（机械工程专业论文）1780mm热轧蓄热步进式加热炉设计.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 轧钢加热妒是生产轧材的头道工序，也是轧钢生产线主要耗能部分。降低加热炉的 燃料消耗，提高加热炉的产量及钢坯的加热质量，是轧钢企业降低轧材成本的主要手段。 北钢集团近期的发展过程中，由于“3 5 6 2 ”大颗粒尿素项目即将投产，大量焦炉煤气将 用于生产尿素，同时在建项目1 7 8 0 r a m 熟连轧生产线即将投产，届时将造成用于轧钢加 热炉的高热值焦炉煤气量严重不足，部分轧线将面临停产，而北铜集团现有的高炉煤气 由于发热值低，不能用于现有的轧钢加热炉而大量放散，造成能源浪费。为充分利用现 有的低热值二次能源高炉煤气，北钢集团拟将1 7 8 0 r a m 热连轧机组加熟炉设计成占 地少，产量高、质量好、耗能低并可利用低热值高炉煤气为燃料的蓄热步进式加热炉。 该加热炉依据“三高一低”理论：即高炉温、高烟温、高余热回收、低炉子惰性 理论，并结合北钢集团多年钢坯加热的实际经验数据进行设计。空、煤气采用高铝质陶 瓷蜂窝状蓄热体进行双预热。加热炉内运送钢坯的步进梁采用双层框架，双轮斜轨式结 构。步进梁可变速升降，咀防止震落坯料的氧化铁皮以及由于冲击而损坏炉内水平粱和 立柱上的耐火材料，框架并分别设有提升定心及水平定心机构，以保证被加热钢坯运送 位置准确。 加热炉的燃烧控制采用钢坯温度预报模型、炉温优化专家设定模型、基于工艺分析 的非线性约束炉温优化设定模型、基于阀门开度的加热炉炉温模糊专家控制策略和空燃 比自寻优策略。 该轧钢加热炉设计的指标为吨钢耗高炉煤气3 8 0 n m 3 以下，与预热式加热炉相比节 约燃料消耗2 0 左右，降低n o x 排放量3 0 。钢坯截面温差3 0 ，达到一级轧钢加 热炉的标准。 关键词：蓄热步进式加热炉；燃料消耗；燃烧控制 ! ! 塑婴垫塾重垫生墼! ! 垫塑! 墅! t h ed e s i g no f1 7 8 0 r a mh r r e h e a t i n gf u r n a c e a b s t r a o t r e h e a t i n gb i l l e t si st h ef i r s tw o r k i n gp r o c e d u r eo fr o l l i n g $ t e e l t h ef a r n f l c o $ c o i m o i l l e f u e lm o s t l yi nt h ep r o d u c tl i i l e t or e d l l c ot h ef u e lw a s t a g ea n di m p r o v et h eq u a r r ya n dt h e o u t p u to f b i l l e t si sai m p o r t a n tm e t h o dl o w i n gc o s tf o rs t e e lr o l l i n ge n t e r p r i s e m 也cc o u r s eo fb e i c ；a n gg r o u pd e v e l o p i n gr e c e n t l y , b a m ot h e 3 5 6 2 ”p r o j e c t ( 1 a r g eg r a n u l a r 诧舭e n w i l lb ep u ti n t op r o d u c t i o nw h i c hw i l lc o i i s u l n ol a r g oa m o u n tg a s ， t h eg a so fc o k e r yi ss e a r e i t ys e a j o m l y , a n dt h ep a r to f t h er o l l i n gs t e l ip r o d u c t i o nl i n e sw i l lb e a h u td o w n o nt h eo t h e rh a n dt h eg a so fb l a s tf t l l l l a c ci sw a s t e df o ri t sl o w e re a l o r i o 、忸1 u e 口mb e i g a n gg r o u pw i l ld e v e l o pas t e p p i n gb e a mh e a t i n gf g l l 3 1 a c ew i t hr e g e n e r a t i v e c o m b u s t i o nt e c h u o l c l g yf o rt h e “1 7 8 0 r a m r o l l i n gl i n et ot a k eu s eo f t h eg a so f b l a z tf u _ r d a c e a e c o r d i n gt o c h r m 曲a