文档介绍：冶金工业中的计算传热问题和计算传热学的应用陈海耿聂宇宏杨泽宽蔡九菊(东北大学摘要简要介绍了冶金工业的范围、主要流程以及传热问题的分布情况。对于计算传热学研究和应用比较集中与活跃的工艺流程及设备,例如铸锭过程、连铸、炉子和电解槽等,介绍了应用实例和主要方法。以连续加热炉为背景,对照介绍了计算传热学与现代控制理论在这类问题中的某些本质联系。关键词计算传热 PUTATIONALHEATTRANSFERANDITSAPPLICATIONTOMETALLURGICALINDUSTRYCHENHaigeng NIEYuhong YANGZekuan CAIJiuju(NortheasternUniversityABSTRACT Thescope,-putationalheattransferofsomeProcesses,forexample,ingotcasting,continuouscasting,heatinginindustrialfurnacesandelectrolysisgrooveetc.,,,metallurgicalindustry1 冶金工业中的传热问题在钢铁冶金中,高炉是炼铁的重要设备,从传热学角度看,它是一个特别有效的逆流式换热器,故其热能利用率高达85%~90%。在转炉中,热交换总是伴随着吹氧炼钢的强烈化学反应和气液两相流动而进行的。钢液既可以浇铸成钢锭,经均热炉和初轧机而成为初轧坯;也可通过连铸机而直接得到连铸坯。尽管这两个工艺过程差别甚大,但钢水都要经历冷却固化的换热和相变过程。连续加热炉是热轧前的加热设备,同时它又可抽象为封闭的辐射体系。在其中有燃烧和气体流动发生。封闭体系的几何边界可分为两类,一是防止热量逸散的围护结构,如炉墙和炉顶,二是被加热金属的表面。炉膛换热和金属导热是相互耦合的。轧制是型材生产的重要工序,同时也是一个几何条件不断改变且有内热源(轧制中施予金属的变形功的传热学问题。当然,冶金工业中的传热问题远不止这些,但这已足可看出,冶金工业中的高温过程如此之多,热交换往往是工艺的主导因素。而且,这些换热问题大多是复杂的,常伴有化学反应、燃烧、流体流动以及相变等过程的发生,其求解只能以数值方法为主。因此可以说,冶金工业是计算传热学应用比较集中的工业部门。2 铸轧过程图1为钢液到钢材这段工艺过程的变革。可以看出,从流程(1到流程(3,工艺过程明显简化了,加热工序减少,乃至取消了。计算传热学在此图1 从钢液到钢材的工艺流程 Proceedingfrommoltensteeltorolledproducts变革中起了积极的作用。钢锭在冷却、加热和轧制过程中,温度场、凝固场的数值模拟,曾经是很活跃的研究领域。这些研究的工艺背景是,从钢液到初轧坯,初温比终温约高400℃,但钢锭却需经历一次炉内加热,这样矛盾的事实说明,改造工艺以求节能的可行性是显而易见的。对于沸腾钢锭,这方面研究所提出的新工艺有:①液芯加热;②液芯加热及液芯轧制;③微能均热;④保温均热。这些工艺使“最佳传搁时间”一再缩短,从而逐步趋于最大限度地利用钢锭自身所保有的热量。在第④种工艺中,液芯锭不必经过均热炉,实现了直接轧制。而且,钢锭轧制过程的数值模拟表明,和通常的初轧坯相比,来自液芯轧制的坯具有表面温度高和表面温度下降速度小等优点,因而最有希望实现下一个目标,即不经连续加热炉,而直送连轧机去轧制。保证这些工艺正确实施的关键是掌握钢锭在传搁过程中,尤其是在特征时刻(如脱模、入炉及开始轧制等的温度场和凝固场。其实,这可归结为一个以传导为主,含有相变,且各阶段边界条件多变的计算传热问题。对于模内冷却阶段,锭—模间边界有几种不同的描述方式,如完全辐射方式、权重方式和初期迅速衰减的辐射方式。后两种分别以阶跃和连续变化的方式考虑了锭—模之间气隙的生成及其对换热的影响。文献[1]认为,扁锭的研究应以二维为基础,一维用于在线控制,三维作为修正的依据,因为钢锭顶底两端传热的影响并不重要,三维模拟的关键在于考虑固化过程中树枝状结晶的沉降对流的影响,它是钢锭固化后期高温区上升到大