王正潔，譚秋生，蘇福永

(1.青島特殊鋼鐵有限公司，青島 266409;2.北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

均熱爐的主要作用是在初軋前把鋼坯加熱或保溫一定時間，通過熱擴散使鋼錠內(nèi)部溫度均勻從而適于金屬塑性加工用的室狀爐[1-3]。均熱爐是初軋生產(chǎn)中的重要加熱設(shè)備。它將來自煉鋼廠的冷、熱鋼錠均勻地加熱到軋制所要求的溫度，并連續(xù)地供給初軋機進行軋制[4-5]。均熱爐爐膛為長方體形，鋼錠在爐內(nèi)豎放，通常由幾個爐坑組成一組，共用一套控制系統(tǒng)。蓄熱式均熱爐作為目前廣泛應(yīng)用的一種爐型，其爐坑兩端有蓄熱室，因其換向供熱帶來爐內(nèi)流場復(fù)雜的周期變化，從而引起爐內(nèi)對流換熱系數(shù)的大幅變化，最終影響鋼錠在爐內(nèi)的換熱過程[6-7]。

在蓄熱式均熱爐爐內(nèi)換熱的研究過程中，隨著計算機的發(fā)展和蓄熱室研究的逐步深入，數(shù)值模擬研究逐漸成為一個重要方向。國內(nèi)外學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法對蓄熱式燃燒過程的流場、燃燒溫度、蓄熱式均熱爐內(nèi)換熱過程等進行了大量仿真研究，為蓄熱式均熱爐的發(fā)展做出了貢獻[8-10]。

本文針對不同熱負(fù)荷下蓄熱式均熱爐內(nèi)的對流換熱過程開展數(shù)值模擬研究，通過對不同熱負(fù)荷下爐內(nèi)鋼錠表面對流換熱系數(shù)的變化分析蓄熱式燃燒方式對均熱爐內(nèi)鋼錠加熱的影響，為蓄熱式均熱爐的工藝優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

1 物理模型及數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

本文的數(shù)值模擬研究對象包含均熱爐爐膛以及爐內(nèi)鋼錠，其示意圖如圖1所示。其中爐長、爐寬和爐高分別為7 900、4 000、5 000 mm。各模擬主要錠型尺寸見表1。

圖1 蓄熱式均熱爐物理模型示意圖

表1 主要錠型參數(shù)表

1.2 數(shù)學(xué)模型

本文主要針對均熱爐加熱不同鋼錠時的對流換熱過程進行模擬，以此來求得不同工況下、不同鋼錠在爐內(nèi)的對流換熱系數(shù)。在進行模擬工作之前，本文做出了如下假設(shè)。

(1)在實際生產(chǎn)過程中爐壓變化不大，因此假定氣體為不可壓縮流體；

(2)根據(jù)均熱爐的特點，假設(shè)爐頂、爐壁以及爐底為等熱流邊界；

(3)鋼錠外表面的初始溫度相同。

基于以上假設(shè)，本文的控制方程包括：

連續(xù)性方程：

(1)

能量方程：

(2)

動量方程：

(3)

湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，控制方程如下：

+Gb-ρε-YM+Sk

(4)

(5)

本文在模擬過程中采用非預(yù)混PDF燃燒模型；輻射換熱過程采用DO模型。

2 模擬結(jié)果分析

在煤氣熱值6 700 kJ/m3，最大煤氣流量4 320 m3/h，爐溫給定值為1 300 ℃時，本文選取了五種最具代表性的工況來進行模擬，模擬時所選取的空煤氣入口速度見表2。

表2 各噴口氣體的噴射速度

模擬結(jié)果中爐內(nèi)速度場云圖及矢量圖如圖2-圖4所示(以3300錠型加熱時煤氣流量4 320、2 592、1 296/m3·h-1為例)，在不同熱負(fù)荷的條件下，爐內(nèi)的流場趨勢基本相同，隨著熱負(fù)荷的減小，空氣及煤氣的入爐速度明顯減小，火焰對于爐氣的攪拌作用也在逐漸減弱。