n do n cl o w t h e o r y ( i - i i 曲f u _ r l a c et e m p e r a t u r e ，h i 曲丑u t e m p e r a t u r e ，碰曲w a s t eh e a tr e c o v e r a b i l i t ya n d1 0 wf u r n a c ei n e r t i a ) ，a n dt h et e c h n o l o g yo f h i 班t e m p e r a t u r ea i rc o m b u s t i o n , t h es t e e lr o l l i n gh e a t i n gf u r n a c ei sd 髂i g n e d t 妊sd e s i g n a d o p t sc e r a m i ch o n e y c o m br e g e n e r a t o r t h eb i l l e t sa r ec a r r i e db ys t e p p i n gb e a m t oa v o i d s h e e ti r o no x i d ef a l l i n g , a n dp r o t e c tf i r e p r o o f m a t e r i a l ，t h es p e e dw h i c ht h ew a l k i n gb e a mr i s e a n dd e l i n ei sv a r i a t i o n a l t 1 1 i 8m a c h i n ei n s t a l l so r i e n t a t i o ns e ta tr i s i n g m e l i n e - f l a l l l oa n d l e v e r - 缸a m ei te n s u r p o s i t i o n a lp r e c i s i o no f t h eb i l l e ti nf u r i l a c e t h er e h e a t i n gf u n a c ea t t a i n sw h a ti st h ed e m a n do ft h ed e s i g n ：i tc o n s l l l n e s3 8 0 m t h e g a so f b l a s tf l a r l l a c ep e rt o no fs t e e la n dr e d u c 鹧l e t t i n g3 0 q u a u t i t yo f n o x f u c lc o n s m e s l e s s2 0 t h a nc 0 1 1 3 】1 1 0 nr e h e a t i n g 矗l t n a c e t h ed i f f e r e n c ei nt e m p e r a t m eo fb i l l e ts e c t i o ni s l e s s t h a n3 0 t h i s r e h e 加g f u r n a c es a t i s f i e s f o e d e m a n d f o r f i r s t g r a d e l e v e l ， k e yw o r d ：s t e p p i n gb e a mr e h e a t i n gf u r n a c ew i t hr e g e u e r a f l v ec o m b u s t i o nt e c h n o l o g y ； f u e lc o n s u m e ；c o n t r o lc o m b u s t i o n i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：趔丝日期：乏堑么：丛 查i 丝2 塑圭塑塞生堂垡! 竺苎 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：捌盟坠 导师签名：磁 丛钲三月翌日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 概述 1 1 世界能源消费与中国能源现状 1 1 1 世界能源消费 1 9 世纪7 0 年代的产业革命以来，化石燃料的消费急剧增大。初期主要以煤炭为主， 2 0 世纪以后，特别是第二次世界大战以来，石油和天然气的开采与消费开始大幅度增加， 石油以每年2 亿吨的速度持续增长“1 。有些机构对今后的能源消费进行了预测“，现在 地球人口约6 0 多亿，到2 l 世纪中叶，预计将达1 0 0 亿人仅从人口增长的数字来看， 能源消费的增加将是惊人的。现在世界能源消费量换算为石油约为8 0 亿吨年按4 0 亿人计算，人均消费量为2 吨年。以这种消费速度，到2 0 4 0 年，首先石油将出现桔竭， 到2 0 6 0 年，核能及天然气也将终结“。