带钢连续退火炉加热室传热计算方法.pdf_大学文库

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1993.01.007 第15卷第4期北京科技大学学报 Vol.15 No.4 1993年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.1993 带钢连续退火炉加热室传热计算方法韩小良*鲍戟摘要：对带钢连续退火组(CAPL)退火炉加热室传热进行了分析，提出了一种简化辐射管辐射的方法，并利用该法建立了带钢加热数学模型。用此模型，对某」的CAPL加热室仿真计算结果与现场实测数据吻合较好关键词：连续退火、退火炉，辐射传热 A Calculated Method of Heat Transfer in the Chamber of CAPL Han Xiaoliang Bao Ji' ABSTRACT:The heat transfer in the heating chamber of the continuous Annealing and Processing Line(CAPL)is analysed and a simple method for calculating the radiation of radiant tubes is proposed.Based on the method the mathematical model of strip heatingis established for the hesting chamber of CAPL in a plant.The results calculated are com- pared with those measured in the plant and show that the model is simple and practical. KEY WORDS:continuous annealing,annealing furnace,heat transfer by radiation 目前CAPL机组的数学模型有很多，但都过于复杂，尤其是加热室传热数学计算更为复杂。因此，本文对宝钢冷轧厂CAPL加热室建立传热数学模型，目的就是为现场堤供了一种简单的了解带钢加热过程的方法，并为消化引进的控制模型、建立适应于国内情况的加热控制数学模型提供参考。 1CAPL加热室传热数学模型的建立带钢在CAPL加热室内的加热是在保护性气氛(N,、H)下利用辐射管间接加热。图1为CAPL加热室结构示意图。图中辐射管和带钢相间排列，带钢在炉内上下垂直运行。为了得到计算简便而又实用的模型，首先做了以下简化： (1)仅考虑辐射换热，介质为辐射透明介质，且对流换热忽略不计； (2)温度在带钢的宽度和厚度上均匀，在长度上发生变化： (3) 辐射管温度在长度上及周向上均匀（或取平均值）； (4)带钢及辐射管均为灰体，炉墙为辐射绝热面； *1992-08-28收稿第一作者：男.30岁讲师.硕士 *热能系(Department of Thermal Energy Engineering)

第 15 卷第 4 期 1 9 9 3 年 8 月北京科技大学学报 J o u r n a l o f U n i v e r s i t y o f S e i e n c e a n d T e e h n o l o g y B e ij i n g V o l . 15 N o . 4 A” g , 1 9 3 带钢连续退火炉加热室传热计算方法韩小良 ’ 鲍戟 ` 摘要 : 对带钢连续退火组(C A P )L 退火炉加热室传热进行了分析 , 提出了一种简化辐射管辐射的方法 , 并利用该法建立了带钢加热数学模型用此模型 , 对某厂的 C A P L 加热室仿真计算结果与现场实测数据吻合较好关键词: 连续退火 , 退火炉 , 辐射传热。 A C a l c u l a t e d M e t h o d o f H e a t T r a n s fe r i n t h e C h a m b e r o f C A P L H a n 万i a o lia 塔 ` B a o J i * A B S T R A C T : T h e h e a t t r a n s fe r i n t h e h e a t i n g c h a m b e r o f t h e c o n t i n u o u s A n n e a li n g a n d P r o e e s s i n g L i n e ( C A P L ) 1 5 a n a l y s e d a n d a s im