連續(xù)退火線輻射管爐內(nèi)傳熱過程模型_圖文

1、寶鋼技術2008年第4期連續(xù)退火線輻射管爐內(nèi)傳熱過程模型王建剛1,葉國城2,劉華飛1,向順華1,胡廣魁2(1.寶鋼研究院;2.寶鋼分公司,上海201900摘要:建立連續(xù)退火輻射管加熱爐內(nèi)傳熱的數(shù)學模型,推導了模型的解析式,并給出了無量綱解的圖像。引入當量灰平面法來簡化帶鋼與輻射管之間的輻射換熱計算,討論了輻射管布置對系統(tǒng)黑度和機組長度的影響。計算表明,輻射管的間距直徑比增加,系統(tǒng)黑度降低,機組長度增加。采用實際生產(chǎn)數(shù)據(jù),分析了機組帶鋼厚度與機組速度的乘積(值變化對帶鋼加熱溫度的影響。關鍵詞:輻射管爐;數(shù)學模型;連續(xù)退火中圖分類號:TP311文獻標識碼:B文章編號:10080716(200804

2、003405A Mathematical Model for Heat Transfer in a Ihdiant Tube Furnaceon the Continuous Annealing LineWang Jiangan91,Ye Guochen92,Liu Huafeil,Xiang Shunhual,Hu Guangkui2(1.Baosteel Research Institute;2.Baosteeel Branch,Shanghai201900,ChinaAbstract:A mathematical model was developed for heat transfer

3、 in a radiant tube furnace on the continuous an-nealing line.The analytical solution to the model was deduced and imagesin the dimensionless form were presented.Theequivalent gray plane was introduced to simplify the calculation of the radiative heat exchangebetween the radiant tubes and steel strip

4、.The effects of the geometrical arrangement of radiant tubes on the radiation configuration f如tors and the line length were discussed.The calculation shows that with the increase of the ratio of tube pitch to diameter, the radiation configuration factor decreases and the line length increases.In add

5、ition,the effect of the TV value(the product of the strip thickness and the line speed1on the strips heating temperature Was analyzed with the field data.Key words:radiant tube furnace;mathematical model;continuous annealing0前言在帶鋼連續(xù)退火或熱鍍鋅(錫生產(chǎn)線上,通常采用輻射管爐加熱帶鋼。由于燃燒產(chǎn)物不直接與帶鋼接觸,有效地避免了表面的氧化和脫碳,同時為在保護氣氛下進行熱

6、處理創(chuàng)造了條件,因此輻射管加熱成為連退鍍鋅線上最重要的加熱方式【1。4。帶鋼在輻射管爐內(nèi)的傳熱過程具有如下特征:帶鋼的加熱主要依靠輻射傳熱,僅有少量的熱量依靠自然對流進行傳遞;帶鋼在保護性氣氛中完成加熱,爐內(nèi)介質(zhì)通常是雙原子氣體,介質(zhì)不參與輻射換熱或影響較小。由于輻射管加熱在連續(xù)退火線上的重要性,國內(nèi)外對輻射管爐內(nèi)的傳熱過程展開廣泛的研究。N Yoshitanid等"1建立了帶鋼連續(xù)退火爐的王建剛高級工程師1958年生1982年畢業(yè)于東北電力學院現(xiàn)從事鋼鐵冶金專業(yè)電話26649141E-mail wangjgbaosteel.corn 在線控制模型,引入了系統(tǒng)黑度c,并根據(jù)實際生產(chǎn)數(shù)

7、據(jù)和經(jīng)驗取值為0.17,但沒有討論系統(tǒng)黑度的計算方法和影響因素。朱梅等拍1認為機組的w值與帶鋼進口溫度咒、出口溫度L、輻射源溫度瓦、綜合輻射系數(shù)c。和輻射加熱段長度存在如下關系式:=考即;H黔咖(1并討論了產(chǎn)量與爐子加熱能力的關系,但是文中并未給出函數(shù)咖和C。的表達形式。韓小良【刊推導了輻射管、帶鋼和爐墻之間的角系數(shù)計算公式,并利用數(shù)值積分方法進行了計算。B.x.“等【8】建立了燃氣輻射管爐的輻射傳熱模型,采用Monte Carlo法計算角系數(shù),分析輻射管長徑比和單色反射率對爐子效率和加熱均勻性的影響。韓小良、鮑戟舊。建立了帶鋼連續(xù)退火爐加熱室的傳熱模型,并采用數(shù)值方法求解模型。以上研究工作主

