步热式加热炉坯料摆放最佳间隙的研究

18卷3期1999. 5　　　　　　　　　冶　金　能　源29

步热式加热炉坯料摆放最佳间隙的研究

祝立萍

(华东冶金学院)

　

龚义书

(马钢集团公司)

摘　要　本文从炉内辐射传热角度出发, 阐述了步进式炉坯料摆放最佳间隙的确定方法。实例分析结果表明:利用该方法确定料坯的摆放间隙是合理的, 可使步进炉获得最大热效率。关键词　步进炉　坯料　最佳间隙

STUDY ON THE OPTIMUM GAP OF BILLET ARRANGMENT

IN WALKING BEAM OR BOTTOM FURNACE

Zhu L iping

(Ea st China M etallurg ical Institute)

G ong Y ishu

(M aanshan I ro n and Steel Gr oup Co . )

Abstract 　Accor ding to analysis of multiple r adiation in furnace , t he metho d det ermined for o pt imum g ap o f billet a rr angement in w alking beam or bo ttom fur nace w as r epor ted. By an ex ample analy sis, it is sho wn that this method is r easonable , w hich makes wa lking furnace hig h heat efficiency .

Keywords 　walking fur nace 　billet 　o ptimun g ap

1　概述

步进式加热炉是机械化炉底加热炉中使用较为广泛的一种, 是取代推钢式加热炉的主要炉型。自60年代问世以来, 步进式加热炉在世界上获得长足的发展。由于步进式炉有着推钢式炉无法比拟的优点, 如氧化烧损小、脱碳少; 加热质量好, 钢温比较均匀; 加热操作灵活, 易于与轧制节奏匹配; 可比较精确计算和控制坯料在炉内的加热速度和加热时间, 有利于实现整个加热过程自动化等。因而, 尽管步进式炉一次性投资较多, 但还是成为新建轧钢加热炉的首选炉型。

在对步进式加热炉进行设计时, 首先要拟定坯料在炉内的摆放方式。为改善传热条件, 缩越大, 传热效果越好。但如果坯料的间隙过大, 则单位炉底面积上的钢坯数量减少, 炉子的产量会降低。因而存在一个最佳坯料间隙。

本文从辐射传热角度出发, 阐述了步进底式炉和步进梁式炉坯料最佳间隙的确定方法。2　步进底式炉坯料最佳间隙的确定

在炉内的传热过程中, 热源是火焰或高温气流, 受热体为坯料。步进底式炉坯料摆放方式如图1所示。坯料得到的总辐射热量应为上表面和侧面所得到的辐射热量之和, 即:

T g 4T 24

Q 净=C o 12F 2〔(100) -(100) 〕

g 444

+C o 14F 4〔(100) -(100) 〕(1) 式中　Q 净——坯料获得的净辐射热量, W

30冶　金　能　源　　　　　　　　　18卷3期1999. 5

2、侧面4的综合辐射系

24

数, W/(m ・K )

侧面4的总受F 2, F 4——坯料上表面2、

热面积, m 2

坯料上表面2、坯T g , T 2, T 4——炉气、

料侧面4的温度,

K

式中　Q 净——坯料紧靠摆放时的净辐射热量,

W ′

F 2——坯料紧靠摆放时的总受热面积,

m

b ——坯料的宽度, m h ——坯料的高度, m C ′o 12——坯料紧靠摆放时的综合辐射系数, W/(m ・K )

′

由(2) 式可以看出, 只要计算出C o 12、C o 12

和C o 14, 就可以找到R 和x (或相对间隙x /b ) 之间的关系。

料坯紧靠摆放时的综合辐射系数C ′o 12可用下式计算:

o g m km g C ′o 12=(3)

g km g g m g 式中　C o ——绝对黑体辐射系数, W /(m 2・

K 4) g 、 m ——炉气、坯料的黑度

km ——炉壁对坯料的辐射角度系数

km =F 料/F 壁 F 料、F 壁——料坯上表面、炉壁内表面面积, m

加热坯料上表面2的综合辐射系数C o 12,

2〕

也可采用(3) 式计算〔, 只是此时式(3) 中的km 要用炉壁对坯料上表面的辐射角度系数 k 2

来代替, 即:

o g m k 2g (4) C o 12=g k 2g g m g 式中k 2= km ・ b +x

加热坯料侧面4的综合辐射系数C o 14, 和加热间隙面3的综合辐射系数C o 13有关:

43(5) C o 14=C o 13・ 式中　 43——间隙中的辐射角度系数。

考虑了绝热炉底5的反射作用, 推导得出:21+(x ) -x

km 要C o 13的计算也可以采用公式(3) , 只是

用 k 3代替, m 要用 3代替。则由(3) 式、

43=

2

〔1〕

2

4

2

′

图1　步进底式炉坯料具有间隙的摆放方式

1—炉壁　2—坯料上表面　3—坯料之间的间隙　4—坯料的侧面　5—炉底空隙表面

由(1) 式可以看出, 在T g 、T 2、T 4一定

的情况下, 坯料获得的净辐射热量Q 净取决于综合辐射系数C o 12、C o 14以及坯料的受热面积F 2和F 4。C o 12、C o 14增加, Q 净有所增加; F 2、F 4增加, Q 净也有所增加。但C o 12、C o 14和F 2、F 4之间并不是相互孤立的。为了增加综合辐射系数C o 12、C o 14, 可以采取增加坯料间隙的办法, 但在相同炉长条件下, 坯料的受热总面积F 2和F 4将减少, 并不能起到增加换热量的作用。但若为了增加受热面积F 2、F 4而减小坯料间隙, 综合辐射系数C o 12、C o 14又将减小, 也不能起到增加换热量的作用。由此看来, 若想获得最大的净辐射热量, 就必须确定出坯料的最合适的间隙, 即最佳间隙。