P l e m e t h o d of r e a l c u l a t i n g t h e r a d i a t i o n o f r a d i a n t t u b e s 1 5 P r o P o s e d . B a s e d o n t h e m e t h o d t h e m a t h e m a t i c a l m o d e l o f s t r iP h e a t i n g 1 5 e s t a b li s h e d of r t h e h e s t i n g e h a m b e r o f C A P L i n a P l a n t . T h e r e s u lt s c a l e u l a t e d a r e c o 皿 - P a r e d w it h t h o s e m e a s u r e d i n t h e P l a n t a n d s h o w t h a t t h e m o d e l 1 5 s im Pl e a n d P r a e t i e a l . K E Y W O R D S : e o n t i n u o u s a n n e a li n g , a n n e a li n g fu r n a e e , h e a t t r a n s fe r b y r a d i a t i o n 目前 C A P L 机组的数学模型有很多 , 但都过于复杂 , 尤其是加热室传热数学计算更为复杂。因此 , 本文对宝钢冷轧厂 C A P L 加热室建立传热数学模型。目的就是为现场提供了一种简单的了解带钢加热过程的方法 , 并为消化引进的控制模型、建立适应于国内倩况的加热控制数学模型提供参考。 1 C A P L 加热室传热数学模型的建立带钢在 C A P L 加热室内的加热是在保护性气氛 ( N Z 、 H Z ) 下利用辐射管间接加热。图 1 为 C A P L 加热室结构示意图。图中辐射管和带钢相间排列 , 带钢在炉内上下垂直运行。为了得到计算简便而又实用的模型 , 首先做了以下简化 : ( l) 仅考虑辐射换热 , 介质为辐射透明介质 , 且对流换热忽略不计; ( 2) 温度在带钢的宽度和厚度上均匀 , 在长度上发生变化 ; ( 3) 辐射管温度在长度上及周向上均匀 ( 或取平均值 ) ; (4 ) 带钢及辐射管均为灰体 , 炉墙为辐射绝热面 ; * 19 92 一0 8一 2 8 收稿第一作者 : 男 , 30 岁 , 讲师 ·硕士 ` 热能系( D e P a r tm e n t o f T h e r m a l E n e r g y E n g i n e e r i n g ) DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1993. 04. 007

·354· 北京科技人学学报 1993年No.4 (5) 不考虑相邻两股带钢的辐射换热（实际上相邻两股带钢中间的·排高温辐射管起遮挡作用，且相邻两股带钢的温差约30℃)； (6)每股带钢在隔热挡板上部和下部的辊子区时温度保持恒定（由于带钢运行速度很高，达40m/s,故带钢在这些区域停留时间极短)。 1.1辐射管辐射换热的简化计算由于射管、炉墙和带钢之间存在者 Q子轧辊复杂的辐射换热，为了简化计算，利用一 0 oo 绝缘板 a 辐射管辐射管温度下的有效灰体辐射面来代替辐带钢射管和炉墙向外的综合辐射，这种方法称 oo 炉墙为假想向法。其优点是人人简化了角系数进可d 出口的计算次数和工作量。本文在假想面法的基础上，引入的有效灰平面方法，就是将图】CAPL加热室结构示意图辐射管和炉墙向外圆辐射之和等效为此有 Fig.I The sketch of the heating Chamber of the CAPL 效灰平面的辐射，这样大人简化了辐射管炉内辐射换热的计算。经理论分析及计算表明，在较人的封闭体系内（如CAPL加热室内带钢与辐射管距离较近，可忽略边缘的辐射，因而边缘向外辐射较小)、这种简化带来的误差是较小的，图2为辐射管辐射的简化图。t表示辐射管，W。、W,为墙（其中W:为辐图2辐射管辐射简化图射管区的炉墙)，P为假想的有效灰体半 W-炉墙；S-带钢；【一辐射管P假想灰体平面、S为带钢。 Fig.2 Simplification of radiation of radiant tube 对于图2所小的情形、建立辐射方程有： J,=c,E,+P,Jp,-+Jp,-,+J。·p,-n) Jwi =Jut-+wPat woJaawi (I) J。=Jpw:+Jnpi Gn=Jp+wpw 式中J,i=【.wt.wo)为表面i的有效辐射p,,为表面i对j的角系数(i=t.wt.wo时 =w1.w0以、云，·P,和E,分别表小牺射管的黑度、反射率和黑体辐射G。为辐射管和墙向假想面P的投入细射（即细射管和为墙向外的综个辐射）、下标1、，、。分别表小示辎射管、辐射筲区炉墙、带钢区（炉子两个端处即头、炉尾）炉墙。式(1)可得： G。=,E, (2) 式中

