不同炉压下外部空气对炉头钢坯温度的影响研究.pdf

1数学模型和计算条件工業加熟.40.INDUSTRIALHEATINGD0I:10.3969/j.issn.1002-1639.2023.06.010不同炉压下外部空气对炉头钢坏温度的影响研究孙茂林，于浩森（北京首钢股份有限公司，河北唐山0 6 440 4）摘要：轧钢加热炉在为钢坏加热的过程中会因为炉内压力的不稳定造成炉头处产生负压，从而使外界的冷风进入加热炉，对炉头处钢坏的加热造成一定影响。以某公司大型步进式轧钢加热炉为研究对象，对不同炉压下外部空气对炉头钢坏加热情况进行数值模拟，同时对比研究了炉头吸冷风和不吸冷风对钢坏加热的影响。结果表明：吸冷风主要影响炉头钢下表面和正面的温度均匀性；不同压差情况下加热炉内钢坏表面热流分布规律一致，主要影响钢坏表面热流的大小。关键词：加热炉；吸冷风；炉头；数值模拟中图分类号：TG155.1.2文献标志码：AStudy on the Influence of External Air on the Temperature of Billet under Different Furnace Pressure(Being Shougang Co.Ltd.,Tangshan 064404,China)Abstract:In the process of heating billet for steel rolling furnace,sometimes there will be negative pressure at the furnace head due to the un-stable pressure in the furnace,so that the cold air from outside will have a certain influence on the billet heating at the furnace head.A largestepping steel rlling furnace of a company is taken as the research object,numerical simulation is carried out on the heating situation of fur-nace head steel under different pressure of external air,and comparative study is made on the influence of cold air suction and no cold air suc-tion on billet heating.The results show that the temperature uniformity of the lower surface and the front of the steel is mainly affected by thesuction air.The distribution of heat flux on billet surface is consistent under different pressure difference conditions,which mainly affects theheat flux.Key Words:reheating furnace;suction air cooling;furnace head;numerical simulation轧钢加热炉是轧钢厂加热工序的一个重要设备。它的作用是加热钢坏使钢坏温度满足轧制要求。但轧制过程中经常出现钢坏温度分布不均匀的现象，严重影响生产质量和效率。为了提高轧钢加热炉的生产效率，一些研究者从燃烧方式上研究不同燃烧技术对炉温的影响2 ，同时也对加热炉内温度场、流场和压力场展开诸多研究3-6 。除此以外还针对空煤气预热温度、烧嘴喷口夹角、板坏在炉时间、板坏入炉温度以及板坏间距等因素对钢坏加热温度及加热炉生产效率的影响做了大量的研究7-10 ,并取得了一系列成果。在加热炉的实际生产中，炉头冷风对于炉内钢坏的加热状况影响较大，在当前的研究进展中，这方面的研究还比较欠缺。本文针对均热段炉压低于炉头外部压力时炉头冷空气对钢坏加热的影响过程开展研究工作，通过分析炉头吸冷风过程中均热段流场和炉头钢坏表面热流变化情况确定不同炉压下冷空气对钢坏加热过程的影响，为生产中钢坏加热质量的提升提供指导。2023年第52 卷第6 期Vol.52No.62023文章编号：10 0 2-16 3 9(2 0 2 3)0 6-0 0 40-0 5SUN Maolin,YU Haomiao本文以某钢厂步进式轧钢加热炉为研究对象。所建立的物理模型根据现场炉头进冷风情况在出钢处设置如图1所示的进风口，上部豁口高度为40 mm，下部出钢机口面积为：0.3 2 m（内宽）1.15m（高度）6个（数量），具体物理模型如图2 所示。图1实物图收稿日期：2 0 2 2-0 7-12作者简介：孙茂林（197 6 一），男，硕士，高级工程师，研究方向为冶金热能与动力.图2 简化模型工業加熟2023年第52 卷第6 期Vol.52No.620231.1数学模型(1)连续性方程：+(pu.)=0atax式中：p为流体密度,kg/m；t 为时间,h；u 为速度矢量；x为坐标；i为1,2,3。(2)动量守恒方程：d(pu;ui)=pf.ata;式中：p为流体压强,Pa；为流体的动力黏性系数，Ns/m；f.为单位质量流体所受的质量力,m/s。(3)能量守恒方程：pH)puatax;燃料种类化学成分百分含量/%燃料热值/kJm3区域预热段一加热段二加热段均热段（3）壁面条件：给定加热炉壁面恒定的温度，钢坏采用定表面温度的边界条件，炉墙、隔热墙和坏料是壁面条件,其他定义为流体。