CN114178325B - 热轧碳钢层流冷却喷射集管的冷却水流量获取方法及温度计算方法 - Google Patents

热轧碳钢层流冷却喷射集管的冷却水流量获取方法及温度计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种热轧碳钢层流冷却喷射集管的冷却水流量获取方法及温度计算方法，本发明采用前段连续冷却方式，通过理论分析建立了层流冷却过程中二维轧件温度场计算模型，基于设定的层流冷却工艺布置、前段冷却策略，根据建立的水冷换热系数与水冷流量密度的关系，采用温度计算模型计算轧件截面温度分布，根据终止计算位置处的轧件表面温度与目标冷却温度的差值，采用优化算法依次修正各喷射集管的冷却水流量，确保计算出的轧件温度与目标温度相吻合。本发明适用于热轧碳钢层流冷却过程中各喷射集管冷却水流量的在线预设定计算，使轧件温度快速精准地冷却到珠光体相变区的“鼻温”附近，提高热轧碳钢层流冷却温度的控制精度，获得珠光体组织。

Description

热轧碳钢层流冷却喷射集管的冷却水流量获取方法及温度计 算方法
技术领域
本发明属于热轧技术领域，具体涉及一种热轧碳钢层流冷却喷射集管的冷却水流量获取方法及温度计算方法。
背景技术
层流冷却装置是控制热轧带钢冷却温度，以实现微观组织精准控制的关键设备，其布置形式主要由一定数量的喷射集管及控制阀组成，通过控制喷射集管的开闭及冷却水流量，实现轧件温度控制。
热轧碳钢成品的微观组织以珠光体为主，其轧后冷却过程主要包括两阶段：首先快速冷却到珠光体相变区的“鼻温”附近，然后在珠光体相变区空冷到目标冷却温度。而对于不同厚度或速度的热轧碳钢带钢，要实现该冷却过程，采用的各喷射集管冷却水流量的预设定值是不同的。现场生产情况表明，由于喷射集管冷却水流量的预设定值误差较大，导致轧件温度前馈控制精度较低，使得层流冷却控制系统需要较长的调节时间才能使轧件冷却温度与目标冷却温度相吻合，这期间会产生较多的废品，降低了成品收得率。
综上所述，需要进一步开发适用于热轧碳钢层流冷却喷射集管的冷却水流量获取方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种热轧碳钢层流冷却喷射集管的冷却水流量获取方法及温度计算方法，用于解决热轧碳钢层流冷却过程中的喷射集管冷却水流量的预设定误差较大，导致轧件温度前馈控制精度较低的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明公开了一种热轧碳钢层流冷却喷射集管的冷却水流量获取方法，包括如下步骤：
S1、构造层流冷却系统的工艺布置，并获取工艺参数；
S2、建立水冷换热系数与水冷流量密度的关系；
S3、划分轧件宽向-厚向截面网格节点，并建立各节点的坐标系参数及温度计算模型；
S4、设定终止计算位置、目标冷却温度及冷却温度控制精度；设定首次计算时全部喷射集管均为关闭状态；
S5、根据设定的各喷射集管的冷却水流量计算水冷换热系数，采用温度计算模型计算层流冷却过程中轧件截面温度分布；判断终止计算位置处的轧件表面温度与目标冷却温度之差是否满足冷却温度控制精度；
若满足，则计算结束；
若不满足，则从层流冷却系统的首个喷射集管开始，依次连续开启喷射集管，每开启一个喷射集管后，若该喷射集管的现有冷却水流量未达到最大流量，则修正该喷射集管的冷却水流量，计算冷却过程中轧件截面温度分布，直至终止计算位置处轧件表面温度与目标冷却温度之差满足冷却温度控制精度，不再开启后续的喷射集管，计算结束，得到各喷射集管的冷却水流量预设定值；若该喷射集管的冷却水流量已达到最大流量，则开启下一个连续的喷射集管。
进一步地，步骤S1中获取的工艺参数包括喷射集管数量、各喷射集管的中心位置、喷射宽度、喷射区域长度及最大冷却水流量以及轧件的厚度、宽度、速度、初始温度和热物性参数。
进一步地，步骤S2中建立水冷换热系数与水冷流量密度的关系由水冷试验获得，根据试验结果数据由线性插值法计算相应水冷流量密度条件下对应的水冷换热系数。
进一步地，步骤S3中划分轧件宽向-厚向截面网格节点，并建立各节点的坐标系参数及温度计算模型，具体包括：建立y-z直角坐标系，其中y轴位于轧件中间厚度位置处，z轴位于轧件中间宽度位置处，将轧件二分之一的宽向-厚向横截面离散成N×M个网格，其中轧件半宽等分为N段，i＝1、2、3...N，网格宽度为
Figure BDA0003328114850000031
轧件半厚等分为M段，j＝1、2、3...M，网格厚度为/>
Figure BDA0003328114850000032
Δzi,j＝Δzi,j-1＝Δzi,j+1＝Δz，其中Δzi,j为轧件节点(i,j)对应单元的厚向长度，Δzi,j-1为轧件节点(i,j-1)对应单元的厚向长度，Δzi,j+1为轧件节点(i,j+1)对应单元的厚向长度；
根据节点所处的位置，分为内部节点、表面节点、端部节点、芯部节点及角部节点；
(1)对于内部节点，其序号可以表示为(i,j)，i＝2、3、4...N-1，j＝2、3、4...M-1，节点(i,j)横坐标为：
Figure BDA0003328114850000033
纵坐标为：/>
Figure BDA0003328114850000034
其温度计算模型表达式为：
Figure BDA0003328114850000035
(2)对于表面节点，其序号可表示为(i,M)，i＝2、3、4...N-1，节点(i,M)横坐标为
Figure BDA0003328114850000036
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Figure BDA0003328114850000037
若轧件截面在空冷区，即在喷射集管喷射区之间或者在喷射集管喷射区内但是喷射集管关闭，则其温度计算模型表达式为：
Figure BDA0003328114850000041
若轧件截面在水冷区，即在喷射集管喷射区内且喷射集管开启，其温度计算模型表达式为：
Figure BDA0003328114850000042
(3)对于端部节点，其序号可表示为(N,j)，j＝2、3、4...M-1，节点(N,j)横坐标为
Figure BDA0003328114850000043