· 3 54 · 北京科技人学学报 19 9 3 年 N o . 4 ( 5) 不考虑相邻两股带钢的辐射换热 ( 实际上相邻两股带钢中间的排高温辐射管起遮挡作用 , 且相邻两股带钢的温差约 30 ℃ ) ; (6 ) 每股带钢在隔热挡板卜部和下部的辊于区时温度保持恒定 ( 由于带钢运行速度很高 , 达 4 0 m / s , 故带钢在这此区域停留时间极短 ) 。 1 辐射管辐射换热的简化计算由犷辐射管、炉墙和带钢之间存在着复杂的辐射换热 , 为了简化计算 , 利用 - 辐射管温度下的有效灰体辐射面来代替辐射管和炉墙向外的综介辐射 , 这种方法称为假想而法。其优点是大大简化了角系数的计算次数和工作量。本文在假想面法的基础卜 , 引入的有效灰平面方法 , 就是将辐射管和炉墙向外圆辐射之和等效为此有效灰平面的辐射 , 这样人大简化了辐射管炉内辐射换热的计算。经理论分析及计算表明 , 在较大的封闭体系内 ( 如 C A P L 加热室内带钢与辐射管距离较近 , 可忽略边缘的辐射 , 因而边缘向外辐射较小 ) , 这种简化带来的误差是较小的。图 2 为辐射管辐射的简化图。 t 表示辐射管 , W ,卜 W , 为炉墙 ( 工琴中 W t 为辐射管区的炉墙 ) , P 为假想的有效灰体平面 , S 为带钢。对 J 飞图 2a 所示的情形 , 建立辐射方程有 : 「J , = “ ` 石 , + 户 ` ( J `、 , 沪 , , 、 , + J `甲一 + J * 。 ’ 厂O 仁O L O 户} 仁L干口 { { O O O O O O O O O冲 O O O O O O OO OO OO OO OO O O 旧日 }日日轧辊绝缘板辐射管带钢炉墙出口图 1 C A P L 加热室结构示意图 F ig . 1 1飞犯 s 城ct h o f 阮阮a d n g n 姗吮 r o f 阮 C A P L 名名名乙` ` ` ` 乙` ` “ ` 牵二李图 2 辐射管辐射简化图 W 一炉墙; S 一带钢; 卜辐射管 P es 假想灰体平面 F ig . 2 S i m p lin e a t i o n o f r a di a 6 o n o f r a di a n t t u 悦 J * , 一 J . 甲、 : 一 + J * 、 ) 沪* , * 。、 J * . 价、卜一 , 「 : J * 。一 J , 价 , 、、 + J W l 价、、、、 G p 一 J t 叽一、 + J 、、印、 p 、 ` ) ( l ) 式件 , · I , ( i 一 t , W t · W o ) 为表泊}的有效辐射叩 ; , 为表位1 1 ` j z 的角系数咬i 一 t · W t , W o ` j 一 L w .t * , (), : , 、 l) , 和百、分另lJ表 ,cJ 辐射管的黑度、反射率和黑体辐射 , G 。为辐射竹和炉墙向假想 ! (l P 的投人辐射 ( 即辐射昔和炉墙向外的综合辐射) , 卜标 , 、、 , 、、、分别表示辐射管、辐射管区炉墙、带钢区 (炉 r 两个端处即炉头、炉尾 ) 炉墙。 1I f 式 ( l ) , I J ` 得 : G , , 一 `: l , E . ( 2 ) 式 L尸

V o l . N 1 5 o . 4 韩小良等 : 带钢连续退火炉加热室传热计算方法 3 5 5 一 ( a 3 b Z + 2 a b 3 ) · 。。 ( / Z 一 a a ; b , b : ) (3 ) 一 z 一。 , ( 甲 t 一 , + 价 , 一 w 。甲w 。一 , ) 一 p t ( 价 t 一、 , + 甲 , 一认。华* 。一 w , ) 2 一 1 一 (切认 t 一二: + 切W 。一 w L中、 , 一 w 。 ) 2 = p 、 t 一 t 十中w , 一、。印二 r。一 t ( 4 ) 一气一 , 十气一、 r。代。一、 ~ 甲] 一 , 职 p 一、。切 , 一 , p右口b a ￡ ! 1 1 1 丈 1 . 