CN110348174A - 一种加热炉的钢坯温度计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种加热炉的钢坯温度计算方法，属于加热炉优化控制技术领域。该方法通过辐射交换面积计算钢坯表面热流，包括以下步骤：S1：将加热炉沿炉长方向分为若干个模型段；S2：首先计算各段炉墙、钢坯、炉气之间的辐射交换面积，再通过辐射交换面积计算导来辐射系数，进而获得钢坯表面热流；S3：采用差分的方法计算钢坯截面温度分布。本发明采用辐射交换面积的方法计算钢坯表面热流，把黑体材料的影响引入到了辐射热流计算中，更适用于有黑体材料的加热炉的模型计算。

Description

一种加热炉的钢坯温度计算方法

技术领域

本发明属于加热炉优化控制技术领域，涉及一种加热炉的钢坯温度计算方法。

背景技术

加热炉是轧钢生产的重要设备，其加热钢坯的质量直接制约着成品质量；同时，加热炉也是轧钢生产的主要耗能设备，其能耗约占整个轧钢工序的70％。为了能降低加热炉能耗，人们研究开发了很多节能材料和节能技术。在加热炉上采用黑体材料，就是一种有效可行的降低加热炉能耗的措施，近年来应用越来越多。

在加热炉炉墙上安装黑体原件，可以扩大炉膛面积，提高炉墙黑度，从而提高加热效率，达到节能降耗的目的。

在传统的加热炉模型中，钢坯表面热流的计算大都采用导来辐射系数法，在导来辐射系数的计算中，并没有涉及到炉墙黑度这一参数，也就是对于普通加热炉和黑体加热炉，传统加热炉模型中对导来辐射系数的计算是相同的，因此，有必要针对黑体加热炉，把炉墙黑度引入到模型计算中，从而体现黑体材料对钢坯温度的影响。

目前，国内就黑体材料提出了一些专利申请。专利CN201310220035.1提出一种黑体材料制备成分及由黑体材料制成的节能辐射杯；专利201811011279.8介绍了一种黑体辐射节能涂料及其制备方法；专利201720574059.0发明了一种高温辐射黑体元件，重点介绍了黑体原件的结构。在加热炉模型专利方面，大都是适用于普通加热炉的计算方法，尚无针对黑体加热炉模型方面的专利。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种加热炉的钢坯温度计算方法，该方法利用辐射交换面积计算导来辐射系数，进而计算钢坯表面热流，最后采用一维差分获得钢坯截面温度分布。该方法把炉墙黑度引入到了炉膛辐射换热计算中，不但适用于普通加热炉，更适用于采用黑体材料的节能加热炉。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种加热炉的钢坯温度计算方法，该方法包括以下步骤：

S1：根据加热炉尺寸和沿炉长方向，将加热炉分为若干个模型段；

S2：在每个模型段内，计算钢坯、炉墙和炉气的辐射直接交换面积；根据直接交换面积计算钢坯、炉墙和炉气三者之间的辐射全交换面积，再进一步求得导来辐射系数，计算钢坯表面热流；

S3：求解一维差分方程，计算钢坯内部温度，获得钢坯厚度方向上的温度分布。

进一步，所述步骤S2具体为：

S21：在每个模型段内，根据段内钢坯、炉墙、炉气的尺寸和位置关系，计算钢坯、炉墙、炉气三者之间的辐射直接交换面积：

式中，为炉气对钢坯的辐射直接交换面积，单位为m²；为炉气对炉墙的辐射直接交换面积，单位为m²；为炉墙对钢坯的辐射直接交换面积，单位为m²；为炉墙对炉墙的辐射直接交换面积，单位为m²；F_s为模型段内钢坯的表面积，单位为m²；ε_g为炉气黑度；为炉墙对钢坯的角系数；

S22：根据辐射直接交换面积计算钢坯、炉墙、炉气之间的全交换面积：

式中，为炉气对炉墙的辐射全交换面积单位为，m²；为炉气对钢坯的辐射全交换面积，单位为m²；为炉墙对钢坯的辐射全交换面积，单位为m²；F_s为模型段内钢坯的表面积，单位为m²；F_w为模型段内炉墙的表面积，单位为m²；ε_g为炉气黑度；ε_w为炉墙黑度；ε_s为钢坯黑度；ρ_w为炉墙的反射率；ρ_s为钢坯的反射率；

S23：根据辐射全交换面积计算导来辐射系数：

ε_gws＝ε_gs+ε_g-w-s

式中，ε_gws为导来辐射系数；

S24：根据导来辐射系数计算钢坯表面热流：

式中，Q_gws为钢坯表面热流，单位为W；σ为斯蒂芬－波尔兹曼常数，为5.67×10^-8W/(m²K⁴)；T_g为炉气温度，单位为K；T_s为钢坯表面温度，单位为K。

进一步，所述步骤S3具体为：

划分网格，求解钢坯一维厚度方向的差分方程,钢坯一维隐式差分方程为：

式中，q_u为钢坯上表面热流密度，单位为W/m²；q_b为钢坯下表面热流密度，单位为W/m²；Fo为傅立叶数；λ为钢坯导热系数，单位为W/(mk)；△τ为时间步长，单位为s；△y为空间步长，单位为m；

式中，c为钢坯比热，单位为J/(kg.K)。

本发明的有益效果在于：本发明提出了一种加热炉的钢坯温度计算方法，把炉墙黑度引入到了炉膛辐射换热中，有利于分析采用黑体材料后，加热炉节能降耗的效果，不仅适用于普通加热炉，更适用于采用黑体材料的节能加热炉。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本实例中选取的加热炉有效长度为25.5m，炉膛内宽10.7m，共设置预热段、加热段、均热段三个段，在两侧炉墙和炉顶安装了黑体原件。

