連鑄及連軋工藝過程中的傳熱分析

前言

隨著汽車、家電、造船、軍工等行業(yè)的迅速發(fā)展，高性能、高質(zhì)量的板帶產(chǎn)品的需求量與日俱增，板帶比已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家鋼鐵工業(yè)水平的重要標(biāo)志。我國已經(jīng)建成了多條連鑄、熱連軋生產(chǎn)線，粗鋼產(chǎn)量早已成為世界第一，但產(chǎn)品質(zhì)量與發(fā)達(dá)國家相比還存在較大的差距，很多高品質(zhì)的精品鋼材還需要進(jìn)口。究其原因，主要是因?yàn)槲覈m然引進(jìn)了先進(jìn)的設(shè)備，但還沒有掌握其核心的關(guān)鍵技術(shù)。因此，我國要提高鋼鐵工業(yè)的國際競爭力，必須要開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，而溫度控制技術(shù)是連鑄、熱連軋工藝的靈魂。本書是在完成“十一五”國家科技支撐計(jì)劃課題“煉鋼軋鋼區(qū)段綜合節(jié)能與環(huán)保技術(shù)”的基礎(chǔ)上，總結(jié)近年來在熱連軋領(lǐng)域的一些科研成果編著而咸，希望對從事熱連軋工作的技術(shù)人員及大專院校師生有所幫助，希望對提高我國熱連軋工業(yè)的總體水平做出貢獻(xiàn)。在鋼的連鑄、熱軋過程中，溫度是一個(gè)非常重要的物理量。在連鑄方面，溫度直接決定連鑄坯的凝固速度和鑄坯質(zhì)量。在熱軋方面，一方面，溫度通過影響變形抗力來影響軋件變形、尺寸精度，以及軋制力、軋制力矩等參數(shù)；另一方面，溫度通過影響金屬微觀組織變化，決定最終產(chǎn)品的組織和性能。雖然連鑄、熱連軋生產(chǎn)線上設(shè)有一系列測溫點(diǎn)，所能測到的僅是軋件表面溫度，許多測量點(diǎn)由于表面氧化鐵皮影響或是表面溫度過低以及軋件厚度過大、內(nèi)部溫度不均等原因，無法測量到軋件的真正溫度。而準(zhǔn)確地計(jì)算軋件在熱軋過程及中間坯在熱卷箱內(nèi)部的溫度場，對優(yōu)化生產(chǎn)工藝參數(shù)，提高最終產(chǎn)品的質(zhì)量和節(jié)能降耗都具有重要的意義。

內(nèi)容概要

本書針對連鑄、熱連軋工藝的特點(diǎn)，系統(tǒng)地闡述溫度在連鑄、熱連軋工藝過程中的作用。除闡述熱量傳遞的規(guī)律及分析方法的共性知識外，重點(diǎn)介紹鋼水在結(jié)晶器凝固、連鑄坯在二冷區(qū)傳熱、鋼坯在熱爐內(nèi)的加熱過程、爐內(nèi)的熱交換分析和鋼坯的溫度場計(jì)算；鋼坯在傳輸過程、軋制過程中的幾種熱交換類型，以及各工序的熱交換系數(shù)的確定、軋件的熱量損失、溫度變化，熱軋帶鋼終軋溫度、卷取溫度控制目的及方法；中間坯在熱卷箱內(nèi)的溫度數(shù)學(xué)模型及熱卷箱內(nèi)溫度場的計(jì)算與分析。    本書可供從事軋鋼專業(yè)的工程技術(shù)人員以及相關(guān)專業(yè)的本科生和研究生學(xué)習(xí)和參考。