1 | es 对图 2b 所示的情形 , 仍可列出辐射方程并整理出同式 ( 2) 和式 ( 3) 的表达式 , 但在式 ( 3 ) 的 a l 、 a Z 、 a 3 、 b l 、 b Z 、 b 3 的表达式为 a l 一 l 一户 t 甲 , 一 t a Z = l 一 p w t 一、 t a 3 = 沪p 一 w 、 b l = p : 切 t 一、 , 、 b Z ~ 沪钱 , 一 t b 3 二沪 p 一 t (5 ) l | ; 了、 …L 由式 ( 2) 可以看出 , 辐射管和炉墙向外的辐射简化为一有效灰平面 P 的辐射 , 从而把加热室内复杂的辐射换热简化为有效灰平面与带钢之间的辐射换热。 L Z 加热室传热计算在上述简化的基础上 , 炉内传热可简化为 2 个有效灰体辐射面 P , 、 P Z 、侧炉墙 W 、带钢 S 之间的传热。考虑图 3 所示的任 1 股带钢的加热 , 将带钢沿长度方向分成几个微元窄条 , 每个窄条的温度均匀 , 则可以建立下面的能量平衡方程 : 、、了67 、 l `、 J = 忍 E ] S J l 一￡ , p 1 1 〕立 + 。 s ( J , , 切, 一 p 、 + J p Z价了一。 2 + J w 中, 一 * 分一 1 , 2,. · · … , n) E L , + 户 p , ( J p Z 沪p , 一 p Z + J w 沪 p , 一二靛(8)9 l(0) J , p 二一 “ p Z E t Z + 户p Z (J p , 沪p Z一 p , + J w 沪 p Z 一、 + 」弓 1 ( J 」沪 p l 一户 + 军】枷 p Z一 ) J w 一几 1价、一 1P 十人 2 甲w 一 2P + J W 价 w 一 w 式中 “ 、和 p 、为带钢的黑度和反射率 , + 」冬 1毛甲W 一 E 为 j 的黑体辐射。在式 ( 6) ~ ( 9) 中了在带钢长度方向上侧炉墙和辐射管的温度均匀。带钢微元窄条的表面热流可写为 q , 一子 (J 一 E )J 二 1 , 2, … , 二尸 S 1 . 3 带钢加热数学模型计算带钢加热采用薄材加热 , 则有

· 3 5 6 · 北京科技大学学报 j 9 9 3 年 N o . 4 , , d l t) 〔 . F 万一 = `理 “ , 了 = l , 乙 , 二 ’ n ` , , , d T , ` 声 . ’ ( 1 1 ) 式中月 , 和厂, 分别为窄条带钢微兀罕条 . 1 的表面积 ( 即两个表山{积之和 ) 和体积 , 、和 ` 分别为温度 l 下的密度和比热。将式 ( ! l) 用差分方程表小为: q L ’ 」 T + — 户 , 〔 . , 方 ( 1 2 ) 式中自 r , 为窄条的加热时间 , B 为带钢宽度 · / 月 l / / li - - 一下班三万一尸二玉万二工夕一一一一 — 一一一一一 — 一一一一「一 l _ _ _ I _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一` _ _ 图 3 带钢加热模型示意图 F ig . 3 T h e s k e t c h o f h e a t i n g o f s t r i P 4 关于角系数的计算在式川一式 (9) 中涉及川尺多角系数它们 ,』 J 一 i』过查图表或从有关公式计炸得到川 2 模型的计算及验证模型的计炸首光从计算角系数和有效辐射系数 “ : 开始 , 然后求解方程 ( 6) 、 (l 2) 辐射管温度和带钢进加热室温度作为已知条件山 l 几带钢在加热室内的温度为未知数 , 故 i 十算中采用 j’ 迭代法 , Ul 先设定每股带钢的升温曲线 , 利用此设定仇作为初位求解方程 ( 6) 、 ( 12) , 求出新的带钢温度。若新的温度仇与设定仇误差在允许范围内 , 则进行卜股带钢计势一 , 否则工新计劝一本股带钢在汁约完 l 股带钢后 , 此股带钢的出日温度 ( 即第川到从度 ) 作为卜股带钢的人日温度。表 l 带钢加热计算结果【a b l e 1 T h e r c s u lt s o f e a l e u l a t i o n o f h e a ti n g o f s t r i p 、序 ` 加热室 6 个l ` _ 辐射价 ’ 1 几均溉度 . C 带钢出 1 温度 ( 、 4 5 6 ! 2 飞一 4 L吴少 . 一 3 . 9 6 一 3 , 8 0 一 6 . 36 一 6 . 8 7 一 6 . 4 7 一 2 . 7 3 一 6 . 19 一 6 . 4 0 I 曰L7 夕 90-1 Un 、 09- , / l 乙Uō气z 2 6 1 . 1, 2哟z 幻八 z 4 气ú77气- 、一 06 ù 、 ù 4气ó乙曰n, , z / ō一,厂,了/ ō 了 r n UC`- ó飞 ó 4 心C 04 ` `U ù护 h! ù 、, 口 J 八9 气Q 曰只丫乃0n口门污 `口乃0-t ó é ,n 人口、 ó声 6 ù气I ó 04 é八八ó洲翅曰OC 9 刚 C )9 8 7 5 8 6 8 8 6 7 8 7 0 8 9 5 8 7 1 8 7 4 曰了q94 rz01 n,6 ù j69 勺了 6 7 J 竹 à门é曰é八甘口ùn ù41石LU06(j ónU、 4 了 h 八U` ūUJ 沙吕 OCU甘臼目八凸n é凸ù、了 0nUq,4 , 护曰UJ 曰讨- ,、 4 了 6`曰勺,了护 - 8 一, ,、 ` . ó乙曰, 口夕