圖2 熱負(fù)荷為4 320 m3/h(100%)時爐內(nèi)速度場云圖及矢量圖

圖3 熱負(fù)荷為2 592 m3/h(60%)時爐內(nèi)速度場云圖及矢量圖

圖4 熱負(fù)荷為1296m3/h(30%)時爐內(nèi)速度場云圖及矢量圖

(1)加熱3300錠型時蓄熱式均熱爐內(nèi)對流換熱系數(shù)隨熱負(fù)荷的變化規(guī)律

3300錠型時蓄熱式均熱爐內(nèi)不同熱負(fù)荷情況下的對流換熱系數(shù)見表3。

表3 3300錠型不同熱負(fù)荷對應(yīng)的對流換熱系數(shù)(W/(m2·k))計算結(jié)果

根據(jù)表3中的模擬結(jié)果，采用數(shù)據(jù)回歸技術(shù)求出鋼錠表面Nu數(shù)回歸關(guān)聯(lián)式，見式(6)，對流換熱系數(shù)公式見式(7)。

Nu=1.97*10-5Pr0.33Re1.44

(6)

式中，Pr為普朗特數(shù)；Re為雷諾數(shù)。

α=λfNu/dp

(7)

式中，α為對流換熱系數(shù)，(W/(m2·K))；λf為煙氣的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；Nu為Nusselt數(shù)；dp為燒嘴二次風(fēng)口處當(dāng)量直徑，m。

在得到該回歸關(guān)聯(lián)式后，本文用該公式計算得到的換熱系數(shù)也列在了表2中，由回歸公式計算所得對流換熱系數(shù)與模擬值相比最大相對誤差僅為0.51%，回歸公式的計算精度滿足要求。

(2)加熱6110錠型時蓄熱式均熱爐內(nèi)對流換熱系數(shù)隨熱負(fù)荷的變化規(guī)律

6110錠型時蓄熱式均熱爐內(nèi)不同熱負(fù)荷情況下的對流換熱系數(shù)見表4。

表4 6110錠型不同熱負(fù)荷對應(yīng)的對流換熱系數(shù)(W/(m2·k))計算結(jié)果

利用表4中的模擬計算數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)回歸技術(shù)可以求出Nu數(shù)回歸關(guān)聯(lián)式，見式(8)。

Nu=6.21*10-5Pr0.33Re1.53

(8)

通過回歸關(guān)聯(lián)式計算所得到的對流換熱系數(shù)也同時列出在表4中，可以看到，回歸關(guān)聯(lián)式最大相對誤差為0.39%，準(zhǔn)確性較好。

(3)加熱8920錠型時蓄熱式均熱爐內(nèi)對流換熱系數(shù)隨熱負(fù)荷的變化規(guī)律

8920錠型時蓄熱式均熱爐內(nèi)不同熱負(fù)荷情況下的對流換熱系數(shù)見表5。

表5 8920錠型不同熱負(fù)荷對應(yīng)的對流換熱系數(shù)(W/(m2·k))計算結(jié)果

利用表5中的模擬計算數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)回歸技術(shù)可以求出Nu數(shù)回歸關(guān)聯(lián)式，見式(9)。

Nu=2.33*10-5Pr0.33Re1.84

(9)

通過回歸關(guān)聯(lián)式計算所得到的對流換熱系數(shù)也同時列出在表5中，可以看到，回歸關(guān)聯(lián)式最大相對誤差為0.37%，準(zhǔn)確性較好。

3 結(jié)束語

本文模擬了錠型為3300、8920以及6110三種主要錠型鋼錠在不同熱負(fù)荷下爐內(nèi)鋼錠對流傳熱過程，得到不同熱負(fù)荷下鋼錠表面的對流換熱系數(shù)，通過回歸分析，得到了使用煤氣熱值為6 700 kJ/m3情況下，各主要錠型對流換熱系數(shù)與熱負(fù)荷之間的回歸關(guān)聯(lián)式。本文研究所得成果為蓄熱室均熱爐爐內(nèi)鋼錠溫度計算提供了必要的計算參數(shù)，為均熱爐的工藝優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。