CN102799723B - 一种马弗炉加热能力计算及预测仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种马弗炉加热能力计算及预测仿真方法，包括以下步骤：建立马弗工作温度计算的有限元模型；计算马弗边界温度为初始值条件下带钢的平均温度；根据带钢热处理工艺温度和带钢的平均温度，计算马弗工作温度区间；根据马弗工作温度区间及其对应的带钢的平均温度，利用线性插值和有限元仿真计算马弗工作温度；输出马弗工作温度，根据计算得到的马弗工作温度，调整马弗实际工作温度。本发明的提出了一种马弗炉加热能力计算和预测仿真方法，可以根据工业实际生产过程中带钢规格、带钢运行速度以及钢材热处理工艺的变化，对马弗炉的加热能力作出相应的精确调整。
Description
技术领域
本发明属于热处理技术领域，特别是一种马弗炉加热能力计算及预测仿真方法。
背景技术
金属带连续热处理用的立式光亮退火炉适用于不锈钢带、铜带或铝带的连续退火，同时保证退火后金属带的表面光亮度。
通常，金属带连续热处理用的立式光亮退火炉是由以下部分组成的：①入口密封部件；②加热段，金属带在加热段被加热到预定温度；③缓冷段，缓冷段缓慢降低该金属带的温度；④快冷段，快冷段快速降低该金属带的温度；⑤顶部转向辊装置，转变金属带运行方向，使得冷却后的金属带向下传送；⑥出口密封部件，防止气体泄漏和外面的气体进入炉内。
其中，加热段结构可使用马弗炉。马弗炉内有一个圆柱形马弗，马弗外有电阻带或烧嘴，通过加热马弗来加热在马弗中运行的金属带。马弗炉加热段的最大长度约为28米，最高温度可达1150℃。马弗炉作为立式光亮退火炉的加热段，其加热能力需要在工业实际生产过程中根据带钢规格（带厚）、带钢运行速度以及钢材热处理工艺的需要做出相应精确调整，以保证获得高质量的光亮退火板。然而，到目前为止，工业实际生产过程中根据经验对马弗炉加热能力作调整存在调整周期长，生产成本高且难以获得高质量的光亮退火板的问题。因此，通过马弗炉加热能力计算及预测仿真方法，根据工业实际生产过程中带钢规格（带厚）、带钢运行速度以及钢材热处理工艺的变化做出相应加热能力的精确调整就显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提出一种马弗炉加热能力计算及预测仿真方法，可以根据工业实际生产过程中带钢规格（带厚）、带钢运行速度以及钢材热处理工艺的变化，对马弗炉的加热能力作出相应的精确调整。
为了实现上述目的本发明包括以下步骤：
（1）建立马弗工作温度计算的有限元模型；
建立模型的步骤如下：
（1.1） 通过CAE软件建立马弗加热能力计算的几何模型，其中几何模型中有马弗和带钢两个对象；
（1.2） 对几何模型划分网格；由于带钢较薄，为保证传热计算质量，厚度方向网格应细些；对几何模型进行网格划分时，厚度方向可划分为八层网格；
（1.3） 对有限元模型中的对象施加热物性参数；包括密度、比热、热导率和黑度等；
（1.4） 设置带钢的初始温度：将马弗入口处的带钢温度作为带钢初始温度；
（1.5） 施加热辐射边界条件，其中辐射换热角系数通过软件提供的Monte-Carlo方法计算得到；
（1.6） 设置分析类型和分析时间：采用瞬态传热分析方式，分析时间为带钢在马弗炉内的总的加热时间；
（1.7） 提交作业程序进行计算，若计算收敛，则认为模型计算可靠，若不收敛，则需返回到步骤（1.1），修改模型，直至计算收敛为止。
（2）计算马弗边界温度(Tm)0条件下带钢的平均温度(Ts)0；
根据带钢热处理工艺温度T，预估马弗工作温度(Tm)n的初始值(Tm)0，并将其代入马弗工作温度计算的有限元模型，得到此马弗边界温度(Tm)0条件下带钢的平均温度(Ts)0；
进一步的，马弗边界温度初始值根据带钢的热处理工艺温度确定，根据经验可以设置(Tm)0＝T＋20℃。
