王靜宇 李國軍 王曉東

(東北大學 冶金學院)

近年來隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，鋼材作為眾多產業(yè)的原材料其需求量不斷增大，加熱爐的生產能力也在不斷提升，多段式加熱爐逐漸成為了加熱爐發(fā)展的方向，步進式加熱爐開始大規(guī)模地得到應用。與其他加熱爐相比，步進式加熱爐具有許多優(yōu)點：加熱坯料廣泛，可對異型坯進行很好地加熱，生產能力大且加熱靈活，爐長不受限制[1]。在眾多類型的鋼材中，H型鋼具有斷面形狀和尺寸合理，剛度、慣性矩及斷面模數等力學性能優(yōu)異等特性，其需求量快速增加[2]。

H型鋼作為一種經濟斷面型鋼，以優(yōu)異的力學性能在建筑、橋梁、船舶和車輛等領域發(fā)揮著重要的作用[3-9]。H型鋼是由異型坯近終軋制而成，因而異型坯在加熱爐內的加熱過程對H型鋼的軋制質量有著直接的影響。不同于其他普通型坯，異型坯的斷面形狀更加不規(guī)則，而且其隨溫度變化的物性和復雜的邊界條件令研究異型坯在加熱爐內的加熱過程更加困難，近年來對其加熱過程的研究報道較少。目前，還未有適合異型坯加熱爐的熱力系統(tǒng)來指導其生產操作，從而導致加熱爐生產效率低下，產生了不必要的能源浪費。因此，異型坯加熱爐熱工特性的研究是當前亟需解決的問題。文章主要研究異型坯在步進式加熱爐內的加熱過程，建立了異型坯加熱爐二維段法模型，采用主變量修正法[10]求解能量平衡方程，得到加熱爐爐氣和異型坯內部的溫度分布，分析了爐圍黑度對異型坯加熱過程的影響，為異型坯的實際生產提供了理論指導依據。

1 模型建立

以步進式異型坯加熱爐作為研究對象，其內部幾何形狀如圖1所示。加熱爐系統(tǒng)內的主要換熱過程包括：爐氣與爐圍表面及異型坯表面之間的對流換熱，異型坯表面段、爐圍表面段和爐氣氣體段相互之間的輻射換熱，爐圍與異型坯內部的熱傳導。

1.1 網格劃分

對異型坯采用二維非穩(wěn)態(tài)導熱模型描述其加熱過程，假設鋼坯上下對稱加熱，只對異型坯上半部分進行建模。采用有限差分法對鋼坯加熱過程進行時間及空間上的離散處理，以求得異型坯溫度場。因為異型坯形狀不規(guī)則，需采用三角形網格及不均勻網格對其進行網格劃分[11]，異型坯詳細網格劃分如圖2所示。

圖1 步進式異型坯加熱爐內部幾何形狀

圖2 異型坯網格劃分

1.2 控制方程及定解條件

異型坯在加熱爐中的加熱過程是一個非穩(wěn)態(tài)傳熱問題，控制方程為

(1)

式中：ρ為異型坯密度，kg/m3；c(T)為異型坯的比熱，J/(kg·K)；λ(T)為異型坯的導熱系數，W/(m2·K)。c(T)和λ(T)分別可通過下式求得[12]。

(2)

(3)

式中：a1,a2,a3為根據不同鋼種確定的常數。

邊界條件

qu(τ)=qs,i

(4)

(5)

異型坯水平對稱線上的熱流密度為

qd(τ)=0

(6)

初始條件

T(x,y,τ)τ=0=T(x,y)

(7)

2 模型驗證

引用文獻[13]中的實驗數據對模型進行驗證。步進梁式加熱爐的尺寸設定為30.6 m × 11 m×3 m。加熱爐分為預熱段、加熱段和均熱段。在典型工況下，供給預熱段、加熱段和均熱段的燃料量分別為0、10 395和3 465 m3/h，混合氣體燃料的低位發(fā)熱值為10 500 kJ/m3，異型坯沿爐長方向移動。異型坯溫度模擬點位置與實驗數據獲取位置相同，參見圖2。