8、要從在線控制和離線仿真的王建剛等連續(xù)退火線輻射管爐內(nèi)傳熱過程模型35角度出發(fā),建立帶鋼輻射管爐內(nèi)的傳熱模型。通?？刂颇Ｐ筒]有完全反映輻射管布置等參數(shù)的影響,而離線模型的計算方法過于復雜。本文對連續(xù)退火輻射管加熱段的輻射傳熱過程進行分析,建立數(shù)學模型。模型力求形式簡單,容易求解,能反映該過程的物理本質(zhì),滿足爐子工程設計和機組產(chǎn)能分析的需要。1帶鋼連續(xù)退火過程輻射傳熱的數(shù)學描述如圖1所示,厚度為b的帶鋼以速度u。通過長度為J已輻射管加熱段,如果輻射源的溫度為咒,帶鋼入口溫度咒;,則經(jīng)過爐子加熱后出口溫度為氣。B。Ib t瓦。o f o圖1輻射管爐內(nèi)傳熱的數(shù)學物理模型Fig.1A mathemat

9、ical physics model for heat transferin the radiant tUbe furnace為了便于研究問題,并突出輻射傳熱過程的物理本質(zhì),引入如下假設:帶鋼在輻射管爐內(nèi)的傳熱過程處于穩(wěn)定狀態(tài);爐內(nèi)介質(zhì)為輻射透明介質(zhì),由于氣體流動速度小,可忽略對流換熱;忽略沿帶鋼運動方向的導熱與帶鋼寬度方向的溫度不均勻性;在研究溫度范圍內(nèi),帶鋼的物性參數(shù)視為常數(shù);由于帶鋼厚度相對寬度小得多,忽略帶鋼窄邊的換熱;輻射源溫度在研究區(qū)域內(nèi)取平均值;帶鋼和輻射源視為灰體;由于帶鋼運行速度高,不考慮帶鋼在上下輥室的傳熱;忽略爐子端部和爐子側墻對帶鋼傳熱的影響。由以上假設,可以列出帶鋼輻

10、射換熱過程的能量方程:剛。cp魯=半(r4,一T:(2式中,P。為帶鋼密度,ks/m3;C。為帶鋼平均比熱容,J/(kgK;t為帶鋼溫度,K;C為帶鋼與輻射源組成的輻射換熱系統(tǒng)的系統(tǒng)黑度;礦為黑體輻射常數(shù),且盯=5.67e一,W/(m2K4。對方程(2積分可變形為:【劃糍l專n鋮i=禧CtrT3引入斯坦爾克(Ctapka準數(shù)Sk=Co'T:6/A。和傅里葉準數(shù)Fo=a,r/b2。斯坦爾克(Ctapka準Sk-萬表示固體內(nèi)部導熱熱阻與外部輻射換熱內(nèi)阻的比值,|s。越小,意味著內(nèi)部熱阻越小或外部熱阻越大。式中A。為帶鋼的導熱系數(shù),W/q:m-K;口。為帶鋼的導溫系數(shù),m2/s;r為時間,s