因此，2 1 世纪新能源的开发利用与节能，已是 关系到人类子孙后代命运的一件大事。 1 1 2 中国能源现状 ( 1 ) 人均能源拥有量低、储备最低 我国与美国及世界能源储备量情况见表1 1 ”。 袁1 1 中、美与世界能源储备的比较 t a b 1 1c o n t r a s to f e n e r g ys o u r c e sr e s e r v e sa n i o n gc h i n a , u s aa n dw o r l d 国家原煤( 亿吨) 原油( 亿吨)天然气( 万亿日3 )水电( 亿k w h 年) 中国1 1 4 5 3 31 71 9 2 3 美国 2 0 4 53 84 63 7 5 世界合计 1 0 4 3 91 4 1 1 4 21 4 5 4 6 中国人均 9 5 t3 t1 4 1 6 1 0 0 3k 耐年 荑国人均0 6 2 t 1 5 t1 1 8 4 0 0 1 5 0 4k w h 年 世界人均 2 0 9 t2 8 t 2 8 4 0 0m 2 9 0 9h h 年 由表1 1 可见，我国能源相对稀缺，人均能源资源量远低于世界平均水平，尽管今 后的能源开发将增加我国的能源储藏量，然而国内资源匮乏是显而易见的。 ( 2 ) 能源利用效率低” 能耗强度可以用单位国内生产总值所消耗的初级能源来衡量。这一比值常用于衡量 一国经济的能源效率。 1 7 8 0 m 热轧蓄热步进式加热炉设计 目前，我国的工业锅炉的能源效率仅为西方发达国家的8 0 9 6 ；钢铁、冶炼行业的能 耗是西方发达国家的2 倍：鼓风机及水泵的能源利用也仅为国际水平的8 5 5 ；国产电动 机在产生相同动力的情况下，其电力消耗量比国际水平高5 札1 0 9 6 。此外，中国也是世界 上的单位能耗最高的国家之一。1 9 9 5 年我国的能源强度是美国的4 倍左右。工业在我国 经济中的作用大于日本和美国，而我国的工业仍过分依赖于低效率、小规模的生产方式， 且能源技术，特别是能源密集型产业和主要能源消耗设备的效率还远远落后于西方工业 化国家。按目前的趋势发展，我国的能源强度到2 0 2 0 年将达到每1 0 0 0 美元国内生产总 值消耗0 5 8 6t c e ( o 5 8 6 吨标煤。吨标煤发热值为7 0 0 万千卡) ，虽与1 9 9 5 年相比降 低了3 倍，但仍比目前的美国的水平高4 0 。由此可见，我国在降低能耗强度方面仍大 有潜力。 1 2 工业加热炉现状及发展方向 十六届五中全会明确提出了“十一五”期间完成单位雷内生产总值能源消耗比“十 五”末期降低2 0 的目标。由于工业炉是工业加热的关键设备，也是工业生产部门的主 要耗能设备，广泛应用于国民经济的各行各业，量大面广，品种多，对能源消耗影响极 大，因此只有充分利用现代工业加热的先进技术，有效降低工业炉能耗，才能完成单位 国内生产总值能源消耗降低2 0 的目标。 工业加热技术与人类文明的三大支柱一能源、材料、信息息息相关，它是燃烧学、 传热学、流体力学、机械学、自动化控制等学科交叉的科学，可以说工业炉是高技术的 载体，从某种意义上讲，工业炉的技术水平反映了一个国家工业的综合水平。 根据对冶金( 含钢铁及有色金属工业) 、建筑材料、轻工业、化学工业( 含石油化 工) 、机械电子工业( 含航空、船舶、铁道) 等耗能部门工业炉的数量及能源耗量的统 计，全国1 2 个行业的县以上企业，工业炉装备达1 2 万台以上，机械行业占炉窑总数6 e 。 工业炉中燃料加热炉占炉窑总数的5 5 5 以上，电炉约5 万台o 】。工业炉能耗占全国总能 耗的l 4 ，占工业总能耗的6 0 ，而燃料炉能耗占工业炉的总能耗的9 2 ，其中固体燃料 约占7 0 ，液体燃料约占2 0 ，气体燃料约占1 0 ，电炉按台数计算约占4 5 ，而能耗仅 占工业炉的总能耗8 左右”3 ，可见燃料炉在我国工业炉中起着举足轻重的作用。它必 须满足合理利用能源、改善劳动条件、高产、优质、低耗、少污染的生产目标。 上世纪末，由于燃料价格飞涨及环保意识增强，为节约燃料、减少n o x 排放及提 高生产率，加热炉的发展出现了两种趋势，种为开发富氧燃烧技术，如p r a x a i r 开发 了a 型纯氧烧嘴问；另一种为采用蓄热式燃烧技术。由于后者随着蓄热材料及转向设各 大连理工大学专业学位硕士学位论文 的发展，使其节约燃料，降低生产成本的优势日见突出，而得到了广泛的应用和迅速的 发展。 对于工业加热炉，为了满足高产、优质，低消耗和少污染的要求，必须克服阻碍工 业加热炉发展的四个矛盾；加热产量与质量的矛盾、加热产量与低消耗的矛盾、加热质 量与低消耗的矛盾、加热产量与污染的矛盾，而采用高温空气燃烧技术的蓄热式加热炉 可解决这四个矛盾。 这些矛盾都产生于工业加热炉采用的是t 加热炉低温段实行慢速加热，而在加热炉 的高温段实行快速加热。这是不合理的，因为低碳钢等材料，在低温时吸热能力很强， 加热的温差可以很大，不会导致产生裂纹和变形等缺陷”，所以低碳钢等材料的加热炉 设计应遵循快速高温加热的原则，但根据现场调研及热工测试结果发现，温度越高，单位 时间内生成的氧化铁皮量越多，加热温度与钢坯氧化烧损之间呈指数关系，其速率的增 加非常快。