CN111763819A - 一种低温辊底式热处理炉钢板加热的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低温辊底式热处理炉钢板加热的控制方法，属于辊底式热处理炉优化控制领域。包括以下步骤：S1.建立辐射换热+对流换热的传热模型，计算钢板表面热流密度，计算炉内钢板实时温度；S2.判断钢板是否达到热处理目标温度，若未达到，则重复步骤S1，进入下一计算周期再次判断；若达到，开始保温，计算此时钢板所在炉内的位置，并计算钢板到达热处理炉出口时的保温时间；判断钢板到达热处理炉出口时的保温时间是否满足最短保温时间的工艺要求，若不满足，则调整炉温和/或辊速，重复步骤S1和S2，进入下一计算周期再次判断；若满足，则保持当前炉温和辊速。针对炉内传热特性，增加对流换热计算，合理建模，提高模型控制精度。

Description

一种低温辊底式热处理炉钢板加热的控制方法

技术领域

本发明属于辊底式热处理炉优化控制领域，涉及一种低温辊底式热处理炉钢板加热的控制方法。

背景技术

辊底式热处理炉是宽厚钢板热处理生产线的重要设备，其温度的过程控制直接关系到钢板的最终性能。影响钢板性能的指标主要有两个，一是钢板的保温时间，二是钢板温度的均匀性。钢板在炉内的加热过程相当于一个黑匣子，钢板何时达到了热处理目标温度及何时开始保温只能通过模型计算获得。因此，辊底式热处理炉控制系统至关重要。钢板温度的均匀性直接关系到钢板的组织性能，在低温辊底式热处理炉内，为了提高炉内温度场的均匀性，有时会安装循环风机增加气流的扰动，此时，炉内以对流换热为主，而传统的热处理模型都是以辐射换热计算为主，不适用于低温辊底式热处理炉。

专利CN201410609834.2提出了一种辊底式热处理炉的高精度高可靠炉温控制系统和方法。该方法立足于热处理工艺，炉膛温度控制采用分区控制策略，热电偶基于“二乘二取二”算法，烧嘴的燃/空流量控制增设双交叉限幅法。该控制系统和方法主要涉及基础自动控制，并没有涉及辊底式热处理炉的热处理模型控制。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种低温辊底式热处理炉钢板加热的控制方法，该控制方法针对低温辊底式热处理炉内传热特点，以辐射换热+对流换热合理建模，基于能准确反映热处理炉内传热特点的模型计算钢板表面热流密度，从而更为准确地计算炉内钢板实时温度，预判钢板的保温时间，并通过调整炉温和/或辊速，保证钢板出炉时满足最低保温时间的热处理工艺要求。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种低温辊底式热处理炉钢板加热的控制方法，包括以下步骤：

S1.建立热处理炉炉内包括辐射换热和对流换热的传热模型，计算钢板表面热流密度，计算炉内钢板实时温度，也即获得钢板截面温度分布；

S2.判断钢板是否达到热处理目标温度，若未达到热处理目标温度，则重复步骤S1，进入下一计算周期再次判断；若达到热处理目标温度，开始保温，计算钢板开始保温时所在炉内的位置，并计算钢板到达热处理炉出口时的保温时间；

S3.判断钢板到达热处理炉出口时的保温时间是否满足最短保温时间的工艺要求，若不满足，则调整炉温和/或辊速，重复步骤S1和S2，进入下一计算周期再次判断；若满足，则保持当前炉温和辊速。

进一步，步骤S1中，计算钢板表面热流密度，获得钢板截面温度分布的具体过程为：

S101.计算钢板表面热流密度：

q＝q_c+q_h

式中，q_c为辐射热流密度(W/m²)；q_h为对流热流密度(W/m²)；

辐射热流密度为：

式中，C₀为导来辐射系数(W/(m².K⁴))，T_g为炉温(K)，T_s为钢板温度(K)；

对流热流密度为：

q_h＝k_ih(T_g-T_S)

式中，h为对流换热系数(W/(m².K))，N_u为努塞尔数；λ为炉气导热系数(W/(m.K))，L为钢板长度(m)，k_i为循环风机不同功率时对应的修正系数；

S102.建立钢板二维传热数学模型，其导热微分方程为：

式中，ρ为钢板密度(kg/m³)，C_p为钢板比热(J/(kg.K))，τ为时间(s)；λ(t)为钢板导热系数(W/(m.K))；

S103.划分网格，对钢板导热微分方程进行求解，计算出炉内钢板实时温度，获得钢板截面温度分布；其中，宽度方向(x方向)采用显式差分，厚度方向(y方向)采用隐式差分。

