大型光亮退火马弗炉加热段温度场模拟

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2013.05.012 第35卷第5期 北京科技大学学报 Vol.35 No.5 2013年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2013 大型光亮退火马弗炉加热段温度场模拟 杨竞，武传标)，孙朝阳)回，叶乃威)，娄奇袭2) 1)北京科技大学机械工程学院，北京100083 2)宁波宝新不锈钢有限公司，宁波315807 名通信作者，E-mail:suncy@ustb.edu.cm 摘要建立了大型光亮退火马弗炉加热段温度场的三维仿真模型，该模型考虑了马弗炉实际结构、带钢退火速度和升 温曲线特点，采用等效热流密度表征马弗管内保护气体和带钢的换热：选择组分传输燃烧模型、离散坐标辐射模型和标 准k-E双方程湍流模型描述马弗炉内燃烧、换热和气体流动；应用SIMPLE计算方法进行求解。典型规格304不锈钢 带光亮退火过程实测特征点温度值和模拟结果基本吻合.分析得到了马弗炉内温度场、流场和速度场分布规律.结果表 明：马弗管温度比较均匀，喷嘴正对区域温度偏高：燃气气流沿马弗管壁螺旋流动实现均匀加热，喷吹量较小时，喷吹 量（入口速度）越大，马弗炉内温度越高：喷吹量继续增大，马弗炉内温度反而开始降低. 关键词马弗炉，退火：温度分布：数值方法：计算机模拟 分类号TG155.1 Temperature simulation of the heating segment of large bright an- nealing mufHle furnaces YANG Jing),WU Chuan-biao1),SUN Chao-yang),YE Nai-wei2),LOU Qi-ri2) 1)School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China 2)Ningbo Baoxin Stainless Steel Co.Ltd.,Ningbo 315807,China Corresponding author,E-mail:suncy@ustb.edu.cn ABSTRACT A three-dimensional simulation model was built to investigate the temperature field of the heating segment of a bright annealing muffle furnace.Based on the actual structure of the muffle furnace as well as the annealing speed and heating curves of steel strips,the equivalent heat flux was proposed in this model to characterize heat exchanges between the protection gas and steel strips in the muffle furnace.Then the combustion model for the transport and reaction of gaseous components,the radiation heat transfer model and the k-E two-equation turbulence model for turbulent flow in the muffle furnace were adopted respectively.The SIMPLE method was used to solve the model. Simulation results by the model are consistent with the measured temperature values of characteristic points in an SUS304 stainless steel strip during the bright annealing process.The temperature,velocity and flow fields in the muffle furnace were obtained by this model.It is shown that the distribution of temperature on the muffle tube surface is relatively even,and only the zone of the burner has a higher temperature.The muffle tube is approximately uniformly heated since the combustion gases fow along the muffle tube spirally.With the injection quantity (inlet velocity) increasing,the temperature in the muffle furnace rises gradually:however,when the injection quantity is above a limit the temperature in the muffle furnace begins to drop. KEY WORDS muffle furnace:annealing;temperature distribution;numerical methods;computer simulation 光亮退火工艺是在高温条件下使不锈钢带实 的关键工序.大型光亮马弗炉作为光亮退火生 现固溶退火改善组织性能和还原气氛(H2)作用下 产线的关键技术设备近年来得到一定的推广应用， 达到表面光亮的工艺，是生产高等级光亮不锈钢带 该马弗炉主要由入口密封箱、加热段、冷却段和返 收稿日期：2012-01-18 基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20100006120013)