6 0 0 以下时钢坯表面基本上不生成氧化铁皮，温度超过7 0 0 时氧化铁皮 厚度达到可以测量的程度，炉内温度超过9 0 0 时氧化铁皮厚度显著增加，一般情况下 加热炉加热段和均热段炉温控制在1 2 0 0 1 3 0 0 ，正处在氧化烧损量很高的温度段”， 而采用高温空气燃烧技术的蓄热式加热炉可在低氧情况下工作，这一技术不仅解决了以 上四个矛盾，也大量减少了氧化铁皮的生成。 在加热炉炉型方面。步进粱式加热炉由于具有推钢式加热炉不可比拟的优点：诸如 不拱钢、不粘结、氧化烧损小、脱碳少、加热时间短、加热操作灵活，易于和轧制节奏 相匹配、加热过程不划伤，炉子长度不受限制( 理论上讲) 、自动化程度高、易于实现 计算机控制等，得到了迅速发展，并随着轧钢技术向着大型化、连续化、自动化、多品 种和高精度方向的发展，朝着大型化、多功能、优质、高产、低消耗、无公害和操作自 动化的方向迈进“”。 1 3 蓄热式高温空气燃烧技术( h t a g ) 在加热炉上的应用 1 3 1 蓄热燃烧技术的发展史 蓄热燃烧技术的发展史”“如下所述，蓄热燃烧是2 0 世纪8 0 年代初英国的h ot 聃l i l ( 公司和英国煤气公司合作首次开发的，称为r c b 型加热炉烧嘴( r e g e n e r a t i v e c e r a m i cb u r n e r ) 1 9 8 4 年a v e s t as h e f f i l d 公司将r c b 烧嘴安装于不锈钢退火炉加热 段的一侧炉墙上，共g 对，其效果是产量由3 0t h 增加到4 5t h ，单耗为1 0 5g j t 。 虽然是单侧供热，带钢温度差仅为5 。 ， 1 9 8 8 年r o t h e r h a me n g i n e e r i n gs t e e l s 公司在产量1 7 5t h 的大方坯步进粱式加 热炉装了3 2 对r c b 型加热炉烧嘴，取代了原来的全部烧嘴，b o o 热装时单耗0 7g j t 1 7 8 d 岫热轧蓄热步进式加热炉设计 炉内温差5 。其缺点是n o x 值高，有时高达5 0 0 1 0 。鉴于这是一项节能技术，日 本从1 9 8 5 年左右开始研制。当时欧美的厂家以陶瓷小球或碎砾作蓄热体。日本采用压 力损失小、比表面积大如5 倍的陶瓷蜂窝体，以减少蓄热体的体积和重量。为了使蓄热 燃烧技术能普遍应用，需要在空气预热到1 0 0 0 以上的高温条件下实现低n o x 化，同 时要制造机械性能可靠，切换动作频繁的切换阀，因此推动了这类相关性技术的开发。 日本一家公司1 9 9 3 年引进此项技术后作了改进，将蓄热器和烧嘴组合成一体并采 用两阶段燃烧以期降低n o x 值。其燃料有城市煤气，液化石油气，重油和煤油。可安装 在步进粱式炉，锻造炉，罩式炉以及钢包烘烤加热器等设备上应用。 日本n k k 公司于1 9 9 6 年在2 3 0t h ( 福山厂) 热轧加热炉上全面采用蓄热燃烧技术。 该设备拥有和烧嘴一体的高效蜂窝状陶瓷蓄热体的紧凑式热回收装置，炉内氧浓度降 低、n o x 大幅度减少，由于高速吹入燃烧用空气、炉内温度均匀，效率提高。烧嘴3 0s 切换一次。目前在热轧加热炉、厚板加热炉、钢管加热炉上采用。平均节能3 0 以上， n o x 降低6 0 以上。在钢铁、有色冶金部和汽车等相关部门已实际应用该技术和设各1 8 6 4 套。 1 3 2 我国蓄热式燃烧技术的应用现状 蓄热式高温压气燃烧技术是上世纪g o 年代在发达国家普遍推广的加热炉燃烧技术， 9 0 年代中期我国引进了该项技术，韶钢三轧厂2 椎钢式加热炉于1 9 9 9 年9 月完成蓄热 式改造，燃料为高炉煤气，单位热耗降为1 2 5 4g j t 钢“。广钢集团公司于2 0 0 1 年3 月建成并投产成功国内第一座蓄热步进梁式方坯加热炉，空、煤气双预热，燃料为高炉 煤气，煤气单耗1 2 5 g j t 钢“”，随后合肥钢铁公司小型连轧厂“”、新抚钢“”、酒钢、 莱钢“”、河南济( 源) 钢棒材厂先后对现有的方坯加热炉进行了蓄热式改造，改造 后均取得了可观的社会经济效益。马钢。“第- - - $ l 钢厂子2 0 0 2 年1 1 月、攀钢轨梁厂 于2 0 0 3 年1 2 月完成的矩形钢坯加热炉蓄热式改造，以及南京钢铁股份有限公司中板厂 l 。加热炉于2 0 0 2 年1 月完成蓄热式高温空气燃烧技术改造”，济钢中厚板厂3 。加热炉于 2 0 0 3 年3 月的正式投产“，反映出蓄热式高温空气燃烧技术在板坯加热炉上的应用已成 熟。 1 3 3 蓄热式高温空气燃烧技术对n o x 生成的影晌 在蓄热式燃烧技术应用的初期虽然降低了燃料的消耗，减少了废气排放置，但由于 排放的废气中n o x 浓度较高，对空气的污染仍较大。为解决这一问题一些学者研究了烟 气循环对n o x 的影响，对空气分级燃烧技术进行了如出口空气速度分布、分级空气比例 以及燃烧空气组织等的研究“，并取得了显著的成果。 