连续退火线辐射管炉内传热过程模型_图文

1、宝钢技术2008年第4期连续退火线辐射管炉内传热过程模型王建刚1,叶国城2,刘华飞1,向顺华1,胡广魁2(1.宝钢研究院;2.宝钢分公司,上海201900摘要:建立连续退火辐射管加热炉内传热的数学模型,推导了模型的解析式,并给出了无量纲解的图像。引入当量灰平面法来简化带钢与辐射管之间的辐射换热计算,讨论了辐射管布置对系统黑度和机组长度的影响。计算表明,辐射管的间距直径比增加,系统黑度降低,机组长度增加。采用实际生产数据,分析了机组带钢厚度与机组速度的乘积(值变化对带钢加热温度的影响。关键词:辐射管炉;数学模型;连续退火中图分类号:TP311文献标识码:B文章编号:10080716(200804

2、003405A Mathematical Model for Heat Transfer in a Ihdiant Tube Furnaceon the Continuous Annealing LineWang Jiangan91,Ye Guochen92,Liu Huafeil,Xiang Shunhual,Hu Guangkui2(1.Baosteel Research Institute;2.Baosteeel Branch,Shanghai201900,ChinaAbstract:A mathematical model was developed for heat transfer

3、 in a radiant tube furnace on the continuous an-nealing line.The analytical solution to the model was deduced and imagesin the dimensionless form were presented.Theequivalent gray plane was introduced to simplify the calculation of the radiative heat exchangebetween the radiant tubes and steel strip

4、.The effects of the geometrical arrangement of radiant tubes on the radiation configuration f如tors and the line length were discussed.The calculation shows that with the increase of the ratio of tube pitch to diameter, the radiation configuration factor decreases and the line length increases.In add

5、ition,the effect of the TV value(the product of the strip thickness and the line speed1on the strips heating temperature Was analyzed with the field data.Key words:radiant tube furnace;mathematical model;continuous annealing0前言在带钢连续退火或热镀锌(锡生产线上,通常采用辐射管炉加热带钢。由于燃烧产物不直接与带钢接触,有效地避免了表面的氧化和脱碳,同时为在保护气氛下进行热

6、处理创造了条件,因此辐射管加热成为连退镀锌线上最重要的加热方式【1。4。带钢在辐射管炉内的传热过程具有如下特征:带钢的加热主要依靠辐射传热,仅有少量的热量依靠自然对流进行传递;带钢在保护性气氛中完成加热,炉内介质通常是双原子气体,介质不参与辐射换热或影响较小。由于辐射管加热在连续退火线上的重要性,国内外对辐射管炉内的传热过程展开广泛的研究。N Yoshitanid等"1建立了带钢连续退火炉的王建刚高级工程师1958年生1982年毕业于东北电力学院现从事钢铁冶金专业电话26649141E-mail wangjgbaosteel.corn 在线控制模型,引入了系统黑度c,并根据实际生产数

7、据和经验取值为0.17,但没有讨论系统黑度的计算方法和影响因素。朱梅等拍1认为机组的w值与带钢进口温度咒、出口温度L、辐射源温度瓦、综合辐射系数c。和辐射加热段长度存在如下关系式:=考即;H黔咖(1并讨论了产量与炉子加热能力的关系,但是文中并未给出函数咖和C。的表达形式。韩小良【刊推导了辐射管、带钢和炉墙之间的角系数计算公式,并利用数值积分方法进行了计算。B.x.“等【8】建立了燃气辐射管炉的辐射传热模型,采用Monte Carlo法计算角系数,分析辐射管长径比和单色反射率对炉子效率和加热均匀性的影响。韩小良、鲍戟旧。建立了带钢连续退火炉加热室的传热模型,并采用数值方法求解模型。以上研究工作主

8、要从在线控制和离线仿真的王建刚等连续退火线辐射管炉内传热过程模型35角度出发,建立带钢辐射管炉内的传热模型。通常控制模型并没有完全反映辐射管布置等参数的影响,而离线模型的计算方法过于复杂。本文对连续退火辐射管加热段的辐射传热过程进行分析,建立数学模型。模型力求形式简单,容易求解,能反映该过程的物理本质,满足炉子工程设计和机组产能分析的需要。1带钢连续退火过程辐射传热的数学描述如图1所示,厚度为b的带钢以速度u。通过长度为J已辐射管加热段,如果辐射源的温度为咒,带钢入口温度咒;,则经过炉子加热后出口温度为气。B。Ib t瓦。o f o图1辐射管炉内传热的数学物理模型Fig.1A mathemat

