步进式加热炉流动与传热数值模拟研究

"该文章是2005年发表的一篇自然科学论文，主要讨论了步进式加热炉内流动与传热过程的数值模拟。通过建立数学模型，使用k-ε双方程模型处理湍流，六通量法计算辐射换热，修正EBU模型模拟气相燃烧，并应用Simpler算法解决流场问题。研究目的是为了优化步进式加热炉的设计和操作，提高加热效率和质量控制。" 本文详细探讨了步进式加热炉在钢铁行业中的重要性，它相较于传统的推钢式加热炉，具有更小的氧化烧损、较少的脱碳、更好的加热质量和温度均匀性。这种加热炉的灵活性使其能够适应不同的轧制节奏，精确控制坯料的加热速度和时间，有助于实现加热过程的自动化。 研究选取了一种典型的三段式平顶步进式加热炉作为对象，炉膛尺寸为44.2m长、11.7m宽，加热段和均热段高度为4.1m，预热段高度为3.5m。炉内加热的低碳钢坯规格为10m×1.4m×0.23m，初始温度为20℃，产能为300t/h，使用热值为8782.2kJ/m³的混合煤气，消耗量为4.8×10⁴m³/h，空燃比设定为1.05。煤气预热温度为290℃，空气预热至450℃，混合煤气成分包括CO、CO2、H2、CH4、C3H8、O2、N2和H2O。 在燃烧器布局方面，加热段有30个顶部平焰烧嘴、10个侧墙烧嘴和4个端头烧嘴，均热段有12个顶部平焰烧嘴和2个端头烧嘴，每个烧嘴的负荷不同。为了模拟炉内的流动和传热过程，文章采用了k-ε双方程模型来描述湍流，这是一种广泛应用的湍流模型，可以有效捕捉流场中的复杂动态行为。辐射换热则采用六通量法，这是一种考虑辐射能量在多表面间交互作用的高级计算方法。气相燃烧则通过修正后的EBU（Eddy Break-Up）模型来模拟，该模型考虑了燃烧过程中湍流对火焰稳定性和反应速率的影响。最后，Simpler算法用于求解流场，这是一种常用的耦合压力和速度的计算流体动力学算法。 通过这些数学模型和计算方法，研究人员得到了炉内详细的温度、速度和浓度分布，为步进式加热炉的优化设计、操作控制提供了理论依据。这些结果对于提高加热效率、降低能耗以及保证钢材加热质量具有实际指导意义。