如图1所示，本发明的方法包括以下步骤：

S1：根据加热炉尺寸，沿炉长方向，将加热炉分为25个模型段，前24段每1m一段，最后一段1.5m。

S2：在每个模型段内，利用钢坯、炉墙、炉气之间的辐射交换面积计算钢坯表面热流，具体分为以下步骤：

S21：在每个模型段内，根据段内炉墙、钢坯、炉气的尺寸和位置关系，计算三者之间的辐射直接交换面积。

式中，为炉气对钢坯的辐射直接交换面积，m²；为炉气对炉墙的辐射直接交换面积，m²；为炉墙对钢坯的辐射直接交换面积，m²；为炉墙对炉墙的辐射直接交换面积，m²；F_s为模型段内钢坯的表面积，m²；ε_g为炉气黑度；为炉墙对钢坯的角系数。

S22：根据辐射直接交换面积计算炉墙、钢坯、炉气之间的全交换面积。

式中，为炉气对炉墙的辐射全交换面积，m²；为炉气对钢坯的辐射全交换面积，m²；为炉墙对钢坯的辐射全交换面积，m²；F_s为模型段内钢坯的表面积，m²；F_w为模型段内炉墙的表面积，m²；ε_g为炉气黑度；ε_w为炉墙黑度；ε_s为钢坯黑度；ρ_w为炉墙的反射率；ρ_s为钢坯的反射率。

S23：根据辐射全交换面积计算导来辐射系数。

ε_gws＝ε_gs+ε_g-w-s

式中，ε_gws为导来辐射系数。

钢坯信息如下表所示。

表1钢坯信息表

钢种	钢种	钢坯厚度/mm	钢坯长度/mm	钢坯宽度/mm	目标温度/℃
						Q345	Q345	220	10000	1200	1250

根据以上步骤，计算得到增加黑体原件前后导来辐射系数分别为0.5023和0.5917，说明黑体材料增加了炉墙对钢坯的辐射传热。

表2计算结果

参数	普通加热炉	黑体加热炉
			ε<sub>gws</sub>	0.5023	0.5917

S24：根据导来辐射系数计算钢坯表面热流。

式中，Q_gws为钢坯表面热流，W；σ为斯蒂芬－波尔兹曼常数，5.67×10^-8W/(m²K⁴)；T_g为炉气温度，K；T_s为钢坯表面温度，K。

S3：求解一维差分方程，计算钢坯内部温度，获得钢坯厚度方向上的温度分布，钢坯一维隐式差分方程为：

式中，q_u为钢坯上表面热流密度，W/m²；q_b为钢坯下表面热流密度，W/m²；Fo为傅立叶数；λ为钢坯导热系数，W/(mk)；△τ为时间步长，s；△y为空间步长，m。

式中，c为钢坯比热，J/(kg.K)。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种加热炉的钢坯温度计算方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：根据加热炉尺寸和沿炉长方向，将加热炉分为若干个模型段；

S2：在每个模型段内，计算钢坯、炉墙和炉气的辐射直接交换面积；根据直接交换面积计算钢坯、炉墙和炉气三者之间的辐射全交换面积，再进一步求得导来辐射系数，计算钢坯表面热流；

S3：求解一维差分方程，计算钢坯内部温度，获得钢坯厚度方向上的温度分布。

2.根据权利要求1所述的一种加热炉的钢坯温度计算方法，其特征在于：所述步骤S2具体为：

S21：在每个模型段内，根据段内钢坯、炉墙、炉气的尺寸和位置关系，计算钢坯、炉墙、炉气三者之间的辐射直接交换面积：

式中，为炉气对钢坯的辐射直接交换面积，单位为m²；为炉气对炉墙的辐射直接交换面积，单位为m²；为炉墙对钢坯的辐射直接交换面积，单位为m²；为炉墙对炉墙的辐射直接交换面积，单位为m²；F_s为模型段内钢坯的表面积，单位为m²；ε_g为炉气黑度；为炉墙对钢坯的角系数；

S22：根据辐射直接交换面积计算钢坯、炉墙、炉气之间的全交换面积：

式中，为炉气对炉墙的辐射全交换面积单位为，m²；为炉气对钢坯的辐射全交换面积，单位为m²；为炉墙对钢坯的辐射全交换面积，单位为m²；F_s为模型段内钢坯的表面积，单位为m²；F_w为模型段内炉墙的表面积，单位为m²；ε_g为炉气黑度；ε_w为炉墙黑度；ε_s为钢坯黑度；ρ_w为炉墙的反射率；ρ_s为钢坯的反射率；

S23：根据辐射全交换面积计算导来辐射系数：

ε_gws＝ε_gs+ε_g-w-s

式中，ε_gws为导来辐射系数；

S24：根据导来辐射系数计算钢坯表面热流：

式中，Q_gws为钢坯表面热流，单位为W；σ为斯蒂芬－波尔兹曼常数，为5.67×10^-8W/(m²K⁴)；T_g为炉气温度，单位为K；T_s为钢坯表面温度，单位为K。

3.根据权利要求1所述的一种加热炉的钢坯温度计算方法，其特征在于：所述步骤S3具体为：

划分网格，求解钢坯一维厚度方向的差分方程,钢坯一维隐式差分方程为：

式中，q_u为钢坯上表面热流密度，单位为W/m²；q_b为钢坯下表面热流密度，单位为W/m²；Fo为傅立叶数；λ为钢坯导热系数，单位为W/(mk)；△τ为时间步长，单位为s；△y为空间步长，单位为m；

式中，c为钢坯比热，单位为J/(kg.K)。