9、ical physics model for heat transferin the radiant tUbe furnace为了便于研究问题,并突出辐射传热过程的物理本质,引入如下假设:带钢在辐射管炉内的传热过程处于稳定状态;炉内介质为辐射透明介质,由于气体流动速度小,可忽略对流换热;忽略沿带钢运动方向的导热与带钢宽度方向的温度不均匀性;在研究温度范围内,带钢的物性参数视为常数;由于带钢厚度相对宽度小得多,忽略带钢窄边的换热;辐射源温度在研究区域内取平均值;带钢和辐射源视为灰体;由于带钢运行速度高,不考虑带钢在上下辊室的传热;忽略炉子端部和炉子侧墙对带钢传热的影响。由以上假设,可以列出带钢辐

10、射换热过程的能量方程:刚。cp鲁=半(r4,一T:(2式中,P。为带钢密度,ks/m3;C。为带钢平均比热容,J/(kgK;t为带钢温度,K;C为带钢与辐射源组成的辐射换热系统的系统黑度;矿为黑体辐射常数,且盯=5.67e一,W/(m2K4。对方程(2积分可变形为:【划糍l专n铖i=禧CtrT3引入斯坦尔克(Ctapka准数Sk=Co'T:6/A。和傅里叶准数Fo=a,r/b2。斯坦尔克(Ctapka准Sk-万表示固体内部导热热阻与外部辐射换热内阻的比值,|s。越小,意味着内部热阻越小或外部热阻越大。式中A。为带钢的导热系数,W/q:m-K;口。为带钢的导温系数,m2/s;r为时间,s

11、,且r=k/u。,几为加热区域数;引入无量纲带钢温度0=t/咒,无量纲辐射源温度0,=L/ti,无量纲带钢出口温度0。=L/疋i。定义函数A o_【划描l+_a1rctan毒】(4方程(3变形为八0=八1+Sk醒乃(5在连退工艺中,u,b通常定义为值,即带钢厚度和机组速度的乘积,式(5可写成TV.抓¨堋:警(6P。ops或者:里型丛业掣(7协,:2系统黑度的计算带钢辐射管炉内加热时,带钢、辐射管、炉墙构成辐射换热系统。系统黑度c的计算分两种情况,如图2所示,图中t,s,W分别表示辐射管、带钢和炉墙。在炉子入口和出口,带钢除受到辐射管的辐射外,还接收炉墙反射的辐射管的辐射,在炉子中部,

12、带钢两侧都受到辐射管的辐射。!;i!:tI;tp2s pl(a炉子入t:l/出口;p2:t;-i(b炉子中部图2辐射管炉内辐射换热系统Fig.2Heat transfer system for the radiation between radiant tubes,steel strip and the chamber wall为简化辐射换热,将炉墙视为辐射绝热面,即炉墙的有效辐射等于投射辐射。在连续式炉内,可以认为炉内介质对炉墙内表面的对流换热全部36宝钢技术2008年第4期向环境散失掉。由辐射换热公式:=占iEK+(1一占,乏.妒硅(8式中,表示有效辐射,瓦表示自身黑体辐射,妒诜为i对k的

13、角系数。由此.,t=占。Ebt+(1一F。(.,t妒。+.,妒。(9J。=占。Eb。+(1一占。(.,。妒。+L妒。(10对辐射绝热面占,=0,妒。=0,由式(9和(10可得:Jt-FF芳瓮瓦而1一(1一占。(妒。+妒。妒。、117L=妒。(12定义一个黑度为占扑温度等于辐射管温度的等效连续灰面P,代替包括炉墙反射的辐射管的辐射:占plE。=p pl+-,。妒p(13钿=可毒薏惫丽占t(14 s,5二可j万菘了丽占t【l刨当辐射管直径为D,间距x,辐射管的间距直径比为a=X/D。妒。=(arcsin(1/a+/口21一a/,tr(15妒。=9伽=0.5(1一妒。(16妒wt=妒Dt=妒口(17

14、妒pW=妒砷=1一妒。(18对于炉子中部占p2E。=妒pt(19占p2=F_毛(20占p25丁_=-ii_蕊占t Lzu,由此,在炉子入口和出口处C=C。+G,在炉子中部C=2C2。c-=瓦拓c2=瓦南(21(223模型求解和结果分析图3为加热过程的八0函数图像,加热过程中0。>p1,由图可知在加热过程中f(0在0= 0,趋向无穷大。由式(5,(6可知p与啡和.s-啡而=丢器.=孟,秽C g L关,通过Riddr算法或Excel中的单变量求解可得方程的根,得到0与0。和Sk以%的关系如图4。00.51.01.52.02.53.03.54.0口图3以0的函数图形Fig.3Profile o

