第一篇 传热学基础 1
1 概述 1
1.1 热量传递的三种基本方式 1
1.1.1 热传导 1
1.1.2 热对流 1
1.1.3 热辐射 2
1.2 总传热过程 2
2 导热基本定律和稳态导热 3
2.1 导热基本定律和热导率 3
2.1.1 温度场和温度梯度 3
2.1.2 导热基本定律 4
2.1.3 热导率 4
2.2 导热微分方程和定解条件 5
2.2.1 导热微分方程 5
2.2.2 导热过程的定解条件 7
2.3 一维稳态导热 8
2.3.1 通过平壁的导热 9
2.3.2 通过圆筒壁的导热 11
2.3.3 变热导率 13
2.4 接触热阻简介 14
3 非稳态导热 15
3.1 非稳态导热过程的特点 15
3.2 集总参数法 16
3.3 内部热阻不可忽略的物体在第三类边界条件下的非稳态导热和诺谟图 18
3.3.1 无限大平壁的分析解和诺谟图 18
3.3.2 无限长圆柱体的诺谟图 21
3.3.3 二维和三维非稳态导热 23
4 导热问题数值解法 25
4.1 离散化和差商 25
4.2 稳态导热问题的数值计算 27
4.2.1 内部节点的有限差分方程 27
4.2.2 边界节点的有限差分方程 28
4.2.3 节点差分方程组的求解 31
4.3 非稳态导热问题的数值计算 32
4.3.1 内部节点的显示差分方程 32
4.3.2 边界节点的显示差分方程 32
4.3.3 显式差分格式的不稳定性 35
4.3.4 节点方程组求解 35
4.4 有限单元法 35
4.4.1 单元划分和温度场的离散 35
4.4.2 有限单元的总体合成 37
4.4.3 不稳定温度场的总体合成 39
4.4.4 无内热源平面稳定温度场计算举例 40
5 对流传热 45
5.1 对流传热概述 45
5.1.1 牛顿冷却公式 45
5.1.2 影响对流传热系数h的因素 45
5.2 边界层理论简介 46
5.2.1 流动边界层和热边界层 46
5.2.2 边界层对流传热微分方程组 48
5.3 相似原理在对流传热中的应用 50
5.3.1 相似原理简介 50
5.3.2 特征数实验关联式的确定和选用 51
5.3.3 对流传热特征数关联式的正确选用 53
5.4 单相流体对流传热特征数关联式 54
5.4.1 管内强迫对流传热 54
5.4.2 外掠物体时的强迫对流传热 56
5.4.3 自然对流时的换热 58
6 辐射传热 60
6.1 热辐射的基本概念 60
6.1.1 热辐射的本质 60
6.1.2 物体对热辐射的吸收、反射和透过 60
6.2 热辐射的基本定律 61
6.2.1 普朗克定律 61
6.2.2 斯忒藩－玻耳兹曼定律 62
6.2.3 兰贝特定律 63
6.2.4 克希荷夫定律 64
6.3 物体表面间的辐射换热 64
6.3.1 两平面组成的封闭体系的辐射换热 64
6.3.2 角度系数 66
6.3.3 两个任意表面组成的封闭体系的辐射换热 68
6.3.4 有隔热板时的辐射换热 68
6.4 气体辐射 69
6.4.1 气体辐射的特点 69
6.4.2 气体的黑度 70
6.4.3 气体和通道壁的辐射换热 72
6.4.4 火焰的辐射 72
第二篇 连铸过程中的热交换 72
7 连铸工艺中的热交换 74
7.1 连铸机热平衡 74
7.1.1 连铸凝固传热的过程及特点 74
7.1.2 传热量 75
7.1.3 连铸凝固传热特点 77
7.2 凝固潜热 78
7.2.1 凝固潜热的处理 78
7.2.2 温度补偿法 78
7.2.3 等效比热法 79
7.2.4 热焓法 79
8 结晶器中的热交换 80
8.1 钢水在结晶器内的凝固与传热 80
8.1.1 钢水在结晶器内的凝固过程 80
8.1.2 结晶器内的传热过程 80
8.2 结晶器内传热模型的建立 81
8.2.1 垂直方向散热 82
8.2.2 水平方向散热 82
8.3 结晶器传热量的计算 83
8.3.1 铸坯液芯与坯壳间的传热 83
8.3.2 坯壳与结晶器间的传热 84
8.3.3 结晶器铜壁与水之间的传热 85
8.4 结晶器冷却强度与坯壳厚度的关系 86
8.4.1 结晶器内的热平衡 87
8.4.2 对流换热系数ht与hw的确定 88
8.4.3 计算实例 89
9 二冷区的热交换 91
9.1 二冷区热平衡 91
