果晶晶，陳 健

（1.邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院資源與環(huán)境工程系，河北 邢臺(tái) 054035；2.中鋼集團(tuán)邢臺(tái)機(jī)械軋輥有限公司，河北 邢臺(tái) 054025）

為實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，在“節(jié)能減排，鋼鐵產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，淘汰落后產(chǎn)能”政策的引導(dǎo)下，多數(shù)先進(jìn)鋼廠開始向清潔環(huán)保、低能耗、高附加值產(chǎn)品的方向發(fā)展[1]。加熱爐是鋼鐵行業(yè)的重要熱工設(shè)備之一，能耗很高，約占整個(gè)鋼鐵行業(yè)總能耗的20%左右。因此加熱爐優(yōu)化節(jié)能是鋼鐵行業(yè)節(jié)能的重點(diǎn)方向。提高加熱爐的加熱效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)加熱爐節(jié)能的關(guān)鍵是對(duì)爐內(nèi)氣流的速度分布、溫度分布進(jìn)行細(xì)致研究分析，對(duì)加熱爐爐膛內(nèi)熱工過程加以研究解決。

由于加熱爐是一個(gè)高溫封閉的系統(tǒng)，燃料、爐氣、鋼坯等都在不斷的運(yùn)動(dòng)且是不斷變化的，其內(nèi)部氣體流動(dòng)、燃燒、傳熱、傳質(zhì)等過程非常復(fù)雜，受很多因素的影響，目前現(xiàn)場操作缺乏足夠的理論指導(dǎo)，很容易造成盲目和不必要的能源浪費(fèi)。陳永等[2]運(yùn)用拖偶法測量重軌鋼坯在加熱爐內(nèi)的升溫曲線，并分析燃料消耗、爐溫與加熱時(shí)間對(duì)鋼坯溫度的影響。許望炎等[3]對(duì)加熱鋼坯進(jìn)行埋偶試驗(yàn)，獲得加熱爐內(nèi)部的實(shí)際爐氣溫度，并以此為邊界條件建立鋼坯在加熱爐內(nèi)的溫度場模型，分析鋼坯在步進(jìn)式加熱爐內(nèi)的溫度場變化情況。Kim等[4]人在考慮湍流和輻射的條件下研究了鋼坯在加熱爐內(nèi)的穩(wěn)態(tài)傳熱過程。王子松等[5]建立鋼坯、梁及爐氣流動(dòng)的三維鋼坯加熱模型，分別從不同的空氣系數(shù)和流量兩方面來分析爐內(nèi)的燃燒與流動(dòng)特性。張彪等[6]采用計(jì)算機(jī)對(duì)加熱爐燃燒控制系統(tǒng)進(jìn)行在線智能節(jié)能管控，工作參數(shù)的在線自動(dòng)調(diào)整，以監(jiān)測、控制加熱爐鋼坯表面溫度分布。程健等[7]在研究步進(jìn)梁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理的基礎(chǔ)上，建立了電液比例方向閥和液壓缸的數(shù)學(xué)模型。

目前的研究多數(shù)是有關(guān)鋼坯加熱過程與自動(dòng)控制的，但對(duì)爐膛內(nèi)爐氣的流動(dòng)、爐氣與鋼坯之間的傳熱過程進(jìn)行全面的理論研究較少。主要表現(xiàn)在：大多采用智能模擬的方法，將加熱爐看作一個(gè)“黑箱”，不分析其內(nèi)部的反應(yīng)機(jī)理，而只研究輸入端即工藝參數(shù)的對(duì)于輸出端鋼坯加熱質(zhì)量的影響；因加熱爐的高溫封閉性，對(duì)加熱爐內(nèi)流動(dòng)、傳熱的研究非常有限。大多數(shù)研究主要面對(duì)爐內(nèi)輻射換熱與鋼坯加熱，而對(duì)于鋼坯運(yùn)動(dòng)軌跡同爐膛溫度分布的合理匹配方案涉及較少。本研究以加熱爐內(nèi)爐氣與鋼坯的熱量交換為研究對(duì)象，建立不同燃料配比情況下爐氣在爐內(nèi)傳熱過程以及鋼坯加熱過程的數(shù)學(xué)模型；并探討步進(jìn)式加熱爐內(nèi)鋼坯運(yùn)動(dòng)軌跡同爐膛溫度分布的合理匹配方案，從而為合理地組織燃料燃燒，加熱爐實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗起到指導(dǎo)作用。

1 爐氣與鋼坯熱交換模型的建立

1.1 模型的建立

本研究以步進(jìn)式連續(xù)加熱爐為主要分析對(duì)象。該加熱爐有效長度L0=23.52 m，將加熱爐沿鋼坯運(yùn)動(dòng)方向分成三段：第一加熱段長度L1=8.10 m、第二加熱段L2=9.05 m和均熱段L3=6.73 m。爐膛在高度方向上分為上爐膛和下爐膛，其上爐膛高度H1=1.40 m，下爐膛高度H2=2.10 m，爐膛寬W=7.30 m。其加熱爐結(jié)構(gòu)示意圖1。