（3）根据带钢热处理工艺温度T和带钢的平均温度(Ts)0，计算马弗工作温度区间；
具体步骤如下：
（3.1）判断│T－(Ts)0│≤△ε是否成立，若成立，则跳到步骤（6）将马弗工作温度值设置为(Tm)0；其中△ε为温度容差；
（3.2）若│T－(Ts)0│≤△ε不成立，当(Ts)0＜T，则按公式 对马弗工作温度(Tm)n进行调节，将调节后的马弗工作温度(Tm)n作为马弗边界温度，代入马弗工作温度计算模型继续进行计算，得到相应的带钢温度(Ts)n，每次计算结束后都按式(Ts)n＜T进行判断，计算一直进行到马弗工作温度(Ts)n＞T为止，记录此时的(Tm)n和n值， 记录(Tm)n-1值，其中n的初始值为0，每重新计算一次，n增加1；
（3.3）当(Ts)0＞T，则将则将马弗工作温度(Tm)n按公式进行调节，将调节后的马弗工作温度(Tm)n作为马弗边界温度，代入马弗工作温度计算模型继续进行计算，得到相应的带钢温度(Ts)n，每次计算结束后都按式(Ts)n＞T进行判断，计算将一直进行到马弗工作温度(Ts)n＜T为止，记录此时的(Tm)n和n值，记录(Tm)n-1值；其中n初始值为0，每重新计算一次，n增加1。
（4）输出马弗工作温度区间[(Tm)n-1， (Tm)n]。
（5）根据马弗工作温度区间及其对应的带钢的平均温度，利用线性插值和有限元仿真计算马弗工作温度；
具体采取以下步骤：
（5.1）对[(Tm)n-1，(Ts)n-1]和[(Tm)n，(Ts)n]温度区间进行线性插值，计算(Ts)n＝T时对应的马弗工作温度Tm(q)，将Tm(q)作为马弗的边界温度代入马弗工作温度计算的有限元模型中，得到相应的带钢温度Ts(q)，若满足│T－Ts(q)│≤△ε，则表示实际马弗工作温度为Tm(q)，跳到步骤（6）将马弗工作温度值设置为Tm(q)；
（5.2）若│T－Ts(q)│≤△ε关系式不成立，当Ts(q)＜T，按区间[Tm(q)，Ts(q)]和[(Tm)n，(Ts)n]重新进行插值；而当Ts(q)＞T，按区间[(Tm)n-1，(Ts)n-1]和[Tm(q)，Ts(q)]重新进行插值，每次插值完成之后都需将插值得到的马弗工作温度Tm(q)代入马弗工作温度计算的有限元模型重新进行计算，再根据计算结果判断│T－Ts(q)│≤△ε关系式是否成立，插值和马弗工作温度的有限元计算将继续进行至满足条件│T－Ts(q)│≤△ε为止，此时的Ts(q)对应的Tm(q)即为实际马弗工作温度；其中q表示插值次数，初始值为1，插值每增加一次，q增加1。
进一步的，为提高计算精度，取△ε为0.5。
（6）输出马弗工作温度，在实际生产过程中，根据计算得到的马弗工作温度Ts(q)，调整马弗实际工作温度。
本发明的有益效果是：
一、与单一的有限元计算相比，本方法采用有限元仿真与数学插值计算相结合的方法，既保证了计算结果的精度，又缩短了马弗工作温度计算的时间。
二、与简单的热平衡计算相比，本方法通过有限元软件合理划分网格，采用软件自带的Monte-Carlo法精确计算马弗/带钢模型单元边之间的辐射换热，并考虑带钢内部的热传导，大幅度提高了马弗和带钢之间传热计算的精度。
三、与人工经验设定马弗工作温度相比，本方法可以根据带钢宽度、厚度、带钢热处理工艺温和加热时间等对马弗工作温度做出精确调整，缩短生产周期，减小生产成本。
附图说明
图1 为本发明实施方式的马弗加热能力计算流程图。
图2 为本发明实施方式的马弗工作温度有限元模型计算带钢温度的流程图。
图3 为本发明实施方式的马弗工作温度区间计算的流程图。
图4 为本发明实施方式的马弗工作温度计算的有限元模型几何图。
图5 为本发明实施方式的带钢温度场有限元模型的计算结果。
具体实施方式
以厚1mm、宽1200mm的奥氏体不锈钢为研究对象对本发明的马弗炉加热能力计算及预测仿真方法进行说明，该奥氏体不锈钢的热处理工艺温度为1110℃。
本实施方式的实施流程如图1所示。