一4 一 大连理工大学专业学位硬士学位论文 国内外的一些研究认为当火焰燃烧温度低于8 0 0 时，几乎观测不到n o x 的生成， 当温度高于9 0 0 时，烟气中的n o x 才变得明显”一，而轧钢加热炉炉内温度均高于1 0 0 0 ，为有效的控制n o x 的生成量，可采用高温空气燃烧技术( i i t a c ) 即实施低氧燃烧， 降低燃烧空间的氧浓度，使燃烧在少氮低氧气氛中进行，可经济有效地降低n o x 排放。 从反应活化能的角度来看，由于低氧燃烧火焰体积成倍扩大，使得单位体积火焰释 放的能量降低，而氧原子与氮气反应的活化能要远高于氧原子与燃气反应的括化能，氧 原子与燃气反应更易进行，从而抑制了氧原子与氮气的反应。因此，低氧燃烧生成的n o x 量是十分少的，而且，燃烧气氛中氧浓度越低。生成的n 0 x 量越少例如，当空气温度 降至1 1 5 0 ，空气舍氧浓度由2 1 分别降至1 5 ，2 时，n 0 x 的生成量由3 7 5 0 加g 一 分别减少至1 5 6 g m 3 ，5 4m g m “，可见加热炉采用高温空气燃烧技术，可大量减少 n 0 x 气体的排放量。 1 3 4 蓄热式高温空气燃烧技术的应用效果 蓄热式高温空气燃烧技术的应用效果如下： ( i ) 空、燃气经蓄热体蓄热换热后的温度与进人蓄热体的烟气温度很接近，只差1 0 0 左右。所以，其温度效率高达9 5 ，排放烟气的温度接近“露点”，仅1 5 0 ，其热 回收率高达8 0 以上，炉子的热效率高达7 0 炉子的生产率提高2 0 一3 0 。 ( 2 ) 由于切换频率高及实施低氧燃烧炉温更加均匀，温差仅为士5 。炉体寿命延 长，加热质量好。烟气吉氧量低，氧化烧损小，仅0 5 。 ( 3 ) 节能显著：比冷空气节能6 0 - 6 5 ，比换热器预热助燃空气节能3 0 以上，空、 燃气皆高温预热，其节能更为显著。 ( 4 ) 环保好：排放烟气中温室气体c o ：含量减少4 0 以上，有毒气体n o x 含量减少6 0 以上，排烟总量也减少i 3 。使n o x 降低到1 0 0 x 1 0 4 以下，加热中的氧化损失亦由1 5 降到0 7 以下“”。由于其燃烧方式不同于高速喷出烧嘴式火焰燃烧，而是低氧无火焰式 燃烧，所以其燃烧的噪音也特别低。 ( 5 ) 可使用单一的低热值劣质燃气。 ( 6 ) 排烟温度低，维护费用低：因蓄热式加热炉的排烟温度接近露点， t 内层的界面温度为t z 和t i 在稳定态下，热流密度q 为： g = 孚= 警= 警 泣妨 五冯 按和比定律得 驴赫( w l r a z ) 啦回 五 亦可写为 g 2 币t i - t 4 面( w i m z ) 式中：为第n 层传热体系热阻，= s 。 。 依此类推，可以写出对于n 层平壁的计算公式： ( 2 6 ) 1 7 8 0 n n 热轧蓄热步进式加热炉设计 9 2 氇( 引舻) 智 g = 车k ( w f m 2 ) ， 1 - 程计算中往往需要知道层与层之间界面上的温度，由式( 2 4 ) 可得 如= 一g 孚 ( 。c ) = 毛一a i s , ，一。i ( i s l + 釉( a c ) 、 ， 2 3 对流换热 岛：呈孚( 。0 l d ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 2 3 1 影响对流换热的因素 由于流体各部分密度不同而发生自然流动，自然流动情况下的对流换热称为自然对 流换热；外力作用下发生强制流动，强制流动情况下的对流换热称强制对流换热。 2 3 2 流体流动的情况 流体按其流动情况分层流和素流( 湍流) 两类。流体内质点平行于壁面流动时称层 流，此时流体与表面间的传热主要依据传导方式，流体的热导率小，层流下的对流换热 很微弱。 流体内质点紊乱流动时称紊流，此时流体表面有一很簿的薄层呈层流流动，称为层 流边界层。边界层内的传热主要为传导方式，而主流部分兼有对流方式。主流部分由于 质点的急剧混合作用。温度均匀过程迅速，降温很小，最大降温是在层流边界层内，即 边界层热阻最大。因此任何减小边界层热阻的措施都可明显增大对流换热。增大流速u 会增加流体紊乱程度并使边界层减薄而减小热阻，从而增大对流换热。在流动途径设置 障碍，会增加流体的旋涡和紊乱程度，也可以增强对流换热。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 3 3 流体的物理学性质 影响对流换热的各项物理参数：热导率x 、平均比热容c 。、密度p 、热扩散率a 、 动力粘度p 、运动粘度v 等。此外，物体表面的形状、大小和放置位置在一定程度上也 是影响对流换热的因素。 综上所述，影响对流换热热流q 的因素关系式可写为舻f ( ，t 。，t 。 c 。p 。p ，v ， 巾，l 。，1 却一) ，式中由，1 。，1 。为物体表面形状系数和各几何尺寸。 