การศึกษาเชิงตัวเลขของการกระจายอุณหภูมิของแท่งเหล็กจากการแผ่รังสีความร้อนระหว่างพื้นผิวภายในเตาเผาเหล็ก

Abstract

งานวิจัยนี้ศึกษาการกระจายตัวอุณหภูมิในแท่งเหล็กของพื้นผิวปิดล้อมภายในเตาเผาเหล็กด้วยระเบียบวิธีเชิงตัวเลขเพื่อแก้ปัญหาสมการจากแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่สร้างขึ้น เตาเผาเหล็กแบบผลักดัน (pusher type) ถูกนำมาใช้ในศึกษาและวิเคราะห์หาค่าการถ่ายเทความร้อนแต่ละพื้นผิวภายในเตาเผาเหล็กในส่วนของ soaking zone เนื่องจากกระบวนการเผาเหล็กเป็นกระบวนการที่มีอุณหภูมิสูง ดังนั้นการถ่ายเทความร้อนจึงมีเพียงแค่การแผ่รังสีความร้อนเท่านั้น โดยแท่งเหล็กจะได้รับความร้อนฟลักซ์ที่ผิวด้านบนของแท่งเหล็ก การกระจายตัวอุณหภูมิในแท่งเหล็กถูกวิเคราะห์เป็นสองมิติภายใต้สภาวะคงตัว และคำนวณหาค่าอุณหภูมิของแต่ละจุดด้วยระเบียบวิธีเชิงตัวเลขแบบผลต่างสืบเนื่อง (finite difference method) โดยใช้การคำนวณซ้ำด้วยวิธีเกาส์-ไซเดล (gauss-seidel) ซึ่งเปรียบเทียบผลการคำนวณกับค่าที่ตรวจวัดจากโรงงาน โดยงานวิจัยนี้วิเคราะห์ค่าตัวประกอบการมองเห็นของพื้นผิวแท่งเหล็กที่ถูกแบ่งเป็นชิ้นเล็ก ๆ และศึกษาผลของความหนาฉนวนผนังเตา , ผลของเปลวไฟ และผลของอุณหภูมิพื้นเตาต่อการกระจายตัวอุณหภูมิในแท่งเหล็ก จากการเปรียบเทียบระหว่างผลที่ได้จากแบบจำลองกับผลจากการตรวจวัดพบว่าค่ามีความสอดคล้องเป็นที่ยอมรับได้ การกระจายตัวของอุณหภูมิในแท่งเหล็กมีลักษณะเป็นการนำความร้อนแบบเชิงเส้นหนึ่งมิติจากผิวบนสู่ผิวล่าง โดยที่อุณหภูมิตรงกลางแท่งเหล็กมีค่าสูงเนื่องจากเป็นบริเวณที่อยู่ใกล้กับเปลวไฟ จากสมดุลความร้อนของแท่งเหล็กพบว่าการสูญเสียความร้อนผ่านผนังเตามีค่าสูงสุด ดังนั้นเมื่อทำการหุ้มฉนวนผนังเตาจึงส่งผลให้อุณหภูมิแท่งเหล็กสูงขึ้นแต่ความสม่ำเสมอของอุณหภูมิแท่งเหล็กลดลง เพราะว่าแบบจำลองกำหนดอุณหภูมิพื้นผิวด้านล่างแท่งเหล็กคงที่ ส่วนค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานรวมแท่งเหล็กมีค่าลดลงโดยการลดอุณหภูมิเปลวไฟ และเพิ่มอุณหภูมิพื้นเตาส่งผลให้กระจายตัวอุณหภูมิในแท่งเหล็กมีความสม่ำเสมอมากขึ้น นอกจากนี้ส่งผลการแผ่รังสีความร้อนจากเปลวไฟและการสูญเสียความร้อนผ่านพื้นเตามีค่าลดลงด้วย ซึ่งสามารถลดการสูญเสียความร้อนผ่านพื้นเตาได้ด้วยการหุ้มฉนวนที่พื้นเตา