不同錠型及熱負荷下均熱爐內對流換熱系數的模擬分析

王正潔，譚秋生，蘇福永

(1.青島特殊鋼鐵有限公司，青島 266409;2.北京科技大學能源與環境工程學院，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]。均熱爐是初軋生產中的重要加熱設備。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，鋼錠在爐內豎放，通常由幾個爐坑組成一組，共用一套控制系統。蓄熱式均熱爐作為目前廣泛應用的一種爐型，其爐坑兩端有蓄熱室，因其換向供熱帶來爐內流場復雜的周期變化，從而引起爐內對流換熱系數的大幅變化，最終影響鋼錠在爐內的換熱過程[6-7]。

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

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

1 物理模型及數學模型

1.1 物理模型

本文的數值模擬研究對象包含均熱爐爐膛以及爐內鋼錠，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 主要錠型參數表

1.2 數學模型

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、不同鋼錠在爐內的對流換熱系數。在進行模擬工作之前，本文做出了如下假設。

(1)在實際生產過程中爐壓變化不大，因此假定氣體為不可壓縮流體；

(2)根據均熱爐的特點，假設爐頂、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，本文的控制方程包括：

連續性方程：

(1)

能量方程：

(2)

動量方程：

(3)

湍流模型采用標準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混PDF燃燒模型；輻射換熱過程采用DO模型。

2 模擬結果分析

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

模擬結果中爐內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)，在不同熱負荷的條件下，爐內的流場趨勢基本相同，隨著熱負荷的減小，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 熱負荷為4 320 m3/h(100%)時爐內速度場云圖及矢量圖

圖3 熱負荷為2 592 m3/h(60%)時爐內速度場云圖及矢量圖

圖4 熱負荷為1296m3/h(30%)時爐內速度場云圖及矢量圖

(1)加熱3300錠型時蓄熱式均熱爐內對流換熱系數隨熱負荷的變化規律

3300錠型時蓄熱式均熱爐內不同熱負荷情況下的對流換熱系數見表3。

表3 3300錠型不同熱負荷對應的對流換熱系數(W/(m2·k))計算結果

根據表3中的模擬結果，采用數據回歸技術求出鋼錠表面Nu數回歸關聯式，見式(6)，對流換熱系數公式見式(7)。

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

(6)

式中，Pr為普朗特數；Re為雷諾數。

α=λfNu/dp

(7)

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

在得到該回歸關聯式后，本文用該公式計算得到的換熱系數也列在了表2中，由回歸公式計算所得對流換熱系數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對流換熱系數隨熱負荷的變化規律

6110錠型時蓄熱式均熱爐內不同熱負荷情況下的對流換熱系數見表4。

表4 6110錠型不同熱負荷對應的對流換熱系數(W/(m2·k))計算結果

利用表4中的模擬計算數據，采用數據回歸技術可以求出Nu數回歸關聯式，見式(8)。

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

(8)

通過回歸關聯式計算所得到的對流換熱系數也同時列出在表4中，可以看到，回歸關聯式最大相對誤差為0.39%，準確性較好。

(3)加熱8920錠型時蓄熱式均熱爐內對流換熱系數隨熱負荷的變化規律

8920錠型時蓄熱式均熱爐內不同熱負荷情況下的對流換熱系數見表5。

表5 8920錠型不同熱負荷對應的對流換熱系數(W/(m2·k))計算結果

利用表5中的模擬計算數據，采用數據回歸技術可以求出Nu數回歸關聯式，見式(9)。

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

(9)

通過回歸關聯式計算所得到的對流換熱系數也同時列出在表5中，可以看到，回歸關聯式最大相對誤差為0.37%，準確性較好。

3 結束語

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荷下爐內鋼錠對流傳熱過程，得到不同熱負荷下鋼錠表面的對流換熱系數，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與熱負荷之間的回歸關聯式。本文研究所得成果為蓄熱室均熱爐爐內鋼錠溫度計算提供了必要的計算參數，為均熱爐的工藝優化奠定了基礎。