9.1.1 二冷区传热 91
9.1.2 喷雾水滴与铸坯的热交换 91
9.1.3 二次冷却水制定原则 94
9.1.4 喷淋水滴速度和喷嘴压力 96
9.2 连铸机辊子与铸坯传热的研究 97
9.2.1 实测温度 97
9.2.2 辊子的热载荷 98
9.2.3 辊子的热平衡 100
9.2.4 计算实例 101
10 连铸坯温度场计算实例 104
10.1 实际计算工况 104
10.2 数学模型的描述 104
10.2.1 导热微分方程 104
10.2.2 初始条件及边界条件的确定 105
10.2.3 物性参数的确定 107
10.3 有限元计算结果 108
10.3.1 有限元网格的划分 108
10.3.2 铸坯在结晶器中温降情况 108
10.3.3 铸坯出二冷区的温度分布情况 110
10.3.4 实测值与模拟值的比较分析 111
10.3.5 铸坯的三维温度场分布云图 111
第三篇 热轧过程中热量传递 111
11 加热炉内热量传递 113
11.1 钢坯的加热过程 113
11.2 钢坯的加热工艺制度 113
11.2.1 钢坯的加热温度与速度 113
11.2.2 钢坯的加热制度与时间 115
11.3 炉内的热交换分析 119
11.3.1 炉膛内部传热分析 119
11.3.2 炉子的热平衡 121
11.3.3 热平衡方程和热平衡表 123
11.4 钢坯的温度场计算 123
11.4.1 预热段 124
11.4.2 加热段 125
11.4.3 均热段 127
12 钢坯在传输过程中的基本传热 129
12.1 高压水除鳞与钢坯的对流传热 129
12.1.1 一次高压水除鳞 129
12.1.2 低压喷水冷却 130
12.2 钢坯及中间坯的辐射传热 131
12.2.1 钢坯在辊道上传送时的传热 131
12.2.2 热流量的计算 133
12.2.3 保温罩的热传递 133
13 热卷箱内温度变化研究 135
13.1 热卷箱内温度变化数学模型 135
13.1.1 钢卷导热微分方程的描述 135
13.1.2 初始条件及边界条件的确定 136
13.1.3 材料的热物理参数及其他相关参数 137
13.2 模拟计算中关键问题的处理 137
13.2.1 计算模型的确定 138
13.2.2 模拟过程参数选择 139
13.2.3 数值模拟方案的确定 140
13.3 热卷箱内温度场的模拟计算结果与分析 141
13.3.1 计算条件的确定 141
13.3.2 影响热卷箱内中间坯温度的主要因素 147
13.4 现场实际问题分析 149
14 轧制过程中的传热 151
14.1 粗轧过程中温降及热量损失 151
14.1.1 轧件的温降 151
14.1.2 轧件的温升 152
14.2 精轧过程中温降及热量损失 154
14.2.1 精轧过程热量传递特点 154
14.2.2 带钢在精轧机组中的温降方程 154
14.3 热轧过程温降计算实例 156
14.3.1 整个轧制过程中的温降 157
14.3.2 成品厚度对轧件温度的影响 157
14.3.3 一次高压水除鳞引起的温降 159
14.3.4 粗轧段温降 160
14.3.5 二次除鳞温降 161
14.3.6 精轧段温降 161
14.3.7 轧制速度对精轧温降的影响 162
14.3.8 水冷换热系数对轧件温降的影响 163
14.3.9 不同钢种的模拟值与实测值比较 164
15 轧后冷却辊道的温降 168
15.1 层流冷却作用 168
15.2 层流冷却温度的控制模型 169
15.2.1 带钢辐射传热模型 169
15.2.2 强迫对流冷却传热模型 169
15.2.3 物性参数的确定 171
15.3 相变动力学模型 172
15.4 带钢层流冷却温度计算实例 173
16 钢卷冷却过程的传热分析 175
16.1 基本方程 175
16.1.1 钢卷的导热微分方程 175
16.1.2 边界条件的确定 176
16.1.3 钢卷冷却过程中的相变处理 176
16.2 对流换热系数h1、h2、h3的确定 176
16.2.1 钢卷自然冷却情况 176
16.2.2 钢卷强制换热情况 177
16.3 径向导热系数的确定 178
16.4 钢卷冷却过程的温度场计算实例 179
参考文献 182