CN103559334A - 一种层流冷却温度场的建模方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种层流冷却温度场的建模方法，具体为：将带钢沿长度和厚度方向划分为网格；将带钢运动转换为冷水阀门的反向同速运动，计算当前时刻冷水阀门相对带钢的位置，以判定钢段处于水冷散热模式还是空冷散热模式；在对应散热模式下，对钢段的表层钢块按照热辐射散热、空气对流散热、水对流散热和热传导散热进行温度计算，对钢段的内层钢块层按照热传导散热进行温度计算。本发明还提供了实现上述方法的系统。本发明能够确定钢板在层流冷却过程中每个时刻的温度值，同时获取钢板在厚度和长度方向的温度场，对层流冷却生产过程有很好的指导作用。

Description

一种层流冷却温度场的建模方法及系统

技术领域

本发明属于钢铁冶金领域，具体而言，它是一种层流冷却温度场的建模方法及系统。

背景技术

钢铁工业是支持国民经济发展的重要支柱产业，现代钢铁工业的发展水平是一个国家技术进步和综合国力的重要体现。对于热轧带钢，其性能不仅取决于热轧工艺，更决定于轧制之后的控制冷却技术。热卷取温度能否控制在要求范围之内，则主要取决于对精轧机后热带钢冷却系统的控制。

通常卷取温度随钢种变化而变化，即使相同钢种，如果碳等微量元素的含量不同，卷取温度也有不同的要求。多数钢种的卷取温度在670℃以下，约为570℃～650℃。通常，热带钢从精轧机组出来的终轧温度约为800℃～900℃，而大部份热轧钢生产线的输出辊道都在几十到一百多米，带钢在此段辊道上的运行时间一般为几秒到几十秒之间。在如此短的时间内要使带钢温度降低200℃～350℃，仅靠带钢在输出辊道上的自然冷却是不可能的，必须要在输出辊道上设置高效率冷却的喷水装置，对带钢上下表面喷水进行强制冷却，并对喷水量进行准确控制，以满足卷取温度的控制要求。

由于钢板的性能与钢板内部温度分布以及变化速率有关，因此对钢板内部的温度场的计算测量就是冶金领域非常重要的问题，但是，由于轧后水冷过程中会产生水蒸气使钢板表面的温度测量非常困难，而且现有科技条件下钢板内部温度是不可测量的，因此一般情况下在工业生产中采用建立温度场的模型方法，通过温度场的模型来计算钢板内部温度的分布和变化速率。现有的温度场模型一般只考虑厚度方向的一维的温度场忽略长度方向的温度波动，或者有些薄钢板只考虑长度方向的温度场而将厚度方向的温度差异忽略。有些层流冷却温度场模型考虑了长度和厚度方向的温度场，但是仅仅是某一时刻的温度分布，无法对整个生产过程中每个时刻的温度场都进行描述。

发明内容

本发明针对现有带刚温度场建模方法的不足，提供一种带钢层流冷却温度场的建模方法及系统，其目的在于能够确定钢板在层流冷却过程中每个时刻的温度值，同时获取钢板在厚度和长度方向的温度场，对层流冷却生产过程有很好的指导作用，克服了现有技术温度测量不全面和实时性差的问题。

一种热轧带钢层流冷却温度场建模方法，包括以下步骤：

（1）带钢网格划分步骤：

将带钢沿长度和厚度方向划分为网格，令第i段第j层的钢块表示为（i,j），i＝1,…,M，j＝1,…,N，M表示总段数，N表示总层数；

（2）钢段冷却模式确定步骤：

将带钢运动转换为冷水阀门的反向同速运动，计算当前时刻冷水阀门相对带钢的位置；若带钢的第i段钢正对冷水阀门处，则判定第i段钢处于水冷散热模式，否则，判定第i段钢处于空冷散热模式；

（3）钢块温度计算步骤，包括表面钢块温度计算子步骤和内部钢块温度温度计算子步骤，具体为：

表面钢块温度计算子步骤：计算第i段钢上表面钢块（i,1）和下表面钢块（i,N）的热含量变化dQ_(i,1)＝dQ_(i,N)＝dQ_辐射+dQ_表面对流+dQ_{内节点传热}，dQ_辐射表示钢块（i,1）或（i,N）表面辐射的热量变化率，dQ_表面对流表示钢块（i,1）或（i,N）在水冷散热模式下或空冷散热模式下的对流散热变化率，dQ_{内节点传热}表示钢块（i,1）或（i,N）与其同段钢内相邻节点的传热变化率；对第i段钢表面钢块（i,1）和（i,N）的热含量变化率积分运算得到钢块（i,1）和（i,N）在当前时刻的热量，进而确定钢块（i,1）和（i,N）在当前时刻的温度；