圖1 加熱爐結(jié)構(gòu)示意圖（mm）

步進(jìn)式加熱爐內(nèi)鋼坯的加熱模型采用運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的二維切片法，即從加熱爐的爐尾至爐頭方向，按時(shí)間步長截取斷面，建立二維非穩(wěn)態(tài)模型，具體數(shù)學(xué)模型如圖2所示。加熱爐采用端進(jìn)端出的裝出料方式，且鋼坯在爐內(nèi)采用兩排布置，實(shí)施雙面加熱。模擬5種混合燃料對(duì)尺寸為0.165 m×0.165 m×2.8 m的20號(hào)鋼坯的加熱過程，鋼坯入爐時(shí)為常溫20℃。

1.2 定解條件

1.2.1 初始條件

鋼坯初始溫度為293 K。

1.2.2 邊界條件

圖2 步進(jìn)式加熱爐加熱鋼坯的數(shù)學(xué)模型

高溫爐氣鼓入加熱爐的初始溫度按照燃料的燃燒反應(yīng)計(jì)算出理論燃燒溫度，再乘以爐溫系數(shù)，得到實(shí)際進(jìn)入爐膛的爐氣溫度，即：

式中：假定n=0.7。

采用高爐、焦?fàn)t混合煤氣對(duì)鋼坯進(jìn)行加熱，高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣的成分見表1；按照煤氣、空氣被預(yù)熱到450℃進(jìn)行混合燃料燃燒的計(jì)算過程，可以分別計(jì)算出5種不同燃料配比下爐氣的實(shí)際理論燃燒溫度，具體見表2，將其作為燒嘴速度進(jìn)口邊界條件中要設(shè)定的進(jìn)口溫度值；出口為自由出流動(dòng)邊界條件。

表1 高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣濕成分 %

表2 不同燃料配比下爐氣的實(shí)際理論燃燒溫度

給定壁面一恒定熱流[8]，取qn=-5 000 W/m2。

考慮到輻射問題，結(jié)合加熱爐特點(diǎn)，選擇DO輻射模型，并依據(jù)經(jīng)驗(yàn)取鋼坯的黑度為0.8，爐墻的黑度為0.85。

爐氣在加熱爐內(nèi)的運(yùn)動(dòng)為湍流，故附加湍流模型。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 不同燃料配比對(duì)步進(jìn)式加熱爐爐膛熱量交換的影響

在爐內(nèi)鋼坯水平前進(jìn)位移為200 mm的條件下，分析5種不同燃料配比對(duì)步進(jìn)式加熱爐爐膛熱量交換的影響，如圖3所示。為了方便描述爐膛熱量交換過程，將采用混合燃料x對(duì)鋼坯加熱，鋼坯在爐內(nèi)前進(jìn)的水平位移y，簡化表示為x-y。

圖3 不同燃料配比下加熱爐爐膛內(nèi)部溫度場分布情況

由圖3不同燃料配比下加熱爐爐膛內(nèi)的溫度場分布情況可知，爐膛內(nèi)部的溫度場分布趨勢大體相同；隨著高爐煤氣中焦?fàn)t煤氣比例的增加，爐膛內(nèi)的爐氣的溫度提高，與鋼坯之間的熱量交換增強(qiáng)，故而鋼坯的加熱溫度有所提高。

圖4 為不同燃料配比下爐內(nèi)鋼坯的平均溫度變化曲線。

圖4 不同燃料配比下爐內(nèi)鋼坯的平均溫度變化曲線

由圖4可以看出，隨著鋼坯在加熱爐內(nèi)停留時(shí)間的延長，鋼坯的平均溫度逐漸升高；在高爐煤氣中焦?fàn)t煤氣的比例由0增加至5%，鋼坯的平均溫度增加，當(dāng)繼續(xù)增加焦?fàn)t煤氣的比例至7.5%，鋼坯的平均溫度在加熱后期比含焦?fàn)t煤氣為5%的混合燃料4略低。

為了更好地研究步進(jìn)式加熱爐內(nèi)爐氣與鋼坯之間的換熱效果，本研究引入鋼坯換熱效率來進(jìn)行評(píng)價(jià)。

鋼坯換熱效率：

式中：Ts，average為兩塊鋼坯在加熱過程中的某一時(shí)刻的平均溫度，K；Tgas為混合燃料的實(shí)際理論燃燒溫度，K。

圖5 為不同燃料配比下爐內(nèi)鋼坯換熱效率變化曲線。

圖5 不同燃料配比下爐內(nèi)鋼坯換熱效率變化曲線

由圖5可以看出，隨著鋼坯在加熱爐內(nèi)停留時(shí)間的延長，鋼坯不斷吸收爐氣中的熱量，鋼坯的換熱效率增加；隨著高爐煤氣中焦?fàn)t煤氣比例的增加，鋼坯的換熱效率略有降低，混合燃料5的熱效率相對(duì)較低。