2 4 基本公式 热流q = a ( t t - t 。) a ( i ) ( 2 1 2 ) 式中：t l - t 2 - 一流体与固体表面的温度( ) 换热面积( 舻) a 对流换热系数 吖( m 2 ) 式( 2 1 2 ) 称为“牛顿公式”，该公式形式上简单，其实并没有从根本上简化，只是 把影响对流换热的各复杂因素都集中到对流系数a 中，因此研究对流换热的关键就是确 定对流换热系数a 与各影响因素的关系，找出各种情况下对流换热系数的数值。 2 5 对流换热过程的数学描述 25 1 边界换热微分方程式 在紊流情况下，当换热达到稳定态时，流体与表面的对流换热热流密度必然就是经 过层流边界层所传导的热流密度为： g = 础= 以兰 ( 2 1 3 ) 即 口= 一尝兰 咿“m ：。c o ( 2 1 4 ) 血函 、 。 2 5 2 傅立叶一克希荷夫导热微分方程式 在有热传递现象的流体内部，其温度分布情况可利用能量守恒定律推导出导热微分 方程式来描述，该方程式为： 尝+ 塞q + 考q + 砉q = a ( 器+ 矿8 2 t + 参 c z m ， 万+ 夏q + 万q + 云q “i 万+ 矿+ 虿j 1 5 ) 式中：t 韫度 t 时间 x 、y 、z 空间坐标 1 7 8 0 m m 热轧蓄热步进式加热炉设计 ，、，、o r _ 流速在x 、y 、z 方向的分量 4 一一热扩散率， 4 ：3 6 a ( 2 1 6 ) p c 。 式( 2 1 6 ) 反映流体温度随时间、空间和流体移动的变化关系 2 5 3 纳维亦一斯托克斯方程式 流体中的温度分布与速度分布有关，描述粘性流体运动的微分方程式是纳维亦一斯 托克斯方程式，它是由牛顿第二定律推导而来的，即物体的质量乘以某一方向上的加速 度等于在这一方向上作用于物体上的外力。为了简便起见，这里只写出方程式的x 方向。 尸鲁+ p 略等+ q 等+ 哆警 = 服一罢+ 争+ 等+ 等 c z 式中：g _ 重力加速度( m s 2 ) r 压力( p a ) 2 5 4 连续性方程式 连续性方程式是物质不灭定律在流体力学中的一种表达式，它表示流体流动的连续 性。 丝+ 堡+ 垒：o( 2 1 8 ) 衙 毋 七 上述一组微分方程组是对对流换热规律的一般性描述，只能给出这类现象的通解。 要求解某个具体问题，必须附加若干反映具体情况的单值条件，这些条件包括边界条件 ( 边界上速度及温度分布等) 、几何条件、物理条件( 流体的热导率x 、密度p 、动力 粘度u 、热扩散率n 等) 、时间条件( 稳定流动还是不稳定流动) 。单值条件和换热微 分方程组给出了具体对流换热现象的数学描述。 2 6 自然对流换热 2 6 1 无限空间的自然对流换热 空间相对很大，自然对流过程不受空间的限制。工业炉炉墙外表面对空气的自然对 流即属此种情况。这种情况下的实验公式不少，应用较广的准数方程为： n u ，= c ( 函，p 哦 ( 2 1 9 ) 式中的实验常数c 、n 值列于表2 1 中。该式适用于p r ( 普朗特准数) o 7 的各种 流体，定性温度为边界层的平均t ，t - o 5 ( t r + 曲。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 在工程计算中，常常采用简化公式。当垂直的粗糙表面与周围大气进行自然对流换 热时，其平均对流换热系数口可由式( 2 2 0 ) 确定。 厂z 一 7 鑫 w ( m 2 叼】( 2 2 0 ) 式中：t 表面与周围空气的温度差( ) t - 一周围空气的绝对温度( k ) h - - - - 壁的垂直高度( m ) 式( 2 2 0 ) 在厶z 5 0 d 。若1 一 5 0 d ，则计算所得口值，应乘以校正系数e ， 即口= e 。口，e - 值可由表2 3 查得。注意所得口是整个路程上的平均值。 衰2 3层流时的f ，值 t a b 2 3n u m e r i c a lv a l u eo f e t i nl a m i n a rf l o w 1 d1251 01 52 03 04 05 0 ，1 9 0 17 01 “1 2 8 1 1 8 1 1 3 1 0 51 0 2l 2 7 2 流过平板的对流换热 流体沿平板流动时，在刚与平板接触的一段长度内属于层流，超过临界长度后转变 为紊流。临界长度的临界雷诺数为1 0 - 一5 x1 0 。层流时用数学分析方法进行理论推导可 得计算公式为： ! n u = 0 6 6 4 r e ：聪 ( 2 2 5 ) 进入紊流时的计算公式为： ! n u 。= o 0 3 7 r e 5 ，聪 ( 2 2 6 ) 上述式中定性温度取临界层的平均温度t 。定形尺寸取平板长度。 2 8 气体的辐射 2 ，8 ，1 气体辐射的特点 固体和液体是不透过射线的，因此它们的辐射和吸收只能在表面层进行。对气体， 射线可以到达内部，所以气体的内部也可吸收辐射能量，进行着边吸收边透过的过程。 同理，气体内部也可向外辐射，进行着边辐射边透过的过程。因此气体的吸收率和辐射 率( 黑度) 与气体内部辐射性气体的分子数目有关，即与辐射性气体分压p 有关。此外 还与射线的行程长度( 通常称辐射厚度s ) 有关。 固体和液体为连续性辐射，气体为选择性辐射，由此可知同温度下固体和液体的辐 射能力大子气体。