内部钢块温度温度计算子步骤：计算第i段钢内的钢块（i,j）,j＝1,…,N-1的热含量变化率dQ_(i,j)＝dQ_(i,j-1)+dQ_(i,j+1)；对第i段钢内部钢块（i,j）,j＝1,…,N-1的热含量变化率积分运算得到钢块（i,j）,j＝1,…,N-1在当前时刻的热量，进而确定钢块（i,j）,j＝1,…,N-1在当前时刻的温度。

进一步地，所述钢块（i,1）或（i,N）在水冷散热模式下或空冷散热的对流散热变化率dQ_表面对流的计算方法为：

dQ_表面对流＝F·α·(T′-T₀)·dτ

F为钢块（i,1）或（i,N）的表面积，α为水冷散热模式下或空冷散热的对流散热系数，T′为钢块（i,1）或（i,N）在前一时刻的温度值，T₀为带钢的初始温度，τ表示时间。

进一步地，所述对水冷散热模式或空冷散热模式下的流散热系数α按照如下方式确定：

定义时间段Δτ内，表面积为F的钢板在水流冷却或者空气冷却作用下由温度T₁降到T₂，表面积为F的钢板在时间段Δτ内的散热量Q_表面对流，计算温度(T₁-T₂)/2处的对流散热系数α＝Q_表面对流/F·(T₁-T₂)·Δτ。

一种热轧带钢层流冷却温度场建模系统，包括

带钢网格划分模块，用于将带钢沿长度和厚度方向划分为网格，令第i段第j层的钢块表示为（i,j），i＝1,…,M，j＝1,…,N，M表示总段数，N表示总层数；

钢段冷却模式确定模块，用于将带钢运动转换为冷水阀门的反向同速运动，计算当前时刻冷水阀门相对带钢的位置；若带钢的第i段钢正对冷水阀门处，则判定第i段钢处于水冷散热模式，否则，判定第i段钢处于空冷散热模式；

钢块温度计算模块，包括表面钢块温度计算子模块和内部钢块温度温度计算子模块；

表面钢块温度计算子模块，用于计算第i段钢上表面钢块（i,1）和下表面钢块（i,N）的热含量变化dQ_(i,1)＝dQ_(i,N)＝dQ_辐射+dQ_表面对流+dQ_{内节点传热}，dQ_辐射表示钢块（i,1）或（i,N）表面辐射的热量变化率，dQ_表面对流表示钢块（i,1）或（i,N）在水冷散热模式下或空冷散热模式下的对流散热变化率，dQ_{内节点传热}表示钢块（i,1）或（i,N）与其同段钢内相邻节点的传热变化率；对第i段钢表面钢块（i,1）和（i,N）的热含量变化率积分运算得到钢块（i,1）和（i,N）在当前时刻的热量，进而确定钢块（i,1）和（i,N）在当前时刻的温度；

内部钢块温度温度计算子模块，用于计算第i段钢内的钢块（i,j）,j＝1,…,N-1的热含量变化率dQ_(i,j)＝dQ_(i,j-1)+dQ_(i,j+1)；对第i段钢内部钢块（i,j）,j＝1,…,N-1的热含量变化率积分运算得到钢块（i,j）,j＝1,…,N-1在当前时刻的热量，进而确定钢块（i,j）,j＝1,…,N-1在当前时刻的温度。

本发明的有益技术效果体现在：

本发明针对热轧带钢过程中层流冷却过程设计了温度模型的建模方法。将钢板按照长度和厚度两个方向划分为网格小块，针对不同段和不同层分别进行温度计算，增加了钢板温度场的精确性。通过控制冷却机构的移动来模拟钢板的移动，简化了钢板运动轨迹的计算；针对不同厚度层的特征采用不同的散热模块。不同的散热模块在不同的时间、空间内作用既可以相互联系相互耦合，又有一定的独立性，修改一个模块的参数不会影响其他模块的准确性。抓住带钢层流冷却过程的特点，运用以静制动的方法对层流冷却过程进行全面重点的描述。