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 大型光亮退火马弗炉加热段温度场模拟 杨 竞 `, 武传标 `, 孙朝 阳`困, 叶乃威 , 姿奇袭 北京科技大学机械工程学院, 北京 宁波宝新不锈钢有限公司, 宁波 困 通信作者, 一,二 无 ￡`, 摘 要 建立了大型光亮退火马弗炉加热段温度场的三维仿真模型 该模型考虑了马弗炉实际结构 、带钢退火速度和升 温曲线特点, 采用等效热流密度表征马弗管 内保护气体和带钢的换热 选择组分传输燃烧模型 、离散坐标辐射模型和标 准 裕` 双方程湍流模型描述马弗炉内燃烧 、 换热和气体流动 应用 计算方法进行求解 典型规格 不锈钢 带光亮退火过程实测特征点温度值和模拟结果基本吻合 分析得到了马弗炉内温度场 、 流场和速度场分布规律 结果表 明 马弗管温度比较均匀, 喷嘴正对区域温度偏高 燃气气流沿马弗管壁螺旋流动实现均匀加热 喷吹量较小时, 喷吹 量 入口速度 越大, 马弗炉内温度越高 喷吹量继续增大 , 马弗炉内温度反而开始降低 关键词 马弗炉 退火 温度分布 数值方法 计算机模拟 分类号 以 万 五 。' , 既 。 一乙乞。' , 洲 盘 。一、 二。`网, ” 肠 一 “ , 五 、一 “ , , , , , 困 , 一 一 一 , 一 一 , 一日 一 、 , , , , 。 , , 一刀 一 一 光亮退火工艺是在高温条件下使不锈钢带实 现 固溶退火改善组织性能和还原气氛 作用下 达到表面光亮 的工 艺, 是生产高等级光亮不锈钢带 的关键工序 川 大型光亮 马弗炉作为光亮退火生 产线的关键技术设备近年来得到一定的推广应用 , 该马弗炉主要 由入 口密封箱 、加热段 、冷却段和返 收稿 日期 一 一 基金项 目 高等学校博士学科点专项科研基金资助项 目 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2013.05.012

第35卷 ,668 北京科技大学学报 回通道等组成（图1所示）.马弗炉加热段的马弗 为了获得马弗管上温度的分布和加热段内流 管内充满保护还原气氛(H2),外部采用40个非对 场和速度场的分布，需要考虑实际光亮退火马弗炉 称分布的燃气喷嘴喷射火焰加热马弗管，通过马弗 结构和加热特点进行建模 管辐射加热带钢，以保证带钢光亮退火质量.马弗 本文主要研究马弗管上温度分布和加热段内 管轴向尺寸较大，非对称分布的喷嘴导致燃料不均 流场和速度场分布，马弗管内保护气体和运动的带 匀燃烧和不均匀的气体流动，使得马弗管沿截面和 钢与马弗管之间的热量交换可以采用马弗管向外散 长度方向的温度不均匀，会严重影响带钢的退火质 热的热流密度表征，以等效带钢和保护气氛与马弗 量.同时，马弗管在长期、高温和燃气环境情况下 管的热量交换.由于马弗炉外喷嘴非对称布置，并 使用，温度不均会使其产生一些缺陷，如缩颈、壁 且喷嘴喷吹燃烧气体沿马弗管周向运动，故采用三 厚减薄、截面变形和鼓包②，严重影响马弗管的使 维建模，模型结构如图2所示 用寿命.因此，考虑马弗炉实际结构和加热工艺特 点，掌握加热段马弗管温度场分布及加热工艺参数 带铜 对温度场的影响规律，对延长马弗管寿命和提高带 珍 钢质量具有重要的意义 缝 变形段 为了研究加热炉内考虑燃烧过程的温度场和 冷却段 流场分布规律，很多学者使用计算流体力学软件 返 Fluent对加热炉内温度场进行了数值模拟.李建平 通 烧嘴 道 等3)采用标准k-ε湍流模型对侧喷加热铝材退火 炉内的气体流动和传热问题进行数值模拟研究，得 到了退火炉内气体流动顺畅、对流换热均匀，满足 马弗管 退火工艺对炉温均匀性的要求.林林等4-)建立 了全氢罩式退火炉退火热过程数学模型，得到了钢 卷退火曲线，分析了对流换热系数和钢卷径向等效 密封 箱体 导热系数对温度场的影响规律.Kim等[6和Han o1800m 等7对轧钢加热炉中厚板块加热过程进行了数值 (a) (b) 模拟，发展了相应的传热模型，推动了计算理论的 图1马弗炉(a)和马弗管(b)的结构 发展.由于大型光亮退火生产线较少，因而国内外 学者对马弗炉温度场数值模拟的研究涉及很少 Fig.1 Structures of the muffle furnace(a)and the muffle tube 本文采用Fluent软件建立马弗炉加热段的三 (b) 维仿真模型，考虑实际马弗炉加热段结构和燃烧特 点进行特征建模，并确定合理的数学模型和计算方 法，对马弗炉实际加热过程温度场、流场分布进行 分析，以进一步获得喷吹量对马弗管温度场的影响 B- 保温层 喷嘴 规律 1光亮退火马弗炉稳态换热仿真模型 马弗管 1.1考虑光亮退火马弗炉结构和工艺的特征建模 国内某大型不锈钢厂的大型光亮退火马弗炉 结构如图1所示②.马弗管安装在炉体内，顶部法 兰与冷却段用螺栓联结，采用硅橡胶密封圈密封， 喷嘴 底部悬空插入入口密封箱内，入口密封箱箱体内充 排气口 入高温淬火油用于隔断马弗管与燃烧室.马弗管由 12段不同厚度的耐热合金钢板焊接而成，沿马弗管 (a) (b) 切线方向180°布置两排非对称分布的喷嘴，马弗管与 图2马弗炉计算区域.(a)整体结构：(b)俯视图 炉壁之间是燃烧室，燃烧室从底到上分六个加热区，每 Fig.2 Calculated region of the inuffle furnace:(a)gross struc- 个加热区单独控制，炉膛底端布置燃气出口. ture:(b)top view

· · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 为 了获得马弗管上温度 的分布和加热 段 内流 场和速度场的分布, 需要考虑实际光亮退火马弗炉 结构和加热特 点进行建模 本文主要研究马弗管上温度分 布和 加热段 内 流场和速度场分布, 马弗管内保护气体和运动的带 钢与马弗管之间的热量交换可以采用 马弗管 向外散 热的热流密度表征, 以等效带钢和保护气氛与马弗 管的热量交换 由于马弗炉外喷嘴非对称布置 , 并 且喷嘴喷吹燃烧气体沿马弗管周 向运动 , 故采用三 维建模 , 模型结构如图 所示 缩段形颈变 回通道等组成 图 所示 马弗炉加热段 的马弗 管内充满保护还原气氛 , 外部采用 个非对 称分布的燃气喷嘴喷射火焰加热马弗管, 通过马弗 管辐射加热带钢 , 以保证带钢光亮退火质量 马弗 管轴 向尺寸较大, 非对称分布的喷嘴导致燃料不均 匀燃烧和不均匀的气体流动, 使得马弗管沿截面和 长度方向的温度不均匀, 会严重影响带钢 的退火质 量 同时, 马弗管在长期 、 高温和燃气环境情况下 使用 , 温度不均会使其产生一些缺陷, 如缩颈 、壁 厚减薄 、截面变形和鼓包 冈, 严重影响马弗管的使 用寿命 因此 , 考虑马弗炉实际结构和加热工艺特 点, 掌握加热段马弗管温度场分布及加热工艺参数 对温度场的影响规律 , 对延长马弗管寿命和提高带 钢质量具有重要的意义 为 了研 究加热炉 内考虑燃烧过程的温度场和 流场 分布 规律 , 很 多学者使用计算流体力学软件 对加热炉内温度场进行了数值模拟 李建平 等 同 采用标准 解 湍流模型对侧喷加热铝材退火 炉 内的气体流动和传热 问题进行数值模拟研究, 得 到了退火炉内气体流动顺畅 、对流换热均匀 , 满足 退火工艺对炉温均匀性的要求 林林等 一 建立 了全氢罩式退火炉退火热过程数学模型, 得到了钢 卷退火曲线 , 分析 了对流换热系数和钢卷径向等效 导热系数对温度场 的影响规律 等 圈 和 等 对轧钢加热炉中厚板块加热过程进行 了数值 模拟 , 发展 了相应 的传热模型, 推动了计算理论的 发展 由于大型光亮退火生产线较少, 因而国内外 学者对 马弗炉温度场数值模拟 的研究涉及很少 本文采用 软件建立马弗炉加热段的三 维仿真模型, 考虑实际马弗炉加热段结构和燃烧特 点进行特征建模, 并确定合理的数学模型和计算方 法 , 对马弗炉实际加热过程温度场 、流场分布进行 分析 , 以进一步获得喷吹量对马弗管温度场的影响 规律 带钢 冷却毛 道返通回 烧嘴 马弗管 密封 箱体 一 尸 尹 图 马弗炉 〔 和马弗管 ` 的结构 , 。 用 光亮退火马弗炉稳态换热仿真模型 考虑光亮退火马弗炉结构和工艺的特征建模 国内某 大型不锈钢厂的大型光亮退火马弗炉 结构如 图 所示 马弗管安装在炉体 内, 顶部法 兰与冷却段用螺栓 联结, 采用硅橡胶密封圈密封 , 底部悬空插入入 口密封箱 内, 入 口密封箱箱体内充 入高温淬火油用于隔断马弗管与燃烧室 马弗管 由 段不 同厚度 的耐热合金钢板焊接而成 , 沿马弗管 切线方向 布置两排非对称分布的喷嘴, 马弗管与 炉壁之间是燃烧室, 燃烧室从底到上分六个加热区, 每 个加热区单独控制, 炉膛底端布置燃气出口 排气口 图 马弗炉计算区域 整体结构 俯视图 川

第5期 杨竞等：大型光亮退火马弗炉加热段温度场模拟 ·669· 马弗管采用等强度设计为变截面的圆锥管，按 表1不同加热段热流密度 实际尺寸建模.喷嘴和排气口用圆柱体，与马弗管 Table 1 Heat flux in different heating areas 的相对位置见图2.炉外保温层由陶瓷纤维、石棉 加热区 l/mm △t/(Ks-1) g/(Wm-2) 板和金属外壳组成，因保温层内部温度变化不是本 1 5440 400 -14902 2 4325 220 -10308 文分析重点，为了减少计算时间，保温层简化成一 3 4325 210 -9840 壁面 4325 130 6091 如图2所示，所建模型Y方向尺寸较大，X 5 4325 90 -4217 和Z方向尺寸较小.各部分尺寸相差较大，为了减 6 4260 40 -1903 少单元数量又不影响计算精度，尽量采用六面体单 马弗管材料性质根据实际马弗管使用材料设 元和局部细化的方法8-).对马弗管、炉膛、喷嘴 置，马弗管外壁为自动耦合壁面.不同加热区段喷 和排气口分别采用不同的单元尺寸.马弗管采用六 嘴边界条件根据实际现场使用情况定义各区喷嘴入 面体单元，厚度方向布置六个单元，圆周方向布置 口的速度、温度和组分的质量分数（丁烷和氧气）. 100个单元，长度方向设定单元尺寸为50mm,并 排气口边界设定为压力出口边界，相对于大气压力 根据每段加热区长度把马弗管切分成六段，方便设 为600Pa.马弗炉壁面保温层由陶瓷纤维、石棉板 定不同区段边界条件.炉膛内部与马弗管接近的区 和金属外壳组成！，根据其热损失近似热流量为 域由于温度梯度较大，采用六面体单元，单元尺寸 993Wm-2. 大小从里向外逐渐增大.炉膛外层区域，与喷嘴和 1.3 数学模型和计算方法 排气口相连，采用四面体单元，单元尺寸为50mm. 数学模型主要包括湍流模型、燃烧模型和辐射 喷嘴和排气口都采用四面体单元，单元大小分别是 模型12). 20mm和50mm,总单元数量为210万. 标准k一ε双方程模型是最简单的完整湍流模 1.2边界条件 型，该模型在工程上它以对流动和热传递模拟的经 采用热流密度表征马弗管内保护气体和带钢 济准确而得到了广泛应用3-14，因而本文湍流模 的换热，带钢从入口到加热段出口的加热过程升 型选择标准k-ε双方程模型，其中湍流动能k方 温所吸收的热量可等效为马弗管内壁向外散失的热 程为 量，因此马弗管内壁采用等效的热流密度边界条件 -(puik)= 来近似.