进一步，步骤S102中，钢板导热微分方程的初始条件为：

τ＝0,t(0,x,y)＝t₀(x,y)

边界条件为：

x＝0,

y＝0,

y＝H,

式中，B为钢板宽度(m)，H为钢板厚度(m)，q_s为钢板侧面热流密度(W/m²)，q_L为钢板底部热流密度(W/m²)，q_U为钢板上部热流密度(W/m²)。

进一步，步骤S2中，钢板是否达到热处理目标温度的判断条件为：

T_m-T_C≤5

式中，T_C为钢板中心温度(℃)，T_m为钢板热处理目标温度(℃)。

进一步，步骤S2中，钢板到达热处理炉出口时的保温时间的计算公式为：

式中，L_f为热处理炉长度(m)，L_S为钢板开始保温时所在炉内的位置(m)，S为辊速(m/min)。

进一步，步骤S3中，若钢板到达热处理炉出口时的保温时间不满足最短保温时间的工艺要求，则提高炉温，重复步骤S1和S2，进入下一计算周期再次判断；若炉温提高到该钢板的钢种要求的上限值还不能达到最短保温时间，则降低辊速，重复步骤S1和S2，进入下一计算周期再次判断，直到满足最短保温时间的工艺要求。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明公开的控制方法，针对低温辊底式热处理炉炉内的传热特性，增加了炉内对流换热计算，以辐射换热+对流换热合理建模，提高了模型的控制精度，保障钢板热处理性能。

(2)本发明公开的控制方法，自动调整炉温和辊速，可实现低温辊底式热处理炉的自动生产，减少人工干预，降低能耗，提高产品质量。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明一种低温辊底式热处理炉钢板加热的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本实例中选取的低温辊底式热处理炉有效长度为87m，炉膛内宽5.5m，上下共设置了32个温度控制区。在热处理炉保温区域，安装有20台搅拌风扇(循环风机)。该热处理炉主要用于钢板的回火热处理。进行热处理的钢板信息如下表所示：

表1钢板信息表

钢种	钢板尺寸/mm	入炉温度/℃	热处理目标温度/℃	最短保温时间/min
					NM450	8500×4500×30	20	400	25

请参阅图1，为一种低温辊底式热处理炉钢板加热的控制方法，包括以下步骤：

S1.读取炉温、辊速、钢板的信息，建立热处理炉炉内包括辐射换热和对流换热的传热模型，计算钢板表面热流密度，计算炉内钢板实时温度，也即获得钢板截面温度分布；

其中，计算钢板表面热流密度，获得钢板截面温度分布的具体过程为：

S101.计算钢板表面热流密度：

q＝q_c+q_h

式中，q_c为辐射热流密度(W/m²)；q_h为对流热流密度(W/m²)；

辐射热流密度为：

式中，C₀为导来辐射系数(W/(m².K⁴))，T_g为炉温(K)，T_s为钢板温度(K)；

对流热流密度为：

q_h＝k_ih(T_g-T_S)

式中，h为对流换热系数(W/(m².K))，N_u为努塞尔数；λ为炉气导热系数(W/(m.K))，L为钢板长度(m)，k_i为循环风机不同功率时对应的修正系数；

S102.建立钢板二维传热数学模型，其导热微分方程为：

式中，ρ为钢板密度(kg/m³)，C_p为钢板比热(J/(kg.K))，τ为时间(s)；λ(t)为钢板导热系数(W/(m.K))；

初始条件为：

τ＝0,t(0,x,y)＝t₀(x,y)

边界条件为：

x＝0,

y＝0,

y＝H,

式中，B为钢板宽度(m)，H为钢板厚度(m)，q_s为钢板侧面热流密度(W/m²)，q_L为钢板底部热流密度(W/m²)，q_U为钢板上部热流密度(W/m²)；

S103.划分网格，对钢板导热微分方程进行求解，计算出炉内钢板实时温度，获得钢板截面温度分布；其中，宽度方向(x方向)采用显式差分，厚度方向(y方向)采用隐式差分；

S2.判断钢板是否达到热处理目标温度，若未达到热处理目标温度，则重复步骤S1，进入下一计算周期再次判断；若达到热处理目标温度，开始保温，计算钢板开始保温时所在炉内的位置，并计算钢板到达热处理炉出口时的保温时间；

