CN106874591B - 一种方坯加热过程温度分布的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种方坯加热过程温度分布的计算方法，属于冶金自动化过程控制领域。所述计算方法包括：选取计算域并进行网格划分，且计算域中包含水梁；确定不同于板坯加热的边界条件，方坯两侧采用上、下炉膛综合换热量；建立方坯内部导热的二维非稳态导热微分方程；求解方程，输出方坯温度分布。本发明解决了由于方坯界面的宽、高比，不同于板坯而使板坯温度分布计算方法不适用于方坯的问题，且在计算中充分考虑了水梁对方坯加热的影响，使计算得到的方坯升温曲线更加接近实测值。

Description

一种方坯加热过程温度分布的计算方法
技术领域
本发明涉及冶金自动化过程控制领域，具体地，特别涉及一种方坯加热过程温度分布的计算方法。
背景技术
轧制工序是钢铁生产的重要工序，其能耗约占整个钢铁生产流程的10％，而加热炉则是轧钢生产中最主要的能耗设备。在现有技术装备和工艺生产条件下，通过开发加热炉模型，预测在加热炉运行过程中钢坯内部的温度分布变化情况，从而提供优化的炉温设定值，减少燃气消耗，对于降低加热炉能耗，提高生产效率，具有显著意义。
目前热轧加热炉温度模型的研究主要集中在板坯加热炉方面，研究方法主要包括利用计算流体动力学CFD对炉内温度场进行仿真模拟的方法，以及通过对板坯传热的基本数学物理方法进行数值求解的方法。CFD方法主要用于描述板坯炉内温度场、速度场的稳态过程，而数值方法可用于预测板坯在炉内加热过程。
但是，方坯由于界面的宽、高比，炉内布料等特点，在模型开发上与板坯存在明显的不同，主要表现在侧面热流密度的计算上，所以板坯加热炉温度模型的计算方法并不能完全适用于方坯温度分布的计算。
发明内容
鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种方坯加热过程温度分布的计算方法，以解决现有板坯加热炉温度模型计算方法不能完全适用于方坯温度分布计算的问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述方坯加热过程温度分布的计算方法，在加热炉中分布有活动梁，活动梁中设置有水梁，所述计算方法包括以下步骤:
(1)选取计算域并进行网格划分，且计算域中包含水梁；
(2)确定边界条件如下：
方坯上表面采用综合热流密度边界条件：
方坯下表面与水梁接触处采用第三类边界条件：
方坯下表面其他位置采用综合热流密度边界条件：
方坯两侧采用上下炉膛综合换热量：qL＝αqT+(1-α)qB，
式中，为热流密度，单位W/m2；σ为玻尔兹曼常数，5.67×10-8W/(m2·K4)；为总括热吸收率；h为换热系数，单位W/(m2·K)；Tw为水梁内水温，单位K；Tf为炉温，单位K；Ts为方坯表面温度，单位K；qL为方坯侧面换热量，单位W；qT为方坯上表面换热量，单位W；qB为方坯下表面换热量，单位W；α为系数，且0＜α＜1；
(3)建立二维非稳态导热微分方程；
(4)求解方程，输出方坯温度分布。
优选的，在步骤(1)中，对计算域进行网格划分时，在活动梁中的水梁与方坯表面接触处对网格进行加密处理，其他位置成比例疏松网格划分。
优选的，假设炉温呈分段线性分布，是沿炉长方向分布的函数；热交换过程中，忽略方坯氧化铁皮的影响；加热过程中方坯在炉内匀速运动。
优选的，在步骤(4)中，采用交替隐式差分简化方程，使方程成为对三角矩阵，用追赶法进行求解。
优选的，在进行步骤(1)之前，还包括：
获取方坯和加热炉相关参数；
计时器清零并开始计时；
对加热炉内方坯按照轧制顺序进行排列，并检索炉内方坯号；
若方坯号为空，则结束计算；
若方坯号不为空，则按照所述步骤(1)、步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)对炉内方坯温度进行计算；将计算结果写入方坯跟踪区，继续检索炉内方坯号。
本发明所述方坯加热过程温度分布的计算方法根据方坯界面的宽、高比和炉内布料等特点，采用不同于板坯加热过程计算的方法计算方坯表面温度和侧面热流密度，且充分考虑到水梁滑块与方坯之间以及受水梁遮蔽作用所产生的热交换，使得本发明计算得到的方坯升温曲线与实测值更接近，能够起到准确的温度预报，提高了方坯的加热质量。
附图说明
图1是本发明所述方坯加热过程温度分布的计算方法的流程图；
图2是本发明所述方坯物理模型示意图；
图3是本发明检测炉内方坯号的流程图。
具体实施方式
现结合附图对本发明做进一步说明，以便于本发明更加清楚和易于理解。
图1是本发明所述方坯加热过程温度分布的计算方法的流程图，如图1所示，对方坯加热过程温度分布的计算方法，包括以下步骤：
(1)选取计算域并进行网格划分，且计算域中包含水梁，充分考虑到水梁对方坯在炉内升温的影响；
(2)确定边界条件如下：
方坯上表面采用综合热流密度边界条件：
方坯下表面与水梁接触处采用第三类边界条件：
方坯下表面其他位置采用综合热流密度边界条件：
方坯两侧采用上下炉膛综合换热量：qL＝αqT+(1-α)qB，
式中，为热流密度，单位W/m2；σ为玻尔兹曼常数，5.67×10-8W/(m2·K4)；为总括热吸收率；h为换热系数，单位W/(m2·K)；Tw为水梁内水温，单位K；Tf为炉温，单位K；Ts为方坯表面温度，单位K；qL为方坯侧面换热量，单位W；qT为方坯上表面换热量，单位W；qB为方坯下表面换热量，单位W；α为系数，且0＜α＜1；
(3)建立二维非稳态导热微分方程；
(4)求解方程，输出方坯温度分布。
其中，在步骤(1)中，对计算域进行网格划分时，在活动梁中的水梁与方坯表面接触处对网格进行加密处理，其他位置成比例疏松网格划分，以便于准确测量水梁对方坯升温的影响，且其他位置成比例疏松网格可以减少计算量，如图2所示。
如图2所示，方坯在炉内加热的过程中，方坯上、下表面与炉气发生热交换，换热量分别为qT和qB，方坯侧面换热量为qL，在水梁1与方坯接触的位置处，水梁与方坯之间发生对流换热，换热系数为h，此模型将水梁包含在其中，充分考虑到水梁对方坯升温的影响，使计算结果更加接近实测值。
在对方坯加热过程温度分布计算时，采用二维非稳态的数学模型，做出如下假设：
a)炉温呈分段线性分布，是沿炉长方向分布的函数；
b)热交换过程中，忽略方坯氧化铁皮的影响；
c)加热过程中方坯在炉内匀速运动。
对网格点建立方坯内部导热的二维非稳态导热微分方程，具体表述为：
式中，ρ表示方坯的密度，单位Kg/m3；Cp表示方坯的比热，单位J/(kg·℃)；t表示方坯温度，单位℃；τ表示时间，单位s；λ表示方坯导热系数，单位W/(m·℃)。
采用交替隐式差分简化上述方程，使方程成为对三角矩阵，用追赶法进行求解。
方坯上、下表面的总括热吸收率以及水梁位置处的热流密度，采用黑匣子实验进行验证和调试。
图3是本发明检测炉内方坯号的流程图。如图3所示，在进行步骤(1)之前，需要进行对方坯号的检测，只有方坯号不为空时，再进行炉内方坯温度的计算。具体包括以下步骤：
获取加热炉炉长、水梁位置、热电偶位置、方坯材质规格、加热时间等相关参数，作为方坯温度计算的基础；
计时器清零并开始计时；
对加热炉内方坯按照轧制顺序进行排列，并检索炉内方坯号；
若方坯号为空，则结束计算；
若方坯号不为空，则按照上述步骤(1)、步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)对炉内方坯温度进行计算，获取方坯在加热炉内各时刻的温度分布；将计算结果写入方坯跟踪区，继续检索炉内方坯号。