作为优化，在表层钢块温度计算过程中，利用历史对流散热值迭代更新确定当前对流散热值，提高了计算精度。

总而言之，本模型不仅可以获取层流冷却钢板动态的温度变化趋势，而且可以计算出每个时刻层流冷却钢板的温度变化以及钢板沿厚度和长度方向的温度，对层流冷却的生产过程有很好的指导价值。

附图说明

图1是本发明建模方法流程图；

图2是本发明厚度方向温度场建立示意图；

图3是本发明长度方向温度场建立示意图；

图4是本发明钢板位置控制计算过程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参见图1，本发明建模方法具体为：

（1）带钢网格划分步骤：

在层流冷却过程中当钢板的厚度达到一定数量时，由于内部热传导的速率比水冷散热的速率慢很多，就造成了表层温度与内部温度不一致的现象，因此这时不能把钢板的表面温度和内部温度作为一致来处理。如图2所示，本发明沿钢板的厚度方向自上而下将钢板划分为N层，具体N的数值根据钢板的厚度大小，以及钢板要求的终轧温度精确度进行确定。其中第1层和第N层是钢板的上下表层，因此存在热辐射散热、空气对流换热、水对流换热；同时，第1层和第N层还存在与钢板内部相邻层的热传导换热。内部各层第2层到第n-1层存在向上向下两个方向的热传导。

层流冷却生产条件不能保证层流冷却初始温度稳定输入，而且由于钢板再生产过程中采用的是加速运行的方式，为了减少带钢温度和速度的波动对温度场模型的影响，如图3所示，本发明将长度方向划分为等长度的M段，每段的长度等于冷却区单个阀门区的长度。

经过长度和厚度方向的划分得到网格令，网格中第i段第j层的钢块表示为（i,j），i＝1,…,M，j＝1,…,N，M表示总段数，N表示总层数。在每一钢块内每一点的温度一致，这样经过带钢分段处理带钢的温度模型就转换为每段的温度模型。

（2）钢段冷却模式确定步骤：

当钢板在空冷区运行的时候，钢板表面的散热方式为空气对流散热、热辐射散热以及与钢板内部层热传导。当钢板运行到水冷区的下方时，钢板的散热方式转换为水对流散热、热辐射散热以及与钢板内部层热传导。仅空气对流散热和水对流散热两者进行的切换。由于钢板运行时每个结点都在运动，而且速度随时间的变化而变化计算每个模块的运行轨迹非常复杂，因此本发明将带钢运动转换为冷水阀门的反向同速运动，替代计算确定钢段是否处于水冷散热位置。

将带钢运动转换为冷水阀门的反向同速运动，计算当前时刻冷水阀门相对带钢的位置；若带钢的第i段钢正对应冷水阀门处，则判定第i段钢处于水冷散热模式，否则，判定第i段钢处于空冷散热模式。

图4所示为钢板运行位置计算示意图。结合图3所示，本模型是运用水对流散热工作位置的相对运动来模拟钢板的运行。钢板运行位置计算法计算出钢板是否运行到水冷区域。如图所示当冷却阀门运行到钢板第i-2块和第i-1块的下方，阀门开启对本块进行喷水，此两块的水对流散热进行工作，而第i块、第i+1块、第i+2等各块则进行空气对流散热工作。钢板运行位置计算法实时采集钢板第i块的相对于阀门的运行速度v并对其进行积分，得到的结果就是阀门相对钢板的位置s，同时，每个时刻的s与设定开启的阀门区域L1、L2、L3等进行对比，如果s在阀门区第i块的水对流散热就开始工作，当s离开阀门区空气对流散热工作，第i-1块的水对流散热开始工作。随着时间的变化，水冷换热与空冷换热不断切换，阀门工作的位置相对钢板发生移动，以此来模拟钢板在层流冷却区域的运动。

(3)钢块温度计算步骤：

各钢段的第1层和第N层发生热辐射散热、空气对流散热、水对流散热、热传导散热；第2层到第N-1层仅发生热传导散热。当带钢运行到冷水阀门下方，阀门开启对下方的钢块进行喷水，该钢块的就进行水对流散热；否则，进行空气对流换热。