钢板是否达到热处理目标温度的判断条件为：

T_m-T_C≤5

式中，T_C为钢板中心温度(℃)，T_m为钢板热处理目标温度(℃)；

钢板到达热处理炉出口时的保温时间的计算公式为：

式中，L_f为热处理炉长度(m)，L_S为钢板开始保温时所在炉内的位置(m)，S为辊速(m/min)；

S3.判断钢板到达热处理炉出口时的保温时间是否满足最短保温时间的工艺要求，判断条件为：

τ_b≥τ_min

式中，τ_min为钢板热处理最短保温时间(min)；

若不满足，提高炉温，重复步骤S1和S2，进入下一计算周期再次判断；若炉温提高到该钢板的钢种要求的上限值还不能达到最短保温时间，则降低辊速，重复步骤S1和S2，进入下一计算周期再次判断，直到满足最短保温时间的工艺要求；若满足，则保持当前炉温和辊速。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种低温辊底式热处理炉钢板加热的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.建立热处理炉炉内包括辐射换热和对流换热的传热模型，计算钢板表面热流密度，计算炉内钢板实时温度，也即获得钢板截面温度分布；

S2.判断钢板是否达到热处理目标温度，若未达到热处理目标温度，则重复步骤S1，进入下一计算周期再次判断；若达到热处理目标温度，开始保温，计算钢板开始保温时所在炉内的位置，并计算钢板到达热处理炉出口时的保温时间；

S3.判断钢板到达热处理炉出口时的保温时间是否满足最短保温时间的工艺要求，若不满足，则调整炉温和/或辊速，重复步骤S1和S2，进入下一计算周期再次判断；若满足，则保持当前炉温和辊速。

2.根据权利要求1所述的低温辊底式热处理炉钢板加热的控制方法，其特征在于：步骤S1中，计算钢板表面热流密度，获得钢板截面温度分布的具体过程为：

S101.计算钢板表面热流密度：

q＝q_c+q_h

式中，q_c为辐射热流密度(W/m²)；q_h为对流热流密度(W/m²)；

辐射热流密度为：

式中，C₀为导来辐射系数(W/(m².K⁴))，T_g为炉温(K)，T_s为钢板温度(K)；

对流热流密度为：

q_h＝k_ih(T_g-T_S)

式中，h为对流换热系数(W/(m².K))，N_u为努塞尔数；λ为炉气导热系数(W/(m.K))，L为钢板长度(m)，k_i为循环风机不同功率时对应的修正系数；

S102.建立钢板二维传热数学模型，其导热微分方程为：

式中，ρ为钢板密度(kg/m³)，C_p为钢板比热(J/(kg.K))，τ为时间(s)；λ(t)为钢板导热系数(W/(m.K))；

S103.划分网格，对钢板导热微分方程进行求解，计算出炉内钢板实时温度，获得钢板截面温度分布；其中，宽度方向(x方向)采用显式差分，厚度方向(y方向)采用隐式差分。

3.根据权利要求2所述的低温辊底式热处理炉钢板加热的控制方法，其特征在于：步骤S102中，钢板导热微分方程的初始条件为：

τ＝0,t(0,x,y)＝t₀(x,y)

边界条件为：

x＝0,

y＝0,

y＝H,

式中，B为钢板宽度(m)，H为钢板厚度(m)，q_s为钢板侧面热流密度(W/m²)，q_L为钢板底部热流密度(W/m²)，q_U为钢板上部热流密度(W/m²)。

4.根据权利要求1所述的低温辊底式热处理炉钢板加热的控制方法，其特征在于：步骤S2中，钢板是否达到热处理目标温度的判断条件为：

T_m-T_C≤5

式中，T_C为钢板中心温度(℃)，T_m为钢板热处理目标温度(℃)。

5.根据权利要求1所述的低温辊底式热处理炉钢板加热的控制方法，其特征在于：步骤S2中，钢板到达热处理炉出口时的保温时间的计算公式为：

式中，L_f为热处理炉长度(m)，L_S为钢板开始保温时所在炉内的位置(m)，S为辊速(m/min)。

6.根据权利要求1所述的低温辊底式热处理炉钢板加热的控制方法，其特征在于：步骤S3中，若钢板到达热处理炉出口时的保温时间不满足最短保温时间的工艺要求，则提高炉温，重复步骤S1和S2，进入下一计算周期再次判断；若炉温提高到该钢板的钢种要求的上限值还不能达到最短保温时间，则降低辊速，重复步骤S1和S2，进入下一计算周期再次判断，直到满足最短保温时间的工艺要求。

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