根据马弗炉退火工艺过程带钢的工艺热处 (pk)+ a 理速度和带钢升温曲线10，可计算每个加热段内带 u+）8k7 +0k0x] +Gk+Gb-pE-YM+Sk,(3) 钢所吸收的热量，近似为马弗管内壁的热流密度： 湍流耗散率ε方程为 Q S'upQ' (1) πdl （pue)= 式中：q为每个加热段马弗管内壁热流密度， Wm2:Q为带钢单位时间内带走的热量，Js-1；S Cte E(Gx+CaGb)-Cap+5 (4) 为每个加热段马弗管内壁表面积，m2；S为带钢截 面面积，m2;v为带钢运动速度，ms-1；p是带钢 式中：t为湍流黏度；G是由于平均流速梯度引 的密度，kgm3:Q为带钢单位时间单位质量吸收 起的湍流动能的产生项：G是由于浮力引起的湍 的热量，Jkg1s1:d为马弗管内径，m:1为每个 动能k的产生项；YM代表可压湍流中的脉动扩张 加热段马弗管长度，m. 的贡献：Sk和S。为用户自定义的源项：C1e、C2E 带钢单位时间单位质量吸收的热量Q'为： 和C4是经验常数：σk和oe是k和ε的湍流普朗 特常数.本模拟计算取值分别为C1e=1.44,C2:= Q'=C△t (2)1.92,C4=0.09,7k=1.0,e=1.3. 燃料为混合液化气（丁烷和空气），进入喷嘴前 式中：C为带钢比热容，Jkg1K-1；△t为带钢温 燃料先混合，在燃烧室中才有燃烧，因此采用组分 度变化率，Ks-1.每个加热段长度和带钢温度变化 传输模型.建模时燃烧假设为完全燃烧，燃烧反应 率如表1所示，由此可计算出每个加热段的内壁热 式为 流密度， 2C4H10+1302一8C02+10H20 (5)

第 期 杨 竞等 大型光亮退火马弗炉加热段温度场模拟 · · 马弗管采用等强度设计为变截面的圆锥管, 按 实际尺寸建模 喷嘴和排气 口用 圆柱体 , 与马弗管 的相对位置见图 炉外保温层由陶瓷纤维 、石棉 板和金属外壳组成, 因保温层内部温度变化不是本 文分析重点, 为 了减少计算时间 , 保温层简化成一 壁面 如 图 所示, 所建模型 方 向尺寸较大, 和 方 向尺寸较小 各部分尺寸相差较大, 为了减 少单元数量又不影响计算精度 , 尽量采用六面体单 元和局部细化的方法 一例 对马弗管 、炉膛 、喷嘴 和排气 口分别采用不同的单元尺寸 马弗管采用六 面体单元 , 厚度方向布置六个单元 , 圆周方 向布置 个单元 , 长度方向设定单元尺寸为 , 并 根据每段加热区长度把马弗管切分成六段 , 方便设 定不 同区段边界条件 炉膛 内部与马弗管接近的区 域 由于温度梯度较大, 采用六面体单元 , 单元尺寸 大小从里 向外逐渐增大 炉膛外层区域, 与喷嘴和 排气 口相连 , 采用四面体单元, 单元尺寸为 喷嘴和排气 口都采用四面体单元 , 单元大小分别是 , 和 , 总单元数量为 万 边界条件 采用热流密度 表征马弗管内保护气 体和带钢 的换热 , 带钢从入 口到加热段 出口的加热过程升 温所吸收的热量可等效为马弗管 内壁向外散失的热 量 , 因此马弗管 内壁采用等效的热流密度边界条件 来近似 根据马弗炉退火工艺过程带钢的工艺热处 理速度和带钢升温曲线 , 可计算每个加热段内带 钢所吸收的热量 , 近似为马弗管内壁的热流密度 表 不 同加热段热流密度 玉 加热区 么 ·一 · 一 一 一 一 一 一 一 ,︸峨门︸门 马弗管材料性质根据 实际马弗管使用材料设 置, 马弗管外壁为 自动祸合壁面 不 同加热区段喷 嘴边界条件根据实际现场使用情况定义各区喷嘴入 口的速度 、 温度 和组分 的质量 分数 丁烷和氧气 排气 口边界设定为压力出口边界, 相对于大气压力 为 一 马弗炉壁面保温层 由陶瓷纤维 、石棉板 和金属外壳组成 '`, 根据其热损失近似热流量为 一 一 数学模型和计算方法 数学模型主要包括湍流模型 、燃烧模型和辐射 模型 `“ 标准 一 双方程模型是最简单 的完整湍流模 型, 该模型在工程上它 以对流动和热传递模拟的经 济准确而得到 了广泛应用 `”一' , 因而本文湍流模 型选择标准 一 双方程模型, 其中湍流动能 方 程为 口 、 口 不不 戈凡 下丁一又廿, 大 其 乙。、目 纠 、 一、一、十、 , 人 工, 湍流耗散率 方程为 一 一 一 一一兀刃一闷 式 中 为每个 加热段 马弗管 内壁 热流密度 , · 一“ 为带钢单位时间内带走 的热量 , 一` 为每个加热段马弗管内壁表面积 , “ 夕 为带钢截 面面积 , “ 为带钢运动速度, 一` 是带钢 的密度 , 一“ 穿 为带钢单位时间单位质量吸收 的热量, , 一`·一` 为马弗管 内径, 为每个 加热段马弗管长度, 带钢单位时间单位质量吸收的热量 ' 为 口 、 , 、 口 「 拼八 拢 灰匹 四月一而 又拜十贡少瓦 」十 。 、 几 一仇 于 凡 凡 一九` 侧 ■ 式中 为带钢 比热容, 火 一' 一` ■。为带钢温 度变化率, 一工每个加热段长度和带钢温度变化 率如表 所示, 由此可计算出每个加热段的内壁热 流密度 式中 拼、为湍流豁度 、 是 由于平均流速梯度引 起的湍流动能的产生项 是 由于浮力引起 的湍 动能 的产生项 玩 代表可压湍流中的脉动扩张 的贡献 、和 又 为用户 自定义的源项 、姚 。 和 吼 是经验常数 。、 和 是 和 的湍流普 朗 特常数 本模拟计算取值分别为 , 姚 , , · , 二、 , , ` 燃料为混合液化气 丁烷和空气 , 进入喷嘴前 燃料先混合, 在燃烧室 中才有燃烧 , 因此采用组分 传输模型 建模 时燃烧假设为完全燃烧 , 燃烧 反应 式为 。 一