（31）计算表面钢块温度

计算第i段钢表面钢块（i,1）和（i,N）的热含量变化率dQ_(i,1)＝dQ_(i,N)＝dQ_辐射+dQ_表面对流+dQ_{内节点传热}，dQ_辐射表示钢块（i,1）或（i,N）表面辐射的热量变化率，dQ_表面对流表示钢块（i,1）或（i,N）在水冷散热模式下或空冷散热的对流散热变化率，dQ_{内节点传热}表示钢块（i,1）或（i,N）与其同段钢内相邻节点的传热变化率；对第i段钢表面钢块（i,1）和（i,N）的热含量变化率积分运算得到钢块（i,1）和（i,N）在当前时刻的热量，进而根据热量计算钢块（i,1）和（i,N）在当前时刻的温度。

水对流换热与空气对流换热的不同在于两者的对流换热系数不同，因此采用同一个公式进行计算。所述钢块（i,1）或（i,N）在水冷散热模式下或空冷散热的对流散热变化率dQ_表面对流的计算方法为：

dQ_表面对流＝F·α·(T′-T₀)·dτ

F为钢块（i,1）或（i,N）的表面积，α为水冷散热模式下或空冷散热的对流散热系数，T′为钢块（i,1）或（i,N）在前一时刻的温度值，T₀为带钢的初始温度，τ表示时间，d表示微分。

定义时间段Δτ内，表面积为F的钢板在水流冷却作用下由温度T₁降到T₂，表面积为F的钢板在时间段Δτ内的散热量Q_表面对流，计算温度(T₁-T₂)/2处的对流散热系数α＝Q_表面对流/F·(T₁-T₂)·Δτ。通过建立表格的方法建立起不同温度处对应的对流散热系数α数值，在两个温度值中间对应的对流散热系数α采用插值法进行计算，实际应用中通过查表法即可快速获取α值。空冷散热模式下的散热系数的确定与上述方法相同。

钢块（i,1）或（i,N）表面辐射的热量变化率dQ_辐射计算是根据高温热轧件单位面积和单位时间热辐射能量遵循Stefen-Boltzman定律，其具体描述如下：

式中，ε为带钢的黑度，其值为0～1，带钢表面氧化皮较多时取0.8，表面平滑取0.55～0.65；σ为热辐射系数，即Stefen-Boltzman系数，σ＝5.67W/(m^２·K⁴)；T_α为环境温度。

（32）计算内部钢块温度

计算第i段钢内的钢块(i,j),j=1,...,N-1的热含量变化率

dQ^j-1 _(i,j)是指钢块（i,j）与钢块（i,j-1）之间的热含量变化率，dQ^j+1 _(i,j)是指钢块（i,j）与钢块（i,j+1）之间的热含量变化率；对第i段钢内部钢块（i,j）,j＝1,…,N-1的热含量变化率积分运算得到钢块（i,j）,j＝1,…,N-1在当前时刻的热量，进而根据热量计算钢块

在当前时刻的温度。

更具体地，当前时刻钢块（i,j）与钢块（i,j-1）之间的热含量变化率dQ^j-1 _(i,j)＝cm(T＇_i(j,)-T＇_i(j-,)₁，c为钢板比热容，m为钢块（i,j）的质量，T＇_(i,j)为钢块（i,j）在前一时刻的温度，T＇_(i,j-1)为钢块（i,j-1）在前一时刻的温度。

通过上述方法获知不同时刻各钢块的温度后，通过曲线拟合就可得到热轧带钢温度场变化曲线。还可通过将钢的温度值单独取出绘制曲线的方式构建长度方向的温度场；将厚度方向的温度值取出绘制曲线的方法建立厚度方向温度场的温度场。终冷温度则可以通过每一个钢块最后时刻的温度值来确定。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种热轧带钢层流冷却温度场建模方法，包括以下步骤：

（1）带钢网格划分步骤：

将带钢沿长度和厚度方向划分为网格，令第i段第j层的钢块表示为（i,j），i＝1,…,M，j＝1,…,N，M表示总段数，N表示总层数；

（2）钢段冷却模式确定步骤：

将带钢运动转换为冷水阀门的反向同速运动，计算当前时刻冷水阀门相对带钢的位置；若带钢的第i段钢正对冷水阀门处，则判定第i段钢处于水冷散热模式，否则，判定第i段钢处于空冷散热模式；