11、,且r=k/u。,幾為加熱區(qū)域數(shù);引入無量綱帶鋼溫度0=t/咒,無量綱輻射源溫度0,=L/ti,無量綱帶鋼出口溫度0。=L/疋i。定義函數(shù)A o_【劃描l+_a1rctan毒】(4方程(3變形為八0=八1+Sk醒乃(5在連退工藝中,u,b通常定義為值,即帶鋼厚度和機組速度的乘積,式(5可寫成TV.抓¨堋:警(6P。ops或者:里型叢業(yè)掣(7協(xié),:2系統(tǒng)黑度的計算帶鋼輻射管爐內(nèi)加熱時,帶鋼、輻射管、爐墻構成輻射換熱系統(tǒng)。系統(tǒng)黑度c的計算分兩種情況,如圖2所示,圖中t,s,W分別表示輻射管、帶鋼和爐墻。在爐子入口和出口,帶鋼除受到輻射管的輻射外,還接收爐墻反射的輻射管的輻射,在爐子中部,

12、帶鋼兩側都受到輻射管的輻射。!;i!:tI;tp2s pl(a爐子入t:l/出口;p2:t;-i(b爐子中部圖2輻射管爐內(nèi)輻射換熱系統(tǒng)Fig.2Heat transfer system for the radiation between radiant tubes,steel strip and the chamber wall為簡化輻射換熱,將爐墻視為輻射絕熱面,即爐墻的有效輻射等于投射輻射。在連續(xù)式爐內(nèi),可以認為爐內(nèi)介質(zhì)對爐墻內(nèi)表面的對流換熱全部36寶鋼技術2008年第4期向環(huán)境散失掉。由輻射換熱公式:=占iEK+(1一占,乏.妒硅(8式中,表示有效輻射,瓦表示自身黑體輻射,妒詵為i對k的

13、角系數(shù)。由此.,t=占。Ebt+(1一F。(.,t妒。+.,妒。(9J。=占。Eb。+(1一占。(.,。妒。+L妒。(10對輻射絕熱面占,=0,妒。=0,由式(9和(10可得:Jt-FF芳甕瓦而1一(1一占。(妒。+妒。妒。、117L=妒。(12定義一個黑度為占撲溫度等于輻射管溫度的等效連續(xù)灰面P,代替包括爐墻反射的輻射管的輻射:占plE。=p pl+-,。妒p(13鈿=可毒薏憊麗占t(14 s,5二可j萬菘了麗占t【l刨當輻射管直徑為D,間距x,輻射管的間距直徑比為a=X/D。妒。=(arcsin(1/a+/口21一a/,tr(15妒。=9伽=0.5(1一妒。(16妒wt=妒Dt=妒口(17

14、妒pW=妒砷=1一妒。(18對于爐子中部占p2E。=妒pt(19占p2=F_毛(20占p25丁_=-ii_蕊占t Lzu,由此,在爐子入口和出口處C=C。+G,在爐子中部C=2C2。c-=瓦拓c2=瓦南(21(223模型求解和結果分析圖3為加熱過程的八0函數(shù)圖像,加熱過程中0。>p1,由圖可知在加熱過程中f(0在0= 0,趨向無窮大。由式(5,(6可知p與啡和.s-啡而=丟器.=孟,穢C g L關,通過Riddr算法或Excel中的單變量求解可得方程的根,得到0與0。和Sk以%的關系如圖4?？趫D3以0的函數(shù)圖形Fig.3Profile of the function,(0圖4方程(5的無

15、量綱解Fig.4Dimensionless solution to Equation5連續(xù)退火線輻射管加熱段的設計問題可歸結為:為滿足產(chǎn)品大綱要求,爐子長度、供熱量及燒嘴布置該如何確定。當機組按給定值運行,帶鋼入口溫度ti,出口溫度L,計算輻射加熱段長度L,由式(7可知,與系統(tǒng)黑度C成反比。對于TV=0.9mm xS0m/min=72mmm/rain 的退火線,入口溫度30,出口溫度800,采用輻射管爐加熱,輻射管溫度900,占。=0.3,占。= 0.8,計算得到的系統(tǒng)黑度C和L分別如圖5和6所示?？梢奱增大,即輻射管間距增大,爐長增加,顯然口值過大,會造成機組長度增加。在實際432l一口。