670 北京科技大学学报 第35卷 由于模拟气体燃料的燃烧，燃烧速度很快，认2.1马弗炉内温度场 为反应速率由湍流控制，故反应速率采用涡耗散模 从图3中可以看出，马弗管内壁温度普遍较 型来计算5) 均匀，上半部分对应喷嘴处温度偏高，下端温度最 离散坐标辐射(DO)模型适用范围最广，对所 低.实际马弗管使用时，下端自由垂放伸进密封液 有光学深度的辐射和有局部热源的非灰体辐射问题 体中，带钢刚进入马弗管时温度最低，故下端温度 均适用，因此本文辐射模型选用离散坐标辐射模 偏低。马弗管内壁大部分区域温度分布较均匀，与 型1. 实际所要达到的温度相差不大 计算方法选择反复迭代的SIMPLE算法，扩散 温度/K 项采用中心差分格式，对流项采用改进的具有二阶 1840 精度的迎风格式. 1755.07 1670.13 2计算结果和分析 1585.2 1500.27 计算所得马弗炉内监测点温度与某不锈钢公 1415.33 1330.4 司大型光亮退火线的典型规格304不锈钢带退火 1245.47 过程现场采用热电偶测试的温度比较如表2所示. 1160.53 可以看出计算值与实测值较为相近，平均相对误差 1075.6 990.667 35%,与实际要求相差很小，故所建模型和计算方 905.733 法是合理的.为了方便描述，建立了两个辅助面如 820.8 735.867 图2中A-A截面和B-B截面. 650.933 566 表2各加热区计算温度与实际温度对比 →X Table 2 Calculated temperature and actual data in 图3马弗管内壁温度分布 different heating areas Fig.3 Temperature distribution of the muffle tube inner-wall 加热区实际温度/K监测温度/K绝对误差/K相对误差/% 1 1417 1361 56 4.0 2 1413 1365 图4为马弗炉不同位置径向截面的温度分布， 48 3.4 3 1413 1363 多 3.3 可知马弗炉内大部分区域温度比较均匀.燃气进入 4 1420 1367 必 3.7 炉膛内开始燃烧，燃烧火焰沿马弗炉圆周方向分布， 5 1415 1369 3.3 靠近马弗炉壁面一侧.由于有辐射散热，马弗管区 6 1414 1373 41 2.9 域和马弗炉壁面温度偏低 温度/K 1960.00 1886.63 1813.26 1519.79 1446.42 1373.05 1299.68 1226.32 1152.95 1079.58 859,474 786.105 712.737Y 639.368 566.000 A-A B-B 图4马弗炉不同位置径向截面温度分布 Fig.4 Temperature distribution in radial sections at different positions of the muffle furnace

. 6 7 0 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 马弗炉内温度场 从图 中可 以看出, 马弗管 内壁温度普遍较 均匀 , 上半部分对应喷嘴处温度偏高 , 下端温度最 低 实际马弗管使用时, 下端 自由垂放伸进密封液 体中, 带钢刚进入马弗管时温度最低, 故下端温度 偏低 马弗管 内壁大部分区域温度分布较均匀 , 与 实际所要达到的温度相差不大 龙 石 了 匕一、 温﹂度绷目﹃﹁︺ 由于模拟气体燃料的燃烧 , 燃烧速度很快 , 认 为反应速率 由湍流控制 , 故反应速率采用涡耗散模 型来计算 卜 离散坐标辐射 模型适用范围最广, 对所 有光学深度的辐射和有局部热源的非灰体辐射问题 均适用 , 因此 本文辐射模型选用离散坐标辐射模 型 计算方法选择反复迭代的 算法, 扩散 项采用中心差分格式, 对流项采用改进 的具有二阶 精度的迎风格式 计算结果和分析 计算所得马弗炉 内监测 点温度 与某不锈钢公 司大型光亮退火线的典型规格 不锈钢带退火 过程现场采用热 电偶测试 的温度 比较如表 所示 可 以看 出计算值与实测值较为相近, 平均相对误差 , 与实际要求相差很小, 故所建模型和计算方 法是合理 的 为了方便描述 , 建立了两个辅助面如 图 中 一 截面和 一 截面 表 各加热区计算温度与实际温度对比 傲 加热区 实际温度 监测温度 绝对误差 相对误差 图 马弗管 内壁温度分布 图 为马弗炉不同位置径 向截面的温度分布 , 可知马弗炉 内大部分区域温度 比较均匀 燃气进入 炉膛内开始燃烧, 燃烧火焰沿 马弗炉圆周方向分布, 靠近马弗炉壁面一侧 由于有辐射散热 , 马弗管区 域和马弗炉壁面温度偏低 温度 巧 滩 刀 卫 图 马弗炉不同位置径 向截面温度分布

第5期 杨竟竞等：大型光亮退火马弗炉加热段温度场模拟 .671· 22马弗炉内速度场和流场 口螺旋排出，马弗炉最上端流线较稀少，因为马弗 图5为马弗炉不同位置径向截面速度分布.从 炉最上端燃气流动较小，而马弗炉中间燃气可以上 图中可以看出，喷嘴处的速度较大，等于入口设定 下流动.马弗炉内的燃烧气体环绕马弗管螺旋流动， 速度，燃气进入马弗炉燃烧室后速度基本稳定，速 使马弗管的加热更加均匀，继而使带钢的加热更加 度矢量都是沿圆周切线方向，靠近马弗管一侧速度 均匀 稍微偏低 图6所示为马弗炉内流场分布.从图中可看出 3喷吹量对马弗炉温度场影响 马弗炉内流线环绕马弗管螺旋流动，最后从烟气出 影响马弗炉内温度场变化的因素很多，如喷吹 量、带钢规格和喷嘴打开个数.本文研究喷吹量对 速度/(ms) 马弗炉内温度场分布的影响规律 日22 改变预混空气总流量使喷嘴入口速度发生改 20 变，这里分析喷嘴入口速度的变化即改变喷吹量对 18 16 马弗炉温度场的影响.基于工况1改变入口速度， 其他条件不变得到工况2、3和4，各工况喷吹量条 10 件如表3所示 不同喷吹量条件下A-A截面上的温度分布如 图7所示.从图7中可以看出，不同喷吹量（入口 速度)条件下，最高温度不同，但是火焰的形状大 A-A B-B 致相同. 图5马弗炉不同位置径向截面速度分布 表4为不同喷吹量条件下马弗管上每个区段 Fig.5 Velocity distribution in radial sections at different po- 的平均温度.