对于固体和液体因为是连续性辐射，基本上服从于斯蒂芬一波乐茨曼 定律；而对于气体因为只选择几个波长带辐射，而这几个带的辐射能力与温度间不一定 为4 次方关系，为了计算上的方便仍然统一用四次方定律，其温度误差放在气体黑度中 加以考虑。综上所述，气体黑度是辐射性气体分压p 、辐射厚度s ，和气体温度t 的函数， 即8 产f ( p ，s ，t ) 1 7 8 0 衄热轧蓄熟步进式加热炉设计 2 8 2 气体的黑度 气体黑度的定义和固体一样，是指气体的辐射能力与同温度下黑体辐射能力之比， 实用中气体的黑度是由实验测定的，实验数据整理成图线的形式以便于使用。图2 1 是 计算c o , m 度：的图表，图2 2 是计算h | o 黑度矗。的图表。 分压p 。对水蒸汽辐 射能力的影响程度较有效平均辐射( 厚度对它的影响) 为大，故须乘以修正系数郎 一= 肛如，b 值由图2 3 查得。如水气体中含有。如和s 仉，同时又含有h 如，则其黑 度要比c 0 2 、s o , 和h 2 0 之和要小一些，因为这几种气体的辐射波长带有小部分的重合而 互有吸收，因此 白= k c 0 2 + j 6 一4 - 占鼢一 ( 2 2 7 ) 式中s 考虑各组分问互相干扰的修正量，为0 0 2 - - 0 0 4 ，通常可不予考虑。 “t f ” ，。一 图2 - 1 c q 黑度5 破计算图表 f i g 2 1 a c c o u n t c h a r t o f c 0 2 d a r k d e g r e e 6 c 巩 塑三盔塑些塑堡主兰垡丝塞 图2 2 h - 0 黑度噍口计算图表 f i g 2 2 a c c o u n t c h a r t o f h 2 0 d a r k d e g r e e ；p ，8 u 图2 36 的修正系数b 值 f i g 2 3 c o r r n c o d t i e i t n t b v a h m o f 白 一1 0 1 7 8 0 m n 热轧蓄热步进式加热炉设计 3 不稳定态传导传热 根据文献在传导传热过程中，温度场随时间而变化时称为不稳定态传导传热。若 物体温度随时问而升高，这种不稳定态传导传热过程就是物体的加热过程；反之物体温 度随时间在降低，则为冷却过程。加热和冷却过程的物理本质是相同的，所不同的是热 流方向，加热时热流由外向内，冷却时由内向外。 工业炉的不稳定态传导传热现象很多，如物料的加热或冷却、开炉时炉体的蓄热， 停炉时炉体的放热等。 研究不稳定态传导传热是要找出物体内任意点的温度和热流量随时间变化的规律。 求解这类问题的主要方法是分析解法、数值解法和实验法等。 3 1 分析解法及单值条件 对于传导传热现象，以热力学定律及傅立叶定律为基础，经过推导最后得出现象的 数学表达式，即傅立叶导热微分方程式 妄= a ( 警+ 矿0 2 t + 鲁 c 。， a fl 却2 出2j 。 对于无限大平板传热过程属不稳定态的单向温度场，可近似地认为只在平板的厚 度方向上温度不同，而其它两个方向上温度分布均匀即：昙：0 ，罢；0 卿 则式3 1 变为 兰：。鲁 ( 3 2 ) 上述的微分方程能满足无限大平板物体的不稳定态导热问题，它在数学上有无穷个 解。解决工程上的实际问题，则必须给出表明具体条件的补充方程，这些特定的补充条 件称为单值条件。单值条件一般应包括几何条件、物理条件、时间条件和边界条件。当 求解的问题己给出材料的种类和形状，则物理条件与几何条件为己知，单值条件主要是 给出时间条件和边界条件。 时间条件是指物体开始时刻的温度分布情况，因此又称为开始条件。边界条件是给 出物体边界上( 即表面上) 的温度或传热情况的条件。描述与导热现象有关的边界条件 可以归纳为三类： 3 1 1 第一类边界条件 给出物体表面温度变化的情况，即t 产f ( t ) 。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 物体表面温度随时阃的变化的规律是多种多样的比较典型的有： ( 1 ) 物体表面温度在整个传热过程中保持不变，即t b - 常数。 ( 2 ) 物体表面温度等速变化，即随时问呈直线变化为t b - - t 口+ vt 式中：v 一加热或冷却速度( h ) ： t 加热或冷却时间( h ) ； t o 一嘞体( 或表面) 开始温度( ) 3 1 ，2 第二类边界条件 给出物体表面的热流密度9 与时间r 的关系，即 g = ，( f ) 或 一五兰= 厂( f ) ( 3 3 ) 式中：f r 表面的法线方向： 熟导率。 热流密度随时问变化的规律很多，最简单的一种情况是通过物体表面的热流密度不 随时间变化即口= 常数。 3 1 ，3 第三类边界条件 给出周围介质的温度随时间变化的规律及物体表面与周围介质问的热交换规律，这 类边界条件可表示为： 毛= ，( r ) 以f 罢) = 龟娥叫 c a 4 ) i 锄j 上q ” 式中； 一周围介质温度或炉气温度 ar 物体与周围介质的综合传热系数。 最简单的情况是炉气温度t q - 常数。 