書籍目錄

第一篇 傳熱學(xué)基礎(chǔ)　1 概述　　1.1 熱量傳遞的三種基本方式　　　1.1.1 熱傳導(dǎo)　　　1.1.2 熱對流　　　1.1.3 熱輻射　　1.2 總傳熱過程　2 導(dǎo)熱基本定律和穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱　　2.1 導(dǎo)熱基本定律和熱導(dǎo)率　　　2.1.1 溫度場和溫度梯度　　　2.1.2 導(dǎo)熱基本定律　　　2.1.3 熱導(dǎo)率　　2.2 導(dǎo)熱微分方程和定解條件　　　2.2.1 導(dǎo)熱微分方程　　　2.2.2 導(dǎo)熱過程的定解條件　　2.3 一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱　　　2.3.1 通過平壁的導(dǎo)熱　　　2.3.2 通過圓筒壁的導(dǎo)熱　　　2.3.3 變熱導(dǎo)率　　2.4 接觸熱阻簡介　3 非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱　　3.1 非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程的特點(diǎn)　　3.2 集總參數(shù)法　　3.3 內(nèi)部熱阻不可忽略的物體在第三類邊界條件下的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱和諾謨圖　　　3.3.1 無限大平壁的分析解和諾謨圖　　　3.3.2 無限長圓柱體的諾謨圖　　　3.3.3 二維和三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱　4 導(dǎo)熱問題數(shù)值解法　　4.1 離散化和差商　　4.2 穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的數(shù)值計(jì)算　　　4.2.1 內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的有限差分方程　　　4.2.2 邊界節(jié)點(diǎn)的有限差分方程　　　4.2.3 節(jié)點(diǎn)差分方程組的求解　　4.3 非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的數(shù)值計(jì)算　　　4.3.1 內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的顯示差分方程　　　4.3.2 邊界節(jié)點(diǎn)的顯示差分方程　　　4.3.3 顯式差分格式的不穩(wěn)定性　　　4.3.4 節(jié)點(diǎn)方程組求解　　4.4 有限單元法　　　4.4.1 單元?jiǎng)澐趾蜏囟葓龅碾x散　　　4.4.2 有限單元的總體合成　　　4.4.3 不穩(wěn)定溫度場的總體合成　　　4.4.4 無內(nèi)熱源平面穩(wěn)定溫度場計(jì)算舉例　5 對流傳熱　　5.1 對流傳熱概述　　　5.1.1 牛頓冷卻公式　　　5.1.2 影響對流傳熱系數(shù)h的因素　　5.2 邊界層理論簡介　　　5.2.1 流動(dòng)邊界層和熱邊界層　　　5.2.2 邊界層對流傳熱微分方程組　　5.3 相似原理在對流傳熱中的應(yīng)用　　　5.3.1 相似原理簡介　　　5.3.2 特征數(shù)實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的確定和選用　　　5.3.3 對流傳熱特征數(shù)關(guān)聯(lián)式的正確選用　　5.4 單相流體對流傳熱特征數(shù)關(guān)聯(lián)式　　　5.4.1 管內(nèi)強(qiáng)迫對流傳熱　　　5.4.2 外掠物體時(shí)的強(qiáng)迫對流傳熱　　　5.4.3 自然對流時(shí)的換熱　6 輻射傳熱　　6.1 熱輻射的基本概念　　　6.1.1 熱輻射的本質(zhì)　　　6.1.2 物體對熱輻射的吸收、反射和透過　　6.2 熱輻射的基本定律　　　6.2.1 普朗克定律　　　6.2.2 斯忒藩一玻耳茲曼定律　　　6.2.3 蘭貝特定律　　　6.2.4 克希荷夫定律　　6.3 物體表面間的輻射換熱　　　6.3.1 兩平面組成的封閉體系的輻射換熱　　　6.3.2 角度系數(shù)　……第二篇　連鑄過程中的熱交換第三篇　熱軋過程中熱量傳遞參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：傳熱學(xué)是工程熱物理的一個(gè)分支，是研究熱量傳遞規(guī)律的學(xué)科，它和工程熱力學(xué)都是研究熱現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)。熱力學(xué)第二定律指出：凡是有溫差的地方，熱量就會(huì)由高溫處向低溫處傳遞。因此，哪里有溫差，哪里就有熱量傳遞。由于溫度差普遍存在自然界和工程中，因此傳熱是日常生活和工程中一種非常普遍的現(xiàn)象。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，傳熱學(xué)幾乎滲透到各個(gè)領(lǐng)域，它對現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展起著日益重要的作用。工程中傳熱問題可分為兩種類型。一類是計(jì)算傳遞的熱流量，并且有時(shí)力求增強(qiáng)傳熱，有時(shí)則力求削弱傳熱。例如：在熱加工工藝中，材料在加工前（鍛壓、軋制和擠壓等）都需要在加熱爐內(nèi)加熱，這時(shí)就需要增強(qiáng)傳熱，但材料在加工后需要退火時(shí)，熱量的傳遞就需要合理地控制，大部分情況下需要削弱傳熱。另一類是確定物體各點(diǎn)的溫度，以便進(jìn)行某些現(xiàn)象的判斷、溫度控制和其他計(jì)算（如熱應(yīng)力和熱變形）。例如物體內(nèi)部的溫度場計(jì)算。熱量傳遞過程分為兩大類：穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)。凡物體中各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間而改變的熱量傳遞過程稱為穩(wěn)態(tài)熱傳遞過程，反之稱為非穩(wěn)態(tài)熱傳遞過程。1.1 熱量傳遞的三種基本方式熱量傳遞有三種基本方式，即熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。實(shí)際上，熱量傳遞的過程往往由兩種或三種基本方式組成。例如平壁的導(dǎo)熱，平壁的一側(cè)的高溫流體通過熱輻射及熱對流的方式，將熱量傳遞給平壁的表面，再由熱傳導(dǎo)的方式通過物體內(nèi)部傳到另一表面，然后再由熱輻射與熱對流的方式傳給平壁的另一側(cè)流體。當(dāng)物體有溫度差或兩個(gè)不同溫度的物體直接接觸時(shí)，在物體各部分之間不發(fā)生相對位移的情況下，物質(zhì)的微觀粒子（分子、原子或自由電子）的熱運(yùn)動(dòng)傳遞了熱量，這種現(xiàn)象稱為熱傳導(dǎo)，簡稱導(dǎo)熱。流體中，溫度不同的各部分之間發(fā)生相對位移時(shí)引起的熱量傳遞過程稱為熱對流。流體各部分之間由于密度差引起的相對運(yùn)動(dòng)稱為自然對流；由于外力的作用（泵、風(fēng)機(jī)等）而引起的相對運(yùn)動(dòng)稱為強(qiáng)迫對流（或受迫對流）。

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《連鑄及連軋工藝過程中的傳熱分析》由冶金工業(yè)出版社出版。

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