钢坯热过程节能与氧化烧损数值模拟研究

【摘要】： 本文以空气预热温度、含氧浓度和空气过剩系数三因素联合作用下钢坯加热炉热效率和氧化烧损率的变化规律为研究对象，目的是为进一步提高钢坯加热炉操控优化水平和降低钢铁生产成本提供理论依据。 首先以步进式钢坯加热炉为对象，运用STEEL-TEMP软件，耦合钢坯热流密度模型、热平衡模型和氧化皮线性及抛物线性增长组合模型，编制了钢坯热过程模拟计算程序。利用该程序可以直接得到钢坯升温曲线、炉内各区温度、炉墙内表面温度曲线、金属氧化烧损等数据。从这些数据中，可以计算出热效率和氧化烧损率。 然后利用这一程序，采用不同的空气预热温度、含氧浓度和空气过剩系数组合，研究了钢坯加热热效率和氧化烧损随空气温度、含氧浓度和空气过剩系数的变化规律。研究中空气温度变化范围为200-900℃，含氧浓度变化范围为21-54％，空气过剩系数变化范围为1.0-1.3。研究结果表明，在加热终了温度相同的情况下：(1)空气温度越高，加热时间越短，加热速率越大，热效率和生产率越高，总的氧化皮生成量越少。(2)烟气含氧浓度对氧化皮生成量有重要影响。低的烟气含氧浓度可抑制Fe的氧化反应，增加烟气发射率，缩短加热时间，从而可减小氧化皮生成量，降低吨钢能耗。(3)空气过剩系数越低，加热速率越大，热效率和生产率越高，加热时间越短，氧化皮生成量越小。氧化皮生成速率最慢的燃烧条件是空气过剩系数1.0-1.1且空气温度400-500℃。空气过剩系数越低，最小氧化皮生成速率所对应的空气温度范围越宽。(4)空气含氧浓度越高，加热速率越大，热效率和生产率越高，加热时间越短，氧化皮生成量就越小。氧化皮生成速率最慢的燃烧条件是空气温度400-600℃且空气含氧浓度低于45％。 在以上研究的基础上，本文最后提出了“逐级配风”的热工操作制度。即：控制总空气过剩系数为1.0，执行“从加热一区、加热二区到均热区空气过剩系数按5-10％逐级递减，使高温均热区处于弱氧化气氛。采用“逐级配风”热工操作制度，可提高热效率，并降低氧化皮生成量。 【关键词】：加热炉 热效率 氧化皮 钢坯
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TG307
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 符号说明9-10
• 1 绪论10-21
• 1.1 问题的提出10-14
• 1.1.1 空气预热燃烧11
• 1.1.2 富氧空气燃烧11-13
• 1.1.3 高温低氧空气燃烧13-14
• 1.2 钢坯热过程热效率和加热时间研究现状14-16
• 1.3 钢坯热过程氧化烧损研究现状16-19
• 1.3.1 氧化皮形成影响因素16-18
• 1.3.2 氧化烧损的研究现状18-19
• 1.4 本文研究的主要内容19-21
• 2 钢坯热过程数学模型21-38
• 2.1 STEEL-TEMP软件的基本组成21-22
• 2.2 钢坯的热流模型22-23
• 2.3 加热炉热平衡模型23-24
• 2.4 钢坯横截面温度分布的数值求解模型24-32
• 2.4.1 基本分析24-25
• 2.4.2 空间离散25-30
• 2.4.3 时间积分30-32
• 2.5 加热炉内氧化烧损的模型32-34
• 2.5.1 氧化烧损的形成机理32-33
• 2.5.2 氧化烧损模型33-34
• 2.6 烟气计算理论34-38
• 2.6.1 燃烧计算34-36
• 2.6.2 烟气比焓和燃料净热值的计算36-38
• 3 步进式加热炉加热过程模拟程序38-45
• 3.1 步进式加热炉物理模型38-39
• 3.2 区域和网格39
• 3.3 假设条件39
• 3.4 加热过程模拟程序39-43
• 3.5 程序说明43-44
• 3.6 程序的基本功能44-45
• 4 钢坯热过程节能特性数值模拟45-55
• 4.1 已知条件45
• 4.2 钢坯热过程节能特性分析45-53
• 4.2.1 操作条件对加热时间的影响45-48
• 4.2.2 操作条件对热效率的影响48-50
• 4.2.3 空气预热对加热区域的影响50-51
• 4.2.5 烟气成分的影响51-53
• 4.3 小结53-55
• 5 钢坯热过程氧化皮生成数值模拟55-69
• 5.1 空气预热温度对氧化皮生成量的影响55-56
• 5.2 空气过剩系数对氧化皮生成量的影响56-58
• 5.3 空气含氧浓度对氧化皮生成量的影响58-61
• 5.4 烟气含氧浓度对氧化皮生成量的影响61-62
• 5.5 最小氧化烧损生成速率62-66
• 5.5.1 空气过剩系数、预热温度与氧化皮生成速率62-64
• 5.5.2 空气含氧浓度、预热温度与氧化皮生成速率64-66
• 5.6 逐级配风热工操作制度66-67
• 5.7 小结67-69
• 6 全文总结69-70
• 参考文献70-75
• 攻读硕士学位期间科研成果75-77
• 致谢77

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