采用爐膛和異型坯兩點的溫度對文章建立的模型進行驗證，測溫點3位于異型坯翼緣拐角處，測溫點7位于異型坯內部，模擬溫度和實驗測量溫度對比結果如圖3所示。從圖中可以看出，在異型坯進入預熱段時，由于沒有燃料供應，溫度場易受爐門及吸入冷風的影響，導致模擬結果與實驗結果之間存在一定的誤差。當異型坯進入加熱段后，燃料持續(xù)供入，爐溫及異型坯溫度曲線均具有良好的一致性。表明該模型的建立與計算程序的編寫可用于研究此異型坯在加熱爐內的加熱過程。

圖3 異型坯溫度及爐溫

3 模型結果分析

采用文章建立的模型對典型工況下異型坯在加熱爐內的加熱過程進行模擬，加熱爐的產量為183.4 t/h，加熱時間為150 min。

圖4為異型坯在加熱爐內加熱不同時間的溫度分布。開始加熱時翼緣端部快速升溫，斷面溫差逐漸變大。在加熱3 000 s后，異型坯進入加熱段，斷面溫差逐漸減小，腹板升溫速度加快，在6 000 s時腹板最高溫度和翼緣端部持平。異型坯進入均熱段后，斷面溫差進一步減小，腹板位置熱流集中且厚度較薄，變成異型坯斷面溫度最高的位置。

圖4 異型坯加熱不同時間后溫度場

圖5為異型坯最大斷面溫差及各表面熱流隨著鋼坯加熱過程的變化曲線。異型坯表面熱流在預熱段呈上升趨勢，在加熱段到達峰值后逐漸降低，并且在均熱段內降幅減緩，且異型坯最大斷面溫差變化趨勢與熱流變化趨勢基本一致。在加熱過程中，異型坯翼緣內側熱流總體上大于翼緣端部，腹板表面熱流介于兩者之間。隨著異型坯加熱過程的進行，輻射換熱和對流換熱所占的比例如圖6所示。異型坯進入加熱爐時，輻射換熱量占比62.2%，而對流換熱量占比37.8%。因為加熱爐內部是高溫換熱場，隨著異型坯往前步進，輻射換熱所占比重逐漸加大，進入加熱段時輻射換熱量占比約為90%，在均熱段中達到95%左右。隨著輻射換熱的比重增大，其換熱效果能夠在很大程度上影響異型坯在加熱爐內的加熱過程。

圖5 異型坯最大斷面溫差及表面熱流

圖6 換熱方式份額變化曲線

在其他條件保持不變時，不同爐圍黑度下異型坯的升溫曲線如圖7所示。爐圍黑度對異型坯出鋼溫度和排煙溫度的影響如圖8所示。由圖可知，爐圍黑度越大，異型坯的加熱效果越好，且出鋼溫度越高。爐圍黑度小于0.4時對異型坯出鋼溫度和排煙溫度的影響較為明顯。爐圍黑度大于0.6時對異型坯加熱過程和排煙溫度的影響可忽略不計?？梢赃x擇合適黑度的爐圍材料，以提升異型坯的加熱效果。

圖7 不同爐圍黑度下異型坯升溫曲線

圖8 爐圍黑度對出鋼溫度與排煙溫度的影響

4 結論

文章建立了一個步進式異型坯加熱爐傳熱模型來研究異型坯在爐內的換熱，并根據工廠實測數據對傳熱模型進行了驗證。通過分析異型坯在加熱過程中各表面熱流變化規(guī)律，得出其輻射換熱在加熱段及均熱段內所占比重在90%以上。在其他條件不變的情況下，對不同爐圍黑度下異型坯的升溫過程進行了研究分析，可通過適當提高爐圍黑度來提升異型坯的加熱效果及出鋼溫度。文章可為優(yōu)化加熱爐操作和指導實際生產提供理論參考。