建立马弗工作温度计算的有限元模型。
流程如图2所示，主要包括：
首先获取马弗和带钢的几何尺寸参数，利用CAE软件建立马弗和带钢辐射换热的二维模型，考虑到马弗截面结构的对称性，为了减小计算量，本实施方式建立1/4的截面几何模型进行分析，如图4所示。本实施方式中应用的软件为MSC.MARC软件。
其次对有限元模型进行网格划分，由于带钢较薄，为保证传热计算质量，厚度方向划分为八层网格。施加辐射边界条件和温度边界条件，马弗和带钢之间的辐射换热通过MARC软件自动计算获得，马弗边界温度根据带钢的热处理工艺温度确定，(Tm)0＝T＋20℃，带钢初始温度为马弗入口处的带钢温度。
接着设置模型的热物性参数，包括热辐射率，密度和比热。然后设置分析时间和参数，分析时间为马弗加热带钢的总时间，对有限元模型进行瞬态传热分析，得到带钢温度的计算结果，如图5所示。
将带钢温度场的有限元计算结果导入ORIGIN 7.5数据处理软件中，对带温数据进行处理后，可得到带钢的平均温度。
计算马弗工作温度区间并最终计算马弗工作温度。计算马弗工作温度区间过程如图3所示。取△ε＝0.5℃，可保证计算结果有足够的精度，表1中给出的是马弗工作温度计算过程中的各个结果，计算得到马弗工作温度区间为1130～1248℃，通过马弗工作温度有限元仿真计算及插值计算确定实际马弗工作温度，具体过程为：对温度区间[1130，992]和[1248，1213.4]进行内插值，可得到带钢平均温度为1110℃时对应的马弗工作温度Tm(1)为1193℃。将Tm(1)作为马弗边界温度，代入马弗工作温度有限元模型中进行计算，得到马弗边界温度Tm(1)条件下带钢的平均温度Ts(1)为1112.9℃，不满足判别式│T－Ts(1)│≤0.5，并且Ts(1)＞T，需要进行第二次插值；对温度区间[1130，992]和[1193，1112.9]进行内插值，计算方法同上，可得到Tm(2)为1192℃，而后通过仿真计算得到Ts(2)为1110.4℃，满足判别式│T－Ts(1)│≤0.5，由此可知实际马弗工作温度为1192℃。
表1 马弗工作温度的计算过程及中间结果
| 马弗工作温度(Tm)n /℃ | 1130 | 1248 | 1193 | 1193 | 1192 | 1192 |
| 带钢平均温度(Ts)n /℃ | 992 | 1213.4 | 1110 | 1112.9 | 1110 | 1110.4 |
| 马弗工作温度区间计算时的n值 | 0 | 1 | ||||
| 不锈钢热处理工艺温度（1110℃）与有限元计算值的差值的绝对值/℃ | 118 | 103.4 | 2.9 | 0.4 | ||
| 实际马弗工作温度计算时插值次数q | 1 | 2 | ||||
| 实际马弗工作温度有限元计算次数q | 1 | 2 |
Claims (7)
1.一种马弗炉加热能力计算及预测仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)建立马弗工作温度计算的有限元模型；
(2)计算马弗边界温度为初始值(Tm)0条件下带钢的平均温度(Ts)0；其中初始值(Tm)0是根据带钢热处理工艺温度T预估马弗工作温度得到，将(Tm)0代入马弗工作温度计算的有限元模型计算得到带钢的平均温度(Ts)0；
(3)根据带钢热处理工艺温度T和带钢的平均温度(Ts)0，计算马弗工作温度区间；
(4)输出马弗工作温度区间；
(5)根据马弗工作温度区间及其对应的带钢的平均温度，利用线性插值和有限元仿真计算马弗工作温度；
(6)输出马弗工作温度，根据计算得到的马弗工作温度Ts(q)，调整马弗实际工作温度；
其中，步骤(1)建立马弗工作温度计算的有限元模型包括以下步骤：
(1.1)通过CAE软件建立马弗加热能力计算的几何模型，其中几何模型中有马弗和带钢两个对象；
(1.2)对几何模型划分网格；