从图7和表4可以看出在喷吹量参数 sitions of the muffle furnace 小于1.0a(工况2和3)时，随喷吹量的增大，马 弗炉内温度和马弗管上的温度升高，当喷吹量参数 温度/K 大于1.0a时（工况4），马弗炉内和马弗管上温度 日1840 1754.67 降低（除6区外）.在过量空气系数不变的情况下， 1669.33 喷吹量较小时，进入马弗炉燃烧室的燃料总能完全 1584 1498.67 燃烧 1413.33 随着喷吹量的增大，进入燃烧室的燃料量增 1328 1242.67 大，在相同时间内释放的热量也会加大，马弗管 1157.33 内壁散热热流量不变，因此喷吹量越大，马弗炉 1072 986.667 内温度越高，马弗管的温度也越高。然而，当喷 901.333 吹量过大时，气体流动过快，有的还没来得即完全 816 730.667 燃烧就流失掉.流速过快，流动气体向外散失的热 645.333 量也会增多，因此工况4的马弗管温度降低.并 560 且流速过快，马弗炉内和马弗管上的温度均匀性越 留6马弗炉内流场 差可，马弗管上不同区段平均温度相差增大，见 Fig.6 Flow field in the muffle furnace 表4. 表3 不同喷吹量条件下各加热区喷嘴燃气入口速度 Table 3 Inlet velocity of each heating area burner at different injection quantities m.s-1 工况 喷吹量参数 1区 2区 3区 4区 5区 6区 工况1 1.0a 18.665 15.492 12.624 15.174 13.377 12.852 工况2 0.6a 11.199 9.295 7.574 9.104 8.026 7.711 工况3 0.8a 14.932 12.393 10.989 12.139 10.701 10.281 工况4 1.2a 22.398 18.590 15.148 18.208 16.052 15.422

第 期 杨 竞等 大型光亮退火马弗炉加热段温度场模拟 · · 马弗炉内速度场和流场 图 为马弗炉不同位置径 向截面速度分布 从 图中可以看出, 喷嘴处的速度较大, 等于入 口设定 速度 , 燃气进入马弗炉燃烧 室后速度基本稳定 , 速 度矢量都是沿圆周切线方 向, 靠近马弗管一侧速度 稍微偏低 图 所示为马弗炉 内流场分布 从图中可看 出 马弗炉 内流线环绕马弗管螺旋流动 , 最后从烟气出 口螺旋排 出, 马弗炉最上端流线较稀少, 因为马弗 炉最上端燃气流动较小, 而 马弗炉中间燃气可以上 下流动 马弗炉内的燃烧气体环绕马弗管螺旋流动 , 使马弗管的加热更加均匀 , 继而使带钢的加热更加 均匀 速度 唱一' 图 马弗炉不同位置径 向截面速度分布 温度 ` 石 石 图 马弗炉 内流场 喷吹量对马弗炉温度场影响 影响马弗炉内温度场变化 的因素很多, 如喷吹 量 、带钢规格和喷嘴打开个数 本文研究喷吹量对 马弗炉内温度场分布的影响规律 改变预混 空气 总流量使喷嘴入 口速度发 生改 变, 这里分析喷嘴入 口速度的变化即改变喷吹量对 马弗炉温度场 的影响 基于工况 改变入 口速度 , 其他条件不变得到工况 、 和 , 各工况喷吹量条 件如表 所示 不 同喷吹量条件下 一 截面上 的温度分布如 图 所示 从 图 中可以看出, 不同喷吹量 入 口 速度 条件下 , 最高温度不同, 但是火焰的形状大 致相同 表 为不 同喷吹量条件下马弗管上每个 区段 的平均温度 从图 和表 可 以看出在喷吹量参数 小于 工况 和 时, 随喷吹量 的增大 , 马 弗炉内温度和马弗管上的温度升高, 当喷吹量参数 大于 时 工况 , 马弗炉内和马弗管上温度 降低 除 区外 在过量空气系数不变 的情况下, 喷吹量较小时, 进入马弗炉燃烧室的燃料总能完全 燃烧 随着喷吹量的增 大 , 进 入燃烧 室的燃料量增 大 , 在相同时间 内释放 的热量也会加大 , 马弗管 内壁散热热流量不变 , 因此 喷吹量越大 , 马弗炉 内温度越高 , 马弗管 的温度也越 高 然而 , 当喷 吹量过大时, 气体流动过快, 有的还没来得 即完全 燃烧就流失掉 流速过快 , 流动气体 向外散失的热 量也会增多 , 因此工况 的马弗管温度降低 并 且流速过快, 马弗炉内和马弗管上 的温度均匀性越 差 , 马弗管上不 同区段平均温度相差增大 , 见 表 表 不同喷吹量条件下各加热区喷嘴燃气入 口速度 、 唱 一 工况 工 况 工 况 工 况 工 况 喷吹量参数 区 区 区 区 区 区 乃 , 一

·672 北京科技大学学报 第35卷 温度/K 温度/K ■1960.00 1940.00 05 10621 66.00 温度/K 8400n 236.5 1169.47 11242 1035.37 263 834 158 566.000 33.053Y 566.000 (c) (d) 图7不同工况A-A截面的温度分布.(a)工况1：(b)工况2：(c工况3：(d)工况4 Fig.7 Temperature distribution in the A-A section under different cases:(a)Case 1;(b)Case 2;(c)Case 3;(d)Case 4 表4改变喷吹量马弗管不同区段平均温度 Table 4 Average temperature of the muffle tube under different cases 冬 工况 喷吹量参数 1区 2区 3区 4区 5区 6区 工况1 1.0a 1346.6 1358.3 1356.0 1363.1 1366.4 1371.8 工况2 0.6a 1342.9 1354.5 1353.5 1361.3 1365.0 1370.5 工况3 0.8a 1344.8 1356.5 1354.8 1362.2 1365.7 1371.1 工况4 1.2a 1337.0 1354.4 1350.7 1360.3 1364.8 1372.4 4结论 数大于1.0a时，马弗炉内和马弗管上温度开始降 低 (1)采用现场的加热工艺，计算所得监测温度 与实际测试温度比较接近，相差50K左右，马弗管 上温度分布较为均匀，喷嘴对应区域温度偏高，从 参考文献 下到上温度逐渐升高 (2)燃烧气体进入马弗炉燃烧室内开始燃烧， [1]Chen L,Wei W H.The frontier of the stainless steel strip continuous annealing furnace.China Steel,2009(8):25 燃烧火焰靠近外壁，且靠近外壁燃气流速偏大；马 (陈莉，魏文华.