预热段的墙内壁温度设为1100K,加热段的墙壁温度设为13 55K,均热段的墙壁温度设为13 50 K,墙体黑度为0.7，钢坏黑度取0.5，烟气吸收系数采用灰气体加权平均模型（WSGGM模型）。模型壁面为静止壁面,固体壁面边界为无滑移条件，在壁面处具有零梯度条件,在壁面上采用标准壁面函数。2模拟结果分析本文利用FLUENT商业软件对炉头处不进冷风，以及炉头外和炉头内压差分别为2 0 和3 0 Pa进行了模拟，对比了不同工况下炉头吸冷风对炉头钢温度均匀性的影响，为生产中解决炉头吸冷风问题提供相关理论依据。.41INDUSTRIALHEATING式中：Qrad和Qr分别为辐射和化学反应热源项，W；Ih为热交换系数；H为包括动能的滞止恰,J。1.2花初始和边界条件(1)（1)进口边界：所建立模型的空煤气进口边界类型为mass-flow-inlet。加热炉使用高、焦、转混合煤气为燃料，燃料的组成成分如表1所示，燃料的热值为9614kJ/m,助燃物是空气，过量空气系数取1.1。进pau;十x;x;H)Qrad+Qr+dx;CO19.3燃烧器数量燃气(标准)/m.h-183300208700207 600322.700口的质量流量如表2 所示，表中燃料流量为加热炉额定状态的进口流量，以无冷风进入工况下炉头处的压(2)力为基准,分别研究当炉头内外压差为2 0 和3 0 Pa两种工况下炉内钢坏表面热流的变化。(2)出口边界：全炉出口分为两部分，排烟烧嘴出口和烟道出口，排烟烧嘴出口边界类型为mass-flow-outlet,出口烟气量的质量流量为进口的6 0%；烟道出t口边界类型为 pressure-outlet,压力取-3 0 0 Pa。(3)表1燃料主要参数高、焦、转混合煤气H,CH415.610.6表2 烧嘴进口流量分布上（顶）部烧嘴体积流量空气(标准)/m.h-1700618 47016 13557322.1流场分布图3 图5是三种不同工况下均热段局部流场图。图3 表明当炉外没有空气进入炉内时，炉膛下部并没有明显的漩涡产生，部分烟气会向炉膛上部流动。图4和图5表明，当有外部空气进人炉内，炉头外空气首先向炉膛下部流动并且产生一个大的漩涡卷吸周围烟气，均热段上部的部分烟气受到影响流向炉膛下部。/图3不进冷风流线图N231.99614CO221.8燃气(标准)/m.h-133009.8008 700330011020.2下部烧嘴体积流量空气(标准)/m.h-17 00620805184707 006C,H0.62023年第52 卷第6 期工業加熟INDUSTRIALHEATING同工况下进行了对比分析。100r80604020F三二图4压差2 0 Pa流线图图5压差3 0 Pa流线图2.2表面热流分布图6 是全炉2 5块钢坏上表面平均热流分布曲线图。从图6 可以明显看出，炉头吸冷风只是对出钢处的前两块钢坏有影响,其中对第一块钢坏影响最大,并且也可以看出当炉头内外压差为2 0 和3 0 Pa的工况下对炉头钢表面热流大小的影响区别不大。所以,在下文中主要对出钢处的第一块钢坏各个表面的热流在不避面热流/kWm3.16 0.73-1.71 4.15-6.58-9-11.46-14-16.33-18.77-21-23-26-28Vol.52No.62023无冷风压差2 0 Pa-压差3 0 Pa0-2050图6钢坏上表面平均热流分布曲线图图7 和图8 显示了炉头钢上下表面热流分布，图7（a）、图7(b）、图7(c)分别为炉头处不进冷风、炉头内外压差2 0 和3 0 Pa三种不同工况下炉头钢表面热流的分布。图7 中热流密度为负值表示向周围环境放热，热流密度为正值表示钢坏处于吸热状态。通过上下表面热流分布图可以看出，钢坏下表面受吸冷风的影响要远远大于上表面，下表面向周围环境放热较多，并且钢坏沿炉宽方向的热流分布不均匀，这是由于受到炉内流场的影响，表现出两侧换热不均的现象。同时发现，不同炉头内外压差条件下，不论是热流在表面的分布或者热流大小上差异不大，说明了当内外压差分别为2 0 和3 0 Pa对炉头钢坏加热均匀性的影响规律基本一致,和不进冷风有明显的区别。510板坏/块152025(a)不进冷风避面热流/kWm1-3-6-10-14-17-212528-32-36-40-43-47(b)压差2 0 Pa避面热流/kWm40-4-9-13-17-2126-30-34-3843-47-51(c)压差3 0 Pa图7 炉头钢上表面热流分布图图9和图10 显示了炉头钢靠近出钢处一侧（后侧)和背离炉头一侧（前侧）的钢坏表面热流分布（下文只说后侧和前侧）。从图9图10 中可以看出炉头钢后侧因为直接与炉外空气接触导致钢坏后侧面热损失较大,尤其是与冷风进口相对的位置处钢坏表面热流最大,这对钢坏的温度加热均匀性极为不利。对于炉头钢前侧而言,因为该侧与前一块高温钢坏紧密接触,所以进冷风对前侧面的换热影响较小。但是从热流分布图可以看出，钢坏下部与周围炉气的换热要强于钢坏上部。图11和图12 是炉头钢靠近炉膛侧壁面两侧的热流分布图。从图11图12 中可以看出钢坏两侧的热流大小基本处于-3 0 kW/m左右，通过对比发现炉头吸冷风对两个侧面的影响较小，侧面热流分布均匀性较好。工業加熟2023年第52 卷第6 期Vol.52No.62023INDUSTRIALHEATING避面热流/kWm3.16 0.73-1.71 4.15-6.58-9-11.46-14-16.33-18.77-21-23-26-28(a)不进冷风避面热流/kWm1-3-6-10-14-17-21-25-28-32-36-40-43-47(b)压差2 0 Pa避面热流/kWm40-4-9-13-17-21-26-30-34-38-43-47-51(c)压差3 0 Pa图8 炉头钢下表面热流分布图避面热流/kWm3.16 0.73-1.71 4.15-6.58-9-11.46-14-16.33-18.77-21-23-26-28(a)不进冷风避面热流/kWm-3-6-10-14-17-2