导热微分方程式是= 阶偏微分方程式，解这类方程的数学过程比较复杂，这里仅列 出分析解的结果及有关的计算图。各类边界条件下微分方程式的解都整理为准数函数形 式，如； = ，峨，旦，工) ( 3 5 ) 盯。 式中：o ，or 分别为被研究的截面温度t 及开始温度t 。对一已知t 饷过剩值， 即o = t t - t ，e ft - t o 1 7 8 0 m m 热轧蓄热步进式加热炉设计 厅傅立叶准数，e = 兰，表示物体内部温度场随时变化的特征，s 为物 o 一 体加热厚度； 丹一毕欧准数，6 产az s ，表示物体内部热阻与其表面换热外热阻之比。 b ，值越小，意味着内热阻越小而外热阻越大； 一几何准数，d = x s 或l = r r ，x 或r 为所研究物体的位置，s 或r 为加 热厚度或半径。单面加热时，加热厚度为物体的厚度或直径；双面加热时，加热厚度为 物体厚度之半或其半径。 3 2 表面温度为常数时半无限厚平板的加热 表面温度为常数，即物体表面温度不随时间变化，这是第一类边界条件的最简单情 况。半无限厚平板是指一侧为有限平面，热量由此传入传出；另一侧厚度为无穷大，炉 子基础的受热过程即属此类。 开始时整个平板温度均匀并为t ，加热后表面温度突然上升到t 。，然后保持不变。在 这种情况下导热微分方程式的解为 立! 一2 f f r2 t 石= 一e - ：d r i t l t 8 ( 3 6 ) 将上式等式右方表示为函数g 。( 2 x ；m 一 j ， 即得： 嚣2 g f l 赤2 4 ( 3 ， t h f 。j 函数g 的关系可制为图3 i 曲线的形式，根据已知的x 、t 、口算出；一，然后 2 x a f 查找图3 1 得出g ，再由上式算出t 来。温度t 是加热t 时间后x 位置的，按相反的运 算过程可求得x 点加热至t 温度所需的时间t 或加热t 时间后温度为t 的点所在的位置 x 。利用图3 1 可避免对函数g 的复杂计算。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 o 09 o8 珏7 g ( 赤) 。6 o 5 0 4 o - 3 o 2 n 1 ， f ， | | 击2d7 卧z g b ) 值计算醣 ，c 。呲一栅( 赤 当时间t 增长从而使x 2 口f 2 的关系，则x 处开始加热所需时间： r 2 f = o ) ( 3 8 ) 该时间称作惰性期。利用上式可计算x 处开始加热升温所需时阃t ，或物体加热f 时间后热量传到物体内部的位置x 。 由上式可以看出，惰性期的长短只与x 和口有关，与t 。的高低无关。 经过推导，热流密度q 的计算式为： j g ：盖! 争羔p 去咿，矿) ( 3 9 ) q 嚣n 上式是解决q 、x 、- 三者的关系，如计算表面热流密度q b 时，即上式变为： g = 二孥姜( w l m 2 )( 3 1 0 ) q e 由加热开始到t 时间传入单位面积的总热量编按下式计算： 1 7 8 0t m 热轧蓄热步进式加热炉设计 q 2 j 【a 撼- 2 地一t s 惦咿“砌2 ) ( 3 1 1 ) 3 3 表面温度为常数时有限厚物体的加热 金属置于盐浴或铅浴中加热，或已知温度的金属置于低温介质中淬火时，均可认为 是表面温度骤然变为与介质温度相同并且在整个过程中保持不变，另外，钢锭加热中的 均热过程也属于此类情况。 这类问题有两种不同的开始条件：第一种情况是开始时物体内部没有温度梯度，各 点温度均匀一致：第二种情况是开始时物体内部温度呈抛物线。 3 3 1 第一类情况 开始条件：t = o ，t _ 常数； 边界条件：x _ s ( 两面对称加热) ，t 。= 常数；几何条件无限大平板( 面积相对 于厚度很大) 。 一卜 g k i l l， ，x r 、h 湎 ： 。l j f 、 弋 。h糟 j r 印一 u ￥龇沁 1 隔嘶i k 吨队，l 。袁舞 蚤 圈s z 表面温度一定时用于平板的函数妒( 参，言) 阳z s t 唧b 她h i 峨妒( 爹，办甜s 址 根据上述单值条件，得到微分方程的解并表示为准数函数形式： l ! ：p f 罢，三1 ( 3 1 2 ) h t 。j 、s 。s ) 式中函数p 的关系见图3 2 上式给出了物体内部温度t 随时间t 和x 的变化关系t 已知加熟时问t ，就可算出坐标x 点的温度t ；反之也可| 三【求得将物体内部某点x 加热 到温度t 所需时间t 研究一般物体加热时，重要的是找出中心温度t 。与时间t 的关系，即x = o ，t = t ， 则上式变为： 糟= 破( 簧 ( 3 1 3 ) 各种不同形状的物体均可得出上式的函数关系，将函数破值制成曲线图，见图3 3 ， 只要给出时间t 便可求出中心温度t | ，反之亦可。 ；b 普 图。s 表面激一定时，函数丸( 参) 脚，s 一一b 咄蛔岘戎睁) 。 l 平板2 方形柱体3 无限长圆柱体4 立方体5 m = d 的圆柱6 球体 1 7 8 0 n 热轧蓄热步进式加热炉设计 3 3 2 第二类情况 开始条件；t = 0 ，