不锈钢带钢连续退火炉前沿综述.中国钢 弗炉内流场呈螺旋环绕，出现对流，使马弗管加热 铁业，2009(8)：25) 均匀，从而实现带钢的均匀加热 [2]Ye N W,Yang A,Sun C Y.Defects analysis and repairing (3)喷吹量参数小于1.0a时，随喷吹量的增大， of muffle used in bright annealing line for stainless steel 马弗炉内温度和马弗管上的温度升高：当喷吹量参 strip.Metall Equip,2010(1):40

· · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 温度 温度 曰座,连只︸了飞`月已厅,︵`︸工了勺任,连︸一,八氏门上了︸内` 氏认乐民象已上名习乃刀 月山己任八刁一,只七﹄或︶︸代了︶ ︸孟一上卫 尸﹄ , 只九︸络斤八口,民月今自丹月`了︷住伙已从认么匕,︸只︶月性曰勺连山八,了︸日八口几`山︷︹氏互` 召 刀 温度 温度 刀 习 名 石 滩 忍 刀 甘︹叮了七︸,﹃五立一︵﹁︸`八口卫胜` 托料月晰 图 不同工况 一 截面 的温度分布 工况 工况 工况 工况 一 表 改变喷吹量马弗管不同区段平均温度 傲 工 况 工况 工况 工况 工况 喷吹量参数 区 区 区 区 区 区 石 习 忍 结论 采用现场 的加热工艺 , 计算所得监测温度 与实际测试温度 比较接近, 相差 左右 马弗管 上温度分布较为均匀 , 喷嘴对应区域温度偏高 , 从 下到上温度逐渐升高 燃烧气体进入马弗炉燃烧室 内开始燃烧 , 燃烧火焰靠近外壁 , 且靠近外壁燃气流速偏大 马 弗炉 内流场呈螺旋环绕, 出现对流, 使马弗管加热 均匀 , 从而实现带钢 的均匀加热 喷吹量参数小于 时, 随喷吹量的增大, 马弗炉内温度和马弗管上 的温度升高 当喷吹量参 数大于 时 , 马弗炉 内和马弗管上温度开始 降 低 参 考 文 献 』 , 七 · 艺。 , 陈莉, 魏文华 不锈钢带钢连续退火炉前沿综述 中国钢 铁业, 【 , , · 亡 叮”切

第5期 杨竞等：大型光亮退火马弗炉加热段温度场模拟 673· (叶乃威，杨安，孙朝阳.不锈钢带钢光亮退火马弗炉缺陷 602 分析及修复.治金设备，2010(1)：40) (高晖，郭烈锦，顾汉洋.梭式窑空气动力模型中紊流流 [3]Li J P,Wang B C,Liu T,et al.Numerical simulation 动与对流传热的数值模拟研究.硅酸盐学报，2002,30(5)： of flow and temperature field in side-biown aluminum an- 602) nealing furnace.J Cent South Univ Sci Technol,2010 [10 Zhang A L.Discussion on some issues about bright an- 41(1:166 nealing of stainless steel.Shanghai Met.2000,22(1):10 (李建平，王伯长，刘涛，等.侧喷加热铝材退火炉内流场与 (张安利.试论不锈钢光亮退火的若干问题.上海金属 温度场数值模拟.中南大学学报：自然科学版，2010,41(1)片 2000,22(1):10) 166) [11]Zhou H Z.Jia Z G.Three dimensional numerical simula- 4]Lin L,Zhang XX.Zuo Y,et al.Investigation on annealing tion of flow and combustion in firebox of ethylene cracking thermal process of HPH furnace(I):mathematical model. furnace.Petrochem Technol 2007.36(6):584 J Univ Sci Technol Beijing,2003,25(2):174 (周瀚章，贾志刚.乙烯裂解炉辐射段流动与燃烧的三维数 (林林，张欣欣，左簌，等.全氢罩式退火炉退火热过程的研 值模拟.石油化工，2007,36(6)：584) 究（①：数学模型及其实测验证.北京科技大学学报，2003， [12 Wu Q J.Numerical Simulation and Optimization of Fluid 25(2):174) Flow,Combustion and Heat Transfer in Heating Furnace (5]Lin L,Zhang XX,Zuo Y,et al.Study on annealing ther- [Dissertation].Changsha:Central South University,2010 mal process in HPH furnace(II):analysis of convection (吴青娇.加热炉内流动、燃烧及传热的数值模拟和优化研 heat transfer coefficient and equivalent radial thermal con- 究学位论文1.