15、f the function,(0图4方程(5的无量纲解Fig.4Dimensionless solution to Equation5连续退火线辐射管加热段的设计问题可归结为:为满足产品大纲要求,炉子长度、供热量及烧嘴布置该如何确定。当机组按给定值运行,带钢入口温度ti,出口温度L,计算辐射加热段长度L,由式(7可知,与系统黑度C成反比。对于TV=0.9mm xS0m/min=72mmm/rain 的退火线,入口温度30,出口温度800,采用辐射管炉加热,辐射管温度900,占。=0.3,占。= 0.8,计算得到的系统黑度C和L分别如图5和6所示。可见a增大,即辐射管间距增大,炉长增加,显然口

16、值过大,会造成机组长度增加。在实际432l一口。 王建刚等连续退火线辐射管炉内传热过程模型37使用中a通常为2左右,如果辐射管炉通道高度为20m,则需要7个通道。图5系统黑度C与口的关系Fig.5Relationship between the radiation configuration factor C and the ratio of tube pitchtodiameter a图6机组长度与a的关系Fig.6Relationshipbetween the line lengthand the ratio of tube pitch-to-diameter a在生产运行中,对于长度为的

17、炉子,由式(7可知,抓口。一只1为定值,表明机组按照恒定的值运行,可保证带钢由入口温度t;经过炉长后出口温度为L。对于炉子设计,若要适应更高的吖值,可采用增加L和增加c的措施。对于长度为L的炉子,如果带钢厚度不变,提高机组速度“。或者带钢厚度增加,机组速度不变,均会导致值提高。带钢出口温度可由公式(4计算,图7表示W值从72mlnm/min变化到85mmm/rain后,带钢出口温度的变化趋势。图7带钢出口温度随即值变化Fig.7Variationof strip temperature at theexit withvalue如果将方程(6应用于在线或离线的连续炉带钢温度场的计算,为保证计算精

18、度,需要采用区域法。将炉子分成诧个区域,每个区域内系统黑度和辐射源的温度根据该区域的辐射换热系统组成和辐射管平均温度计算。计算步骤为先由方程(6计算区域1的带钢的出口温度,将它作为区域2的入口温度,顺序计算直到求出区域rt的出口温度。对于辐射管退火炉,可将1/2高度的通道作为一个计算区域(如图8。图8连续辐射管炉区域法示意图Fig.8Schematic diagram of the zone method forthe continuous radiant tube furnace以某冷轧厂连退机组辐射管加热段的生产数据为计算条件:机组速度249m/rain,带钢厚度0.605mm,入口温度1

19、00。C,计算的带钢温度趋势 如图9所示。 38宝钢技术2008年第4期图9带钢温度的变化趋势Fig.9Trend of the strip temperature4结论(1根据传热理论,建立了带钢连续退火过程传热的数学模型,并推导了模型的理论解;(2采用等效连续灰面法简化辐射管炉内的辐射换热,得到了系统黑度的计算方法;(3采用实际辐射管炉的生产数据,分析了值变化对带钢出炉温度影响;(4建立的传热数学模型,形式简单,容易求妒痧彩、庐驴移勺令专利信息§眵、驴驴驴驴妒。t甜一种辊形设计方法和抑制高次浪形的轧辊专利号:ZL200410054097.0专利权人:宝山钢铁股份有限公司发明人:李

20、山青许健勇冯莲芹吴平陈军厉以沪叶学卫姜正连王康健朱简如本发明提供一种辊形设计方法,其设计的轧辊可独立、连续地调节高次浪形。本发明的辊形解,能用于炉子工程设计和机组产能分析。参考文献1吴光治.带钢连续热镀锌与退火炉的技术进步J.工业炉,2006,28(2:1921.2邵其滨.1420冷轧连续退火炉剖析J.宝钢技术,1999,(3:2226.3何建锋.冷轧板连续退火技术及其应用J.上海金属,2004,26(4:5053:4张仲良,蔡长生.马钢2号连续带钢热镀锌生产线工艺设备特点J.江西冶金,2004,26(4:5053.5Yoshitani N,Hasegawa A.ModelBased control of strip ternperaturefor the heating fumace in c