（3）钢块温度计算步骤，包括表面钢块温度计算子步骤和内部钢块温度温度计算子步骤，具体为：

表面钢块温度计算子步骤：计算第i段钢上表面钢块（i,1）和下表面钢块（i,N）的热含量变化dQ_(i,1)＝dQ_(i,N)＝dQ_辐射+dQ_表面对流+dQ_{内节点传热}，dQ_辐射表示钢块（i,1）或（i,N）表面辐射的热量变化率，dQ_表面对流表示钢块（i,1）或（i,N）在水冷散热模式下或空冷散热模式下的对流散热变化率，dQ_{内节点传热}表示钢块（i,1）或（i,N）与其同段钢内相邻节点的传热变化率；对第i段钢表面钢块（i,1）和（i,N）的热含量变化率积分运算得到钢块（i,1）和（i,N）在当前时刻的热量，进而确定钢块（i,1）和（i,N）在当前时刻的温度；

内部钢块温度温度计算子步骤：计算第i段钢内的钢块（i,j）,j＝1,…,N-1的热含量变化率dQ_(i,j)＝dQ_(i,j-1)+dQ_(i,j+1)；对第i段钢内部钢块（i,j）,j＝1,…,N-1的热含量变化率积分运算得到钢块（i,j）,j＝1,…,N-1在当前时刻的热量，进而确定钢块（i,j）,j＝1,…,N-1在当前时刻的温度。

2.根据权利要求1所述的热轧带钢层流冷却温度场建模方法，其特征在于，所述钢块（i,1）或（i,N）在水冷散热模式下或空冷散热的对流散热变化率dQ_表面对流的计算方法为：

dQ_表面对流＝F·α·(T′-T₀)·dτ

F为钢块（i,1）或（i,N）的表面积，α为水冷散热模式下或空冷散热的对流散热系数，T′为钢块（i,1）或（i,N）在前一时刻的温度值，T₀为带钢的初始温度，τ表示时间。

3.根据权利要求2所述的热轧带钢层流冷却温度场建模方法，其特征在于，所述对水冷散热模式或空冷散热模式下的流散热系数α按照如下方式确定：

定义时间段Δτ内，表面积为F的钢板在水流冷却或者空气冷却作用下由温度T₁降到T₂，表面积为F的钢板在时间段Δτ内的散热量Q_表面对流，计算温度(T₁-T₂)/2处的对流散热系数α＝Q_表面对流/F·(T₁-T₂)·Δτ。

4.一种热轧带钢层流冷却温度场建模系统，包括

带钢网格划分模块，用于将带钢沿长度和厚度方向划分为网格，令第i段第j层的钢块表示为（i,j），i＝1,…,M，j＝1,…,N，M表示总段数，N表示总层数；

钢段冷却模式确定模块，用于将带钢运动转换为冷水阀门的反向同速运动，计算当前时刻冷水阀门相对带钢的位置；若带钢的第i段钢正对冷水阀门处，则判定第i段钢处于水冷散热模式，否则，判定第i段钢处于空冷散热模式；

钢块温度计算模块，包括表面钢块温度计算子模块和内部钢块温度温度计算子模块；

表面钢块温度计算子模块，用于计算第i段钢上表面钢块（i,1）和下表面钢块（i,N）的热含量变化dQ_(i,1)＝dQ_(i,N)＝dQ_辐射+dQ_表面对流+dQ_{内节点传热}，dQ_辐射表示钢块（i,1）或（i,N）表面辐射的热量变化率，dQ_表面对流表示钢块（i,1）或（i,N）在水冷散热模式下或空冷散热模式下的对流散热变化率，dQ_{内节点传热}表示钢块（i,1）或（i,N）与其同段钢内相邻节点的传热变化率；对第i段钢表面钢块（i,1）和（i,N）的热含量变化率积分运算得到钢块（i,1）和（i,N）在当前时刻的热量，进而确定钢块（i,1）和（i,N）在当前时刻的温度；

内部钢块温度温度计算子模块，用于计算第i段钢内的钢块（i,j）,j＝1,…,N-1的热含量变化率dQ_(i,j)＝dQ_(i,j-1)+dQ_(i,j+1)；对第i段钢内部钢块（i,j）,j＝1,…,N-1的热含量变化率积分运算得到钢块（i,j）,j＝1,…,N-1在当前时刻的热量，进而确定钢块（i,j）,j＝1,…,N-1在当前时刻的温度。

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