2.2 鋼坯運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)加熱爐爐膛熱量交換的影響

采用混合燃料3對(duì)鋼坯進(jìn)行加熱，鋼坯在爐內(nèi)的水平前進(jìn)位移分別取160 mm、200 mm、300 mm，所模擬的爐膛內(nèi)熱量交換結(jié)果如圖6所示。

圖6 三種鋼坯運(yùn)動(dòng)軌跡下加熱爐爐膛溫度場分布云圖

三種鋼坯運(yùn)動(dòng)軌跡下加熱爐爐膛溫度場的溫度分布云圖如圖6所示。

由圖6可以看出，爐氣在加熱爐內(nèi)的分布情況大體相同。當(dāng)鋼坯在爐內(nèi)前進(jìn)的水平位移由160 mm、200 mm增至300 mm，使得鋼坯在加熱爐內(nèi)的停留時(shí)間越來越短，鋼坯與爐氣之間的熱量交換時(shí)間隨之減少，故而鋼坯隨鋼坯水平前進(jìn)位移的增加，加熱出的鋼坯溫度降低。

圖7 為三種鋼坯運(yùn)動(dòng)軌跡下爐內(nèi)鋼坯的平均溫度變化曲線。

由圖7可以看出，同一燃料配比下，隨著鋼坯在爐內(nèi)水平前進(jìn)位移的增加，鋼坯出爐時(shí)的平均溫度降低；在鋼坯的水平前進(jìn)位移為160 mm時(shí)，隨著高爐煤氣中焦?fàn)t煤氣比例的增加，鋼坯出爐時(shí)的平均溫度是逐漸增加的，而且增加幅度比較大；在鋼坯的水平前進(jìn)位移分別為200 mm、300 mm時(shí)，隨著高爐煤氣中焦?fàn)t煤氣比例由0增加至5%的混合燃料4，鋼坯的出爐溫度是一直增加的；而隨著焦?fàn)t煤氣的比例繼續(xù)增加到7.5%，鋼坯的出爐溫度有所下降。相應(yīng)的鋼坯的換熱效率變化趨勢與上述相同，如圖8所示。

圖8 三種鋼坯運(yùn)動(dòng)軌跡下鋼坯換熱效率變化曲線

3 結(jié)論

1）在爐內(nèi)鋼坯水平前進(jìn)位移為200 mm的條件下，不同燃料配比下的爐內(nèi)溫度場分布趨勢大體相同；隨著高爐煤氣中焦?fàn)t煤氣比例的增加，鋼坯加熱溫度有所提高；在高爐煤氣中焦?fàn)t煤氣的比例由0增加至5%，鋼坯的平均溫度增加，當(dāng)繼續(xù)增加焦?fàn)t煤氣的比例至7.5%，鋼坯的平均溫度在加熱后期比含焦?fàn)t煤氣為5%的混合燃料4略低。

2）在爐內(nèi)鋼坯水平前進(jìn)位移為200 mm的條件下，隨著鋼坯在加熱爐內(nèi)停留時(shí)間的延長，鋼坯的換熱效率增加；隨著高爐煤氣中焦?fàn)t煤氣比例的增加，鋼坯的換熱效率略有降低，混合燃料5的熱效率相對(duì)較低。

3）采用混合燃料3對(duì)鋼坯進(jìn)行加熱，當(dāng)鋼坯在爐內(nèi)前進(jìn)的水平位移由160 mm、200 mm增至300 mm，出口鋼坯溫度降低。

4）采用混合燃料3對(duì)鋼坯進(jìn)行加熱，同一燃料配比下，隨著鋼坯在爐內(nèi)水平前進(jìn)位移的增加，鋼坯出爐時(shí)的平均溫度降低；在鋼坯的水平前進(jìn)位移為160 mm時(shí)，隨著高爐煤氣中焦?fàn)t煤氣比例的增加，鋼坯出爐時(shí)的平均溫度大幅增加；在鋼坯的水平前進(jìn)位移分別為200 mm、300 mm時(shí)，隨著高爐煤氣中焦?fàn)t煤氣比例由0增加至5%的混合燃料4，鋼坯的出爐溫度是一直增加的；而隨著焦?fàn)t煤氣的比例繼續(xù)增加到7.5%，鋼坯的出爐溫度有所下降。相應(yīng)的鋼坯的換熱效率變化趨勢與上述相同。

本研究通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算5種不同燃料配比情況下的加熱爐爐氣與鋼坯換熱之間的關(guān)系，得出鋼坯燃料配比與鋼坯加熱的平均溫度、換熱效率之間的變化關(guān)系，為后續(xù)實(shí)際生產(chǎn)合理地組織燃燒，加熱爐節(jié)能，奠定了理論基礎(chǔ)。并在同一燃料配比下，研究鋼坯的運(yùn)動(dòng)軌跡同爐膛溫度分布的合理匹配方案，得出鋼坯水平前進(jìn)位移同鋼坯出爐時(shí)的平均溫度、鋼坯的換熱效率的關(guān)系，對(duì)加熱爐節(jié)能降耗及優(yōu)化設(shè)計(jì)有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用。