Claims (4)

1.一种方坯加热过程温度分布的计算方法，在加热炉中分布有活动梁，所述活动梁中设置有水梁，其特征在于，包括以下步骤:
步骤1，选取计算域并进行网格划分，且所述计算域包含所述水梁；
步骤2，确定边界条件如下：
方坯上表面采用综合热流密度边界条件：
方坯下表面与水梁接触处采用第三类边界条件：
方坯下表面其他位置采用综合热流密度边界条件：
方坯两侧采用上下炉膛综合换热量：qL＝αqT+(1-α)qB，
式中，为热流密度，W/m2；σ为玻尔兹曼常数，5.67×10-8W/(m2·K4)；为总括热吸收率；h为换热系数，W/(m2·K)；Tw为水梁内水温，K；Tf为炉温，K；Ts为方坯表面温度，K；qL为方坯侧面换热量，W；qT为方坯上表面换热量，W；qB为方坯下表面换热量，W；α为系数，且0＜α＜1；
步骤3，建立二维非稳态导热微分方程，包括：
假设炉温呈分段线性分布，是沿炉长方向分布的函数；热交换过程中，忽略方坯氧化铁皮的影响；加热过程中方坯在炉内匀速运动；
对网格点建立方坯内部导热的二维非稳态导热微分方程，通过下式表示：
式中，ρ表示方坯的密度，单位Kg/m3；Cp表示方坯的比热，单位J/(kg·℃)；t表示方坯温度，单位℃；τ表示时间，单位s；λ表示方坯导热系数，单位W/(m·℃)；
步骤4，求解方程，输出方坯温度分布。
2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，在所述步骤1中，对所述计算域进行网格划分时，在活动梁中的水梁与方坯表面接触处对网格进行加密处理，其他位置成比例疏松网格划分。
3.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，
在所述步骤4中，采用交替隐式差分简化方程，使所述方程成为对三角矩阵，用追赶法进行求解。
4.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，在所述步骤1之前，还包括：
获取方坯和加热炉相关参数；
计时器清零并开始计时；
对加热炉内方坯按照轧制顺序进行排列，并检索炉内方坯号；
若方坯号为空，则结束计算；
若方坯号不为空，则按照所述步骤1、步骤2、步骤3和步骤4对炉内方坯温度进行计算；将计算结果写入方坯跟踪区，继续检索炉内方坯号。
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