Vol.15 No.4 韩小良等：带钢连续退火炉加热室传热计算方法 ·357· 图4为对宝钢冷轧∫CAPL加热室的计算结果。计算条件为：冷轧低碳带钢（用于CQ),宽1030mm,厚0.605mm,进加热室温度为100C,机组速度249m/min。 I000 28 该加热室分6个控制段，每个段的炉温可以单独控制。由于现场提供的是炉温数据，根 800 24 据现场经验和有关资料口，辐射管温度取 600P 的是估计值。 20 由图4可以看出，带钢升温曲线与实 =400 际数据较为符号、但带树表面热流则发生波动。这是由于每股带钢所处的位置不同（辐 5 200 射管温度亦不同)且每个微元窄条的位置不同的缘故。对第】股和最后1股带钢，其表 0 面热流有明显的增大，这是因为两者所受的 0 8 16 带钢号热流除了辐射管辐射和辐射管区炉墙的反射外，还有炉体炉墙的反射，而中间各股带钢图4模型的典型计算结果的表面热流波动不是太大。 Fig.4 The typical results calculated by the model 表1为对几种工况的仿真计算结果与实测数据的比较，可见，本模型的计算结果比实测值偏高，平均相对误差为5.35%。造成计算误差的最主要原因是辐射管温度的取值。准确的辐射管温度应直接测量得到，或通过燃烧传热计算得到，而后者则需要建立辐射管的燃烧传热模型，这将大大地增加计算难度和工作量。本文仅是一种简化计算，对辐射管壁温度仅是估计值。 3结论 CAPL加热室内的传热计算是非常复杂的。本文提出的有效灰平面的方法并用于带钢加热计算，结果表明此方法简便实用，为分析其他类型辐射管炉传热提供了一种有效途径。本文所得结果也可供现场参考，并为消化引进软件模型提供了条件。参考文献 1杨贤荣等.辐射换热角系数手册北京：国防工业出版社，1982 2日本工业炉协会编戎宗义等译.工业炉手册.北京：冶金工业出版社，1989

V o l . ] 5 N o . 4 韩小良等 : 带钢连续退火炉加热室传热计算方法 · 3 5 7 · N. 20 日图 4 为对宝钢冷轧厂 C A P L 加热室的计算结果。计算条件为: 冷轧低碳带钢 (用于 C Q ) , 宽 1 0 3 Om ll l , 厚 0 . 60 5 lT” 1 1 , 进加热室温度为 10 ℃ , 机组速度 2 49 m / 二 n 。该加热室分 6 个控制段 , 每个段的炉温可以单独控制。由于现场提供的是炉温数据 , 根据现场经验和有关资料【2] , 辐射管温度取的是估计值。由图 4 可以看出 , 带钢升温曲线与实际数据较为符号 , 但带网表面热流则发生波动。这是由于每股带钢所处的位置不同 ( 辐射管温度亦不同) 且每个微元窄条的位置不同的缘故。对第 1 股和最后 1 股带钢 , 其表面热流有明显的增大 , 这是因为两者所受的热流除了辐射管辐射和辐射管区炉墙的反射外 , 还有炉体炉墙的反射 , 而中间各股带钢的表面热流波动不是太大。侧 \ 卜尸仁尹产产戎 8 1从2 16 带钢号图 4 模型的典型计算结果 F ig · 4 T h e t y p i e a l r 巴 u l t s e a l c u l a t e d b , , ht e m o d e l 表 1 为对几种工况的仿真计算结果与实测数据的比较 , 可见 , 本模型的计算结果比实测值偏高 , 平均相对误差为 5 . 35 % 。造成计算误差的最主要原因是辐射管温度的取值。准确的辐射管温度应直接测量得到 , 或通过燃烧传热计算得到 , 而后者则需要建立辐射管的燃烧传热模型 , 这将大大地增加计算难度和工作量。本文仅是一种简化计算 , 对辐射管壁温度仅是估计值。 3 结论 C A P L 加热室内的传热计算是非常复杂的。本文提出的有效灰平面的方法并用于带钢加热计算 , 结果表明此方法简便实用 , 为分析其他类型辐射管炉传热提供了一种有效途径。本文所得结果也可供现场参考 , 并为消化引进软件模型提供了条件。参考文献 1 杨贤荣等 . 辐射换热角系数手册 . 北京 : 国防工业出版社 , 198 2 2 日本工业炉协会编 . 戎宗义等译 . 工业炉手册 . 北京 : 冶金工业出版社 , 19 89