(1.3)对有限元模型中的对象施加热物性参数；
(1.4)设置带钢的初始温度：将马弗入口处的带钢温度作为带钢初始温度；
(1.5)施加热辐射边界条件，其中辐射换热角系数通过软件提供的Monte-Carlo方法计算得到；
(1.6)设置分析类型和分析时间：采用瞬态传热分析方式，分析时间为带钢在马弗炉内的总的加热时间；
(1.7)提交作业程序进行计算，若计算收敛，则认为模型计算可靠，若不收敛，则需返回到步骤(1.1)，修改模型，直至计算收敛为止。
2.根据权利要求1所述的马弗炉加热能力计算及预测仿真方法，其特征在于：在步骤(1.2)中，对几何模型进行网格划分时，厚度方向划分为八层网格。
3.根据权利要求1所述的马弗炉加热能力计算及预测仿真方法，其特征在于：在步骤(1.3)中，对有限元模型中的对象施加热物性参数包括：密度、比热、热导率和黑度。
4.根据权利要求1所述的马弗炉加热能力计算及预测仿真方法，其特征在于：步骤(2)中，马弗边界温度初始值根据带钢的热处理工艺温度确定，(Tm)0＝T+20℃。
5.根据权利要求1所述的马弗炉加热能力计算及预测仿真方法，其特征在于：步骤(3)计算马弗工作温度区间包括以下步骤：
(3.1)判断│T－(Ts)0│≤△ε是否成立，若成立，则跳到步骤(6)将马弗工作温度值置为(Tm)0；其中△ε为温度容差；
(3.2)若│T－(Ts)0│≤△ε不成立，当(Ts)0＜T，则按公式(Tm)n＝(Tm)n-1+|T-(Ts)n-1|对马弗工作温度(Tm)n进行调节，将调节后的马弗工作温度(Tm)n作为马弗边界温度，代入马弗工作温度计算的有限元模型继续进行计算，得到相应的带钢温度(Ts)n，每次计算结束后都按式(Ts)n＜T进行判断，计算一直进行到马弗工作温度(Ts)n＞T为止，记录此时的(Tm)n和n值，记录(Tm)n-1值，其中n的初始值为0，每重新计算一次，n增加1；
(3.3)当(Ts)0＞T，则将则将马弗工作温度(Tm)n按公式(Tm)n＝(Tm)n-1-|T-(Ts)n-1|进行调节，将调节后的马弗工作温度(Tm)n作为马弗边界温度，代入马弗工作温度计算的有限元模型继续进行计算，得到相应的带钢温度(Ts)n，每次计算结束后都按式(Ts)n＞T进行判断，计算将一直进行到马弗工作温度(Ts)n＜T为止，记录此时的(Tm)n和n值，记录(Tm)n-1值；其中n初始值为0，每重新计算一次，n增加1。
6.根据权利要求5所述的马弗炉加热能力计算及预测仿真方法，其特征在于：温度容差△ε为0.5。
7.根据权利要求5所述的马弗炉加热能力计算及预测仿真方法，其特征在于：在步骤(5)计算马弗工作温度时，采取以下步骤：
(5.1)对[(Tm)n-1，(Ts)n-1]和[(Tm)n，(Ts)n]温度区间进行线性插值，计算(Ts)n＝T时对应的马弗工作温度Tm(q)，将Tm(q)作为马弗的边界温度代入马弗工作温度计算的有限元模型中，得到相应的带钢温度Ts(q)，若满足│T－Ts(q)│≤△ε，则表示实际马弗工作温度为Tm(q)，跳到步骤(6)将马弗工作温度值置为Tm(q)；
(5.2)若│T－Ts(q)│≤△ε关系式不成立，当Ts(q)＜T，按区间[Tm(q)，Ts(q)]和[(Tm)n，(Ts)n]重新进行插值；而当Ts(q)＞T，按区间[(Tm)n-1，(Ts)n-1]和[Tm(q)，Ts(q)]重新进行插值，每次插值完成之后都需将插值得到的马弗工作温度Tm(q)代入马弗工作温度计算的有限元模型重新进行计算，再根据计算结果判断│T－Ts(q)│≤△ε关系式是否成立，插值和马弗工作温度的有限元计算将继续进行至满足条件│T－Ts(q)│≤△ε为止，此时的Ts(q)对应的Tm(q)即为实际马弗工作温度；其中q表示插值次数，初始值为1，插值每增加一次，q增加1。
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