D0I:10.13374/i.issm1001053x.2001.02.013 第26卷第2期 北京科技大学学报 Vol.26 No.2 2004年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2004 步进梁式加热炉内的板坯温度场数值模拟 青格勒程素森杨天钧李士琦 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083 摘要建立了三段步进梁式加热炉内加热的板坯物理模型和数学模型.用全隐式有限差 分法对数学模型进行了离散化，同时运用软件工程的理论，编制了加热炉内板坯温度场计算 软件，计算结果表明，在保证板坯加热质量的前提下，提高加热炉预热段温度、板坯入炉温度 和炉气黑度有利于提高加热效率，缩短板坯在加热炉内的加热时间，降低板坯氧化烧损量和 延长炉子寿命， 关键词步进梁式加热炉：板坯：温度场：数学模型 分类号TG307:TP272 板坯加热在钢铁材料生产过程中仍占有很 热板坯为例计算其温度变化情况.三段步进梁式 重要的地位.虽然连铸连轧技术取得了快速发 加热炉由预热段、加热段和均热段组成，如 展，连铸过程中的温降和热量损失是不可避免 图1.一般板坯的长度比宽、高度大很多，因此可 的.加热过程作为钢材生产过程的重要组成部 忽略长度方向的导热，由于板坯是规则的长方 分，必须有先进的加热设备和准确可靠的控制系 体，选择直角坐标系下的矩形正面体为控制体， 统才能保证最后产品的质量，减少能源消耗.加 如图2. 热过程是一个复杂的物理化学过程，随板坯的装 入温度、板坯尺寸和热物性参数、炉子的尺寸和 热物性参数、燃料的种类、炉子各段的加热温度 情况的不同而影响加热过程，因此，分析有关影 预热段 「加热段「均热段 响因素的影响规律和影响程度对控制加热过程 图1三段步进梁式加热炉的结构示意图 有着重要的意义.本文建立了三段步进梁式加热 Fig.1 Layout of a 3-zone walking beam type of re-heating 炉内加热的板坯物理模型和数学模型并采用全 furnace 隐式有限差分法对模型进行了离散，开发了计算 机仿真界面，并通过该模型分析了板坯在加热炉 内的温度变化情况以及在不同加热条件下的升 温情况.计算结果将为步进梁式加热炉内加热板 坯过程优化提供依据， 1物理模型 图2单元控制体 Fig.2 Control element 步进梁式加热炉比推钢式加热炉有很多优 2数学模型 点川，如运料灵活，步进周期可变，料坯间有间 隔，并可在上料时调整，加热时间短，可实现快速 板坯在炉内加热过程是一个复杂的物理化 加热等，因此本文选用三段步进梁式加热炉内加 学过程，与许多影响板坯加热质量和加热速度 的因素有关.主要有以下几个方面：炉膛尺寸，炉 收稿日期20030404青格勒女，24岁，硕士研究生 *国家自然科学基金资助项目No.50144005) 墙的热特性，板坯尺寸，板坯的热物性参数，燃料第 2 6 卷 第 2 期 2 0 0 4 年 4 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 iyt o f S e i e n c e a n d eT c h n o l o gy B e ij in g Vb L2 6 N o . 2 AP .r 2 0 4 步进梁式加热炉 内的板坯温度场数值模拟 青格勒 程 素森 杨 天钧 李士 琦 北京 科技大 学冶 金与生 态工 程 学院 , 北京 10 0 0 83 摘 要 建 立 了三 段步 进梁式 加热 炉 内加热 的板坯 物理模 型和 数学 模型 . 用全 隐式有 限差 分法 对数 学模 型进行 了离 散化 , 同时运 用软件 工程 的理论 , 编制 了加 热炉 内板坯温 度场 计算 软 件 . 计算 结果表 明 , 在保 证板 坯加热 质量 的前 提下 , 提 高加 热炉预 热段温 度 、 板 坯入炉 温度 和 炉气 黑度有利 于提 高加 热效率 , 缩短 板坯在 加热 炉 内的加热 时 间 , 降低板 坯氧 化烧损 量和 延 长炉 子寿命 . 关键 词 步进 梁式 加热 炉 ; 板坯 ; 温度 场 ; 数 学模 型 分 类号 T G 3 0 7 : T P 2 7 2 板 坯 加 热在 钢 铁 材 料 生产 过 程 中仍 占有 很 重要 的地 位 . 虽 然连 铸连 轧技 术 取得 了快 速发 展 , 连铸 过 程 中 的温 降和 热 量 损 失 是不 可 避 免 的 . 加热 过 程 作 为钢 材 生产 过 程 的重 要 组 成 部 分 , 必 须有 先进 的加热 设备 和准 确可靠 的控 制 系 统才 能保 证最 后产 品 的质 量 , 减 少能 源 消耗 . 加 热过程 是一 个复 杂的物 理化 学过程 , 随板坯 的装 入 温度 、 板坯 尺 寸和热 物 性参 数 、 炉 子 的尺 寸和 热 物性 参数 、 燃料 的种 类 、 炉子 各段 的加 热温 度 情 况 的不 同而 影响 加热 过程 . 因此 , 分析 有 关影 响 因素 的影 响 规律 和 影 响程 度 对控 制 加 热 过程 有 着重要 的意义 . 本文 建立 了三段 步进 梁式 加热 炉 内加热 的板 坯物 理 模型 和 数 学模 型 并 采 用全 隐式有 限差分法 对模 型进 行 了离散 , 开 发 了计算 机仿真界 面 , 并通 过该模 型分 析 了板坯 在加 热炉 内的温 度 变 化情 况 以及 在 不 同加 热 条 件 下 的升 温情 况 . 计算 结果 将为 步进梁 式加 热炉 内加 热板 坯 过程优 化 提供 依据 . 热 板坯 为例 计算 其温度 变 化情况 . 三 段 步进梁 式 加 热 炉 由预 热 段 、 加 热 段 和 均热 段 组 成 。 ] , 如 图 1一般 板 坯 的长度 比 宽 、 高度 大很 多 , 因此可 忽 略 长 度 方 向的 导热 . 由于板 坯 是 规 则 的长 方 体 , 选择 直 角坐 标系 下 的矩 形 正面体 为 控制 体 , 如 图 2 . } 预热段 1 加热段 } 均热段 } 图 1 三段 步进 梁式加 热炉 的结 构示意 图 F ig . l L a y o u t o f a 3 一 z o n e w a 】七 n g b e a m yt P e o f 伶h e a如g fu r n a Ce 1 物 理 模型 步进 梁 式 加 热炉 比 推 钢 式 加热 炉 有 很 多优 点 `}] , 如 运料 灵 活 , 步进 周 期可 变 , 料 坯 间有 间 隔 , 并可 在上料 时调 整 , 加 热 时间短 , 可 实现快 速 加热 等 . 因此本 文选 用三 段步 进梁 式加热 炉 内加 收稿 日 期 2 0 03 一4一 4 青格 勒 女 , 24 岁 , 硕 士 研 究生 * 国家 自然科学 基金 资助 项 目困 。 . 5 01 4 4 0 0 5) 图 2 单元控 制体 F ig . 2 C o n t or l e le m e n t 2 数 学模 型 板 坯 在 炉 内加 热过 程 是 一 个 复 杂 的物 理 化 学 过程 『刀 , 与 许 多影 响板 坯加 热质 量 和加 热速 度 的 因素有关 . 主 要有 以下几 个方 面 : 炉 膛尺 寸 , 炉 墙 的热特性 , 板 坯尺 寸 , 板 坯 的热物性 参数 , 燃 料 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2004. 02. 013