但是，钢卷芯部的变化是明显的。这也就说明，从对流板流过 的保护气体是可观的，芯部受对流板的影响比较大。在钢卷芯部，还存在一个现象 就是缩流，越靠近对称轴，流速越大。这主要是因为对流板中流出的气体对芯部流 体的干扰造成的。 图 3-4 全氢炉三维模拟纵剖面速度大小示意图 对于横截面流速的情况，有两个平面需要考虑，一个是对流板所在的平面，一 个是钢卷所在的平面。如图 3-7 所示 从图中可以看出，在对流板处的流速很大，随着流道的缩小，还有变大的趋势， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 18 同样可以观察到，中心流道处，靠近壁面的速度小于靠近轴的位置的流速。 图 3-5 全氢炉三维模拟横剖面速度大小示意图 最后，各对流板处的流量分配如表 3-2 所示， 表 3-2 三维模拟流量分配 质量流率 kg/s 百分比% 第一层 0.2846 27.0 第二层 0.3489 33.1 第三层 0.1644 15.6 第四层 0.0611 5.8 顶部通道 0.1950 18.5 对于简化为通道处理的情况，各处流量分配如表 3-3 所示，通道的情况在实际 中是不会存在的，对其进行三维模拟的作用一方面是为了验证后面的理论计算，另 一方面也可以进行多种模型的对比分析。在这里，不对数据进行太多的分析，在后 面的模型对比中会有更系统的阐述。 表 3-3 三维简单模拟流量分配 质量流率 kg/s 百分比% 第一层 0.4225 32.4 第二层 0.5046 38.7 第三层 0.2086 16.0 第四层 0.073 5.6 顶部通道 0.095 7.3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 19 三维模拟给了实际的数据，充分了解了流道内的流动分配，也给理论计算的结 果指明了方向。保证理论模型的正确性，不仅对于各模型的对比和结论有深刻的意 义，对于后续的变量分析，理解各种不同条件下的流动也是相当必要的。 3.3 本章小结 本章主要对全氢炉料室空间流动进行了二维和三维模拟，从速度和流量分配的 角度进行了分析，清晰的了解了内部的流动过程，以及流量分配的份额，为后面的 理论计算打好了基础。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 20 4 料室空间流动理论研究 料室空间内循环气体的流动是一个复杂的过程，特别在对流板处，流道是渐缩 的，而且有一定的粗糙度。由于底部风机和扩散器的作用，整个炉内气体的旋流程 度也很强，所以研究起来要充分考虑实际情况，做出一些简化和修正处理。 4.1 流体力学基础 实际流体因为具有粘性，在流动过程中流层间的内摩擦阻力做功，消耗一部分机 械能，不可逆的转变为热量等能量形式散失掉。于是，理想流体的伯努利方程中增 加了一项代表阻力损失 3334。 22 1122 12 22 w pupu zzh gg ； （4-1） 由于壁面切应力，沿程阻力做功引起的水头损失为沿程阻力损失。它沿流程均 匀分布，大小与流程长度成正比。流体因固体边界急剧改变而引起的速度重新分布， 质点间进行剧烈的动量交换而产生的阻力称为局部阻力。总阻力损失包含这两个部 分，涉及每一段流道与每一个障碍的叠加。 罩式炉内的流动情况主要基于流动网络中的阻力损失方程和连续性方程进行求 解。在一个流通网络之中，流入与流出的量是相同的，不仅如此，在一个并联的节 点上，其流动损失也是相同的，对与料室空间，气体流经对流板产生的沿程阻力损 失就等于气体由钢卷端部进入上一层对流板再流经钢卷芯部回到原来的节点产生的 流阻损失，这样就可以通过数值解法求取各个流道的平均速度。 4.2 料室空间流动理论简化研究 理论计算中，依然首先采用通道模型。可以与前面的模拟结果对比，验证理论 模型的合理性。对应的方程以及示意图如下： 连续性方程组： q=v1xa1x+v1a1; 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 21 v1xa1x= vx1ax1= v2xa2x+ v2a2; v2xa2x= vx2ax2= v3xa3x+ v3a3; v3xa3x= vx3ax3= v4xa4x+ v4a4; v4xa4x=vx4ax4=v5a5; （4-2） 流动阻力损失方程组： 222222 111111 1222 111221 1121 222222 xxxxx xxx xx l vvl vlvlvv d gd ggd ggd g 222222 2223332222 222332 2232 222222 xxxxx xxx xx l vvlvvl vlv d gd ggd ggd g ; 222222 3333333444 333443 3343 222222 xxxxx xxx xx lvl vvl vlvv d gd ggd ggd g ; 222222 4445554444 444554 4454 222222 xxxxx xxx