16、王建剛等連續(xù)退火線輻射管爐內(nèi)傳熱過程模型37使用中a通常為2左右,如果輻射管爐通道高度為20m,則需要7個通道。圖5系統(tǒng)黑度C與口的關系Fig.5Relationship between the radiation configuration factor C and the ratio of tube pitchtodiameter a圖6機組長度與a的關系Fig.6Relationshipbetween the line lengthand the ratio of tube pitch-to-diameter a在生產(chǎn)運行中,對于長度為的爐子,由式(7可知,抓口。一只1為定值,表明機組按

17、照恒定的值運行,可保證帶鋼由入口溫度t;經(jīng)過爐長后出口溫度為L。對于爐子設計,若要適應更高的吖值,可采用增加L和增加c的措施。對于長度為L的爐子,如果帶鋼厚度不變,提高機組速度“?；蛘邘т摵穸仍黾?機組速度不變,均會導致值提高。帶鋼出口溫度可由公式(4計算,圖7表示W(wǎng)值從72mlnm/min變化到85mmm/rain后,帶鋼出口溫度的變化趨勢。圖7帶鋼出口溫度隨即值變化Fig.7Variationof strip temperature at theexit withvalue如果將方程(6應用于在線或離線的連續(xù)爐帶鋼溫度場的計算,為保證計算精度,需要采用區(qū)域法。將爐子分成詫個區(qū)域,每個區(qū)域內(nèi)

18、系統(tǒng)黑度和輻射源的溫度根據(jù)該區(qū)域的輻射換熱系統(tǒng)組成和輻射管平均溫度計算。計算步驟為先由方程(6計算區(qū)域1的帶鋼的出口溫度,將它作為區(qū)域2的入口溫度,順序計算直到求出區(qū)域rt的出口溫度。對于輻射管退火爐,可將1/2高度的通道作為一個計算區(qū)域(如圖8。圖8連續(xù)輻射管爐區(qū)域法示意圖Fig.8Schematic diagram of the zone method forthe continuous radiant tube furnace以某冷軋廠連退機組輻射管加熱段的生產(chǎn)數(shù)據(jù)為計算條件:機組速度249m/rain,帶鋼厚度0.605mm,入口溫度100。C,計算的帶鋼溫度趨勢 如圖9所示。 38寶

19、鋼技術2008年第4期圖9帶鋼溫度的變化趨勢Fig.9Trend of the strip temperature4結論(1根據(jù)傳熱理論,建立了帶鋼連續(xù)退火過程傳熱的數(shù)學模型,并推導了模型的理論解;(2采用等效連續(xù)灰面法簡化輻射管爐內(nèi)的輻射換熱,得到了系統(tǒng)黑度的計算方法;(3采用實際輻射管爐的生產(chǎn)數(shù)據(jù),分析了值變化對帶鋼出爐溫度影響;(4建立的傳熱數(shù)學模型,形式簡單,容易求妒痧彩、廬驢移勺令專利信息§眵、驢驢驢驢妒。t甜一種輥形設計方法和抑制高次浪形的軋輥專利號:ZL200410054097.0專利權人:寶山鋼鐵股份有限公司發(fā)明人:李山青許健勇馮蓮芹吳平陳軍厲以滬葉學衛(wèi)姜正連王康健朱

20、簡如本發(fā)明提供一種輥形設計方法,其設計的軋輥可獨立、連續(xù)地調(diào)節(jié)高次浪形。本發(fā)明的輥形解,能用于爐子工程設計和機組產(chǎn)能分析。參考文獻1吳光治.帶鋼連續(xù)熱鍍鋅與退火爐的技術進步J.工業(yè)爐,2006,28(2:1921.2邵其濱.1420冷軋連續(xù)退火爐剖析J.寶鋼技術,1999,(3:2226.3何建鋒.冷軋板連續(xù)退火技術及其應用J.上海金屬,2004,26(4:5053:4張仲良,蔡長生.馬鋼2號連續(xù)帶鋼熱鍍鋅生產(chǎn)線工藝設備特點J.江西冶金,2004,26(4:5053.5Yoshitani N,Hasegawa A.ModelBased control of strip ternperaturefor the heating fumace in cont