长沙：中南大学，2010) ductivity.J Univ Sci Technol Beijing.2003,25(3):254 [13]Seeta Ratnam G,Vengadesan S.Performance of two equa- (林林，张欣欣，左籁，等.全氢罩式退火炉退火热过程的研 tion turbulence models for prediction of flow and heat 究()：对流换热系数和钢卷径向等效导热系数的研究.北 transfer over a wall mounted cube.Int J Heat and Mass 京科技大学学报.2003,25(3)：254) Transfer,2008,51(11/12:2834 6]Kim M Y.A heat transfer model for the analysis of tran- (14]lacovides H,Launder B E.Computational fiuid dynamics sient heating of the slab in a direct-fired walking beam applied to internal gas-turbine blade cooling:a review. type reheating furnace.Int J Heat Mass Transfer,2007, Int J Heat Fluid Flow,1995,16(6):454 50(19/20):3740 [7 Han S H,Baek S W,Kang S H,et al.Numerical analysis [15]Zhao H F.Numerical Simulation of the Lean Premired Combustion Dissertation].Tianjin:Heibei University of of heating characteristics of a slab in a bench scale reheat- ing furnace.Int J Heat Mass Transfer,2007,50(9/10): Technology,2007 (赵宏峰.低氧预混燃烧的数值模拟研究[学位论文]，天津： 2019 8 Zheng Z W.Numerical Simulation and Optimization of 河北工业大学，2007) the Furnace with FLUENT Software [Dissertation].Bei- [16]Hu G H,Wang H G,Qian F.Numerical simulation on jing:China University of Petroleum,2010 flow,combustion and heat transfer of ethylene cracking (郑志伟.基于FLUENT的加热炉模拟与优化学位论文 furnaces.Chem Eng Sci,2011,66(8):1600 北京：中国石油大学，2010) [17)Khazaei K A,Hamidi AA,Rahimi M.Numerical in- 9 Gao H,Guo L J,Gu H Y.Numerical simulation of tur- vestigation of fuel dilution effects on the performance of bulent flow and convective heat transfer in air dynamic the conventional and the highly preheated and diluted air model of shuttle kiln.J Chin Ceram Soc,2002.30(5): combustion furnaces.Chin J Chem Eng,2009,17(5):711

第 期 杨 竞等 大型光亮退火马弗炉加热段温度场模拟 · · 【 叫 【 」 【 叶乃威 杨安, 孙朝阳 不锈钢带钢光亮退火马弗炉缺陷 分析及修复 冶金设备, , , , 一 。几 如 刃 几 , 李建平, 王伯长, 刘涛, 等 侧喷加热铝材退火炉内流场与 温度场数值模拟 中南大学学报 自然科学版, , 一 , , , , 飞 阶` 几 、 叮。夕, , 林林, 张欣欣, 左撇, 等 全氢罩式退火炉退火热过程的研 究 数学模型及其实测验证 北京科技大学学报, , , , , , 咖 , 砂 夕 , 林林, 张欣欣, 左戮, 等 全氢罩式退火炉退火热过程的研 究 对流换热系数和钢卷径 向等效导热系数的研究 北 京科技大学学报, , 、 一 , 介乙 亡 专' 二承 乙 , , , , 扭 、 了 叽 , , 二 , 二二 亡 二 二 尹 二 二 亡 凡 。 二 弓 承 叨 二 【 」 , 郑志伟 基于 的加热炉模拟与优化 【学位论文 北京 中国石油大学 , , 一 , , 。 。。 , , 【 」 高 晖, 郭烈锦, 顾汉洋 梭式窑空气动力模型中紊流流 动与对流传热的数值模拟研究 硅酸盐学报, , 王 。夕 , , 张安利 试论不锈钢光亮退火 的若干 问题 上海金属, , · 亡阳 , , 周瀚章 贾志刚 乙烯裂解炉辐射段流动与燃烧的三维数 值模拟 石油化工, , 」 。饥 。 。 乞 二 亡 、 二, 二乙二 二 二 。夕几 二 【 , 吴青娇 加热炉内流动 、燃烧及传热的数值模拟和优化研 究 【学位论文 长沙 中南大学, , 、 、 玩 几 乃 ,` , , , 一 、 · 几亡 二 二, , 刀 。 。二 二 二。 。乙、 , 。 , , 赵宏峰 低氧预混燃烧的数值模拟研究 【学位论文」天津 河北工业大学, , 台 , , · 。。 , , , 、 , ` 夕, , 【』 叫 〕 【