为便于分析比较, 我们对坯料有间隙摆放时的净辐射热量Q 与坯料紧靠摆放时的净辐射热量Q 净之比R 进行讨论, 有(假设T 2=T 4) :R =

Q 净C o 12F 2+C o 14F 4

==122

C o 12+

C o 14(2)

′净

18卷3期1999. 5　　　　　　　　　冶　金　能　源(5) 式得:

o g 3k 3g 43・C o 14= (6) g k 3g g 3g 式中　 k 3——炉壁对间隙3的辐射角度系数

k 3= km ・x /(b +x ) 3——间隙的折算黑度。

根据面3获得的净辐射热量与面4、面5获得的净辐射热量之和相等, 并假设面5与面4的黑度相等, 可得:

3=

31

由此可知, 把炉膛尺寸、坯料尺寸及炉气

黑度等已知条件代入公式(3) 、(4) 、(6) 可分别得到C ′o 12、C o 12、C ′o 14与x 之间的关系, 再代入公式(2) , 则可得R 和x (或相对间隙x /b ) 之间的关系。据此可以画出R 随x /b 而变化的关系曲线, 找到R 的最大值, 即净辐射热量Q 净最大之处所对应的间隙x op , 即为步进底式炉坯料摆放的最佳间隙。3　实例分析

图2是马钢三轧步进底式加热炉炉体简

图。

1+(m -1)

2h +x 图2

　步进底式炉炉体简图

炉底面积为22618×4388m m 2, 坯料为长

3

度4m 的方坯。燃料采用热值为8360kJ/m 的高焦混合煤气。加热段炉气平均温度为1280℃, 可计算出炉气黑度为0. 26; 预热段炉气平均温度为1000℃, 可计算出炉气黑度为0. 23。把这些数据代入前述公式进行计算, 从而得出坯料有间隙摆放与紧靠摆放的净辐射热量之比R 随相对间隙x /b 变化而变化的关系(图3) 。由图3可以看出, 当相对间隙x /b 增加时, R 值先随之增加; 在x /b 约为0. 5左右时,

加R 值达到最大; 之后, R 随的增加而减小。

b

热段和预热段的结果是一致的。由此可知:步进底式炉坯料摆放的最佳间隙是存在的。该加热炉的最佳间隙为x =0. 5b 。这一结果与实际生产情况相吻合。利用这种方法确定坯料摆放的最佳间隙是切实可行的。

4　步进梁式加热炉坯料最佳间隙的确定

图3　炉内坯料有间隙摆放与紧靠摆放获得净

辐射热量之比(R ) 和相对间隙之间关系

32冶　金　能　源　　　　　　　　　18卷3期1999. 5

　　 3=

1+ 43=1+

′

步进梁式加热炉坯料有间隙摆放方式如图4所

示。采用与步进底式炉相同的方法, 可以得到坯料有间隙摆放与紧靠摆放所获得的净辐射热量之比R

:

(-1) m h -1+() 2h h

由此, 可以采用和底式炉相类似的方法, 计算出C o 12、C o 12、C o 14和x 的关系, 代入(7) 式, 得出R 和x /b 的关系, 画出R -x /b 图, R 的最大值所对应的间隙x op , 即为步进梁式炉坯料摆放的最佳间隙。

5　结论

步进式加热炉坯料摆放的最佳间隙是存在的, 而且可以由本文给出的一套理论公式确定出净辐射热量之比R 随相对间隙x /b 的变化关系, 画出R -x /b 图, 最终确定出最佳间隙x op 。该方法切实可行, 直观快捷, 和生产实际相吻合。

参

考

文

献

图4　步进梁式炉坯料有间隙摆放方式

1—炉壁　2—坯料上、下表面　3—坯料之间的间隙　4—坯料的侧面

C o 12+o 14

净R =Q 净′=(7) ′

(1+) C o 12

b

式中各符号所代表的意思和步进底式炉相同。其中综合辐射系数C 、C o 12、C o 14可分别采用前述公式(3) 、(4) 、(6) 进行计算。只是(6) 式中间隙的折算黑度 3和间隙中的辐射角度系数 43须采用下列公式计算:

(上接第42页)

　　(3) 改造后锅炉排烟温度有所降低, 使锅炉热效率得到提高。

参

考

文

献

′o 12

1　刘人达. 冶金炉热工基础. 北京:冶金工业版社, 19882　〔苏〕B. M. 蒂姆恰克等著, 于凤仁等译. 加热炉与热处理

炉计算手册. 北京:机械工业出版社, 1989

(收稿日期:1998年12月)

罗文泉　编辑

Burner, Int. J. Of Energy Res earch , Vol. 20, pp. 933～946, 1996

3　陈长栋, 钱壬章等. 回流区分级着火旋流煤粉燃烧器在黄石电厂的应用. 华中电力, 1997, 10(5) :1～44　靳世平, 钱壬章. 气体回流区分级着火试验研究. 工程热

物理学报, 1997, 18(6) :754～758

1　钱壬章, 郑远平等. 粉煤燃烧新概念——粉气分离. 工程

热物理学报, 1991, 12(3) :320～323

2　S hi Xu eFen g , Qian Renzhang , Zh en Yuanping and M a

Xiaoqian, A New Principle of Ignition and Flame S tability for Low -Volatile Pulverized C oal with Slitted Bluff-Bod y

(收稿日期:1999年1月)

罗文泉　编辑