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Figure BDA0003328114850000044
其温度计算模型表达式为：
Figure BDA0003328114850000045
(4)对于芯部节点，其中厚度芯部端面节点的序号可表示为(i,1)，i＝2、3、4...N-1，横坐标为
Figure BDA0003328114850000046
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Figure BDA0003328114850000047
宽度芯部端面节点的序号可表示为(1,j)，j＝2、3、4...M-1，横坐标为/>
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Figure BDA0003328114850000049
对于厚向芯部节点，则其温度计算模型表达式为：
Figure BDA00033281148500000410
对于宽向芯部节点，则其温度计算模型表达式为：
Figure BDA00033281148500000411
(5)对于角部节点，其中左上角部节点序号为(1,M)，横坐标为
Figure BDA00033281148500000412
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Figure BDA0003328114850000051
右上角部节点序号为(N,M)，横坐标为/>
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左下角部节点序号为(1,1)，横坐标为/>
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Figure BDA0003328114850000055
右下角部节点序号为(N,1)，横坐标为/>
Figure BDA0003328114850000056
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Figure BDA0003328114850000057
对于左上角部节点，若轧件截面在空冷区，即在喷射集管喷射区之间或者在喷射集管喷射区内但是喷射集管关闭，则其温度计算模型表达式为：
Figure BDA0003328114850000058
若轧件截面在水冷区，即在喷射集管喷射区内且喷射集管开启，则其温度计算模型表达式为：
Figure BDA0003328114850000059
对于右上角部节点，若轧件截面在空冷区，即在喷射集管喷射区之间或者在喷射集管喷射区内但是喷射集管关闭，则其温度计算模型表达式为：
Figure BDA00033281148500000510
若轧件截面在水冷区，即在喷射集管喷射区内且喷射集管开启，则其温度计算模型表达式为：
Figure BDA0003328114850000061
对于左下角部节点，则其温度计算模型表达式为：
Figure BDA0003328114850000062
对于右下角部节点，则其温度计算模型表达式为：
Figure BDA0003328114850000063
式中，hw为水冷换热系数，单位W/(mm2×℃)；ha为空冷换热系数，单位W/(mm2×℃)；Tw为冷却水温度，单位℃；Ta为环境温度，单位℃；εr为轧件热辐射率；σ0为绝对黑体的辐射系数，σ0＝5.67×10-6W/(mm2×K4)；c为轧件比热容，单位J/(kg×℃)；ρ为轧件材质密度，单位kg/mm3；λ为轧件导热系数(热导率)，单位W/(mm×℃)；B为轧件宽度，单位mm；h为轧件厚度，单位mm；Δt为计算时间增量，单位S；
Figure BDA0003328114850000064
为当前时刻节点(i,j)的温度，单位℃；
Figure BDA0003328114850000065
为上一时刻节点(i,j)的温度，单位℃；/>
Figure BDA0003328114850000066
为上一时刻节点(i-1,j)的温度，单位℃；
Figure BDA0003328114850000067
为上一时刻节点(i+1,j)的温度，单位℃；/>
Figure BDA0003328114850000068
为上一时刻节点(i,j-1)的温度，单位℃；/>
Figure BDA0003328114850000069
为上一时刻节点(i,j+1)的温度，单位℃。
进一步地，所述空冷换热系数ha为10～100W/(mm2×℃)，所述轧件热辐射率εr为0.4～0.9，所述环境温度Ta为20～40℃。
进一步地，每开启一个喷射集管后，判断该喷射集管的现有冷却水流量是否达到最大流量，若该喷射集管的现有冷却水流量未达到最大流量，则开始修正该喷射集管的冷却水流量，每修正一次，转入步骤S5重新计算、判断，当终止计算位置处轧件表面温度与目标冷却温度之差满足冷却温度控制精度时，则计算结束，得到各喷射集管的冷却水流量预设定值；当终止计算位置处轧件表面温度与目标冷却温度之差不满足冷却温度控制精度且该喷射集管的现有冷却水流量未达到最大流量时，继续修正该喷射集管的冷却水流量；当终止计算位置处轧件表面温度与目标冷却温度之差不满足冷却温度控制精度但该喷射集管的现有冷却水流量已达到最大流量，则开启下一个连续的喷射集管。
进一步地，喷射集管每次修正后的冷却水流量的计算方法如下：
假设某喷射集管的冷却水流量第1次设定时其冷却水流量为q(1)，第1次设定计算后该喷射集管的冷却水增量即修正量为Δq(1)，则：
当r＝1时，q(2)＝q(1)+Δq(1)；
当r≥2时，
Figure BDA0003328114850000071
式中，r为某喷射集管的冷却水流量的修正次数；T为终止计算位置处的目标冷却温度；T(r)为某喷射集管的冷却水流量第r次修正后计算出的终止计算位置处的轧件表面温度；T(r-1)为某喷射集管的冷却水流量第r-1次修正后计算出的终止计算位置处的轧件表面温度；Δq(r-1)为某喷射集管的冷却水流量第r-1次修正后计算得到的该喷射集管的冷却水流量增量即修正量；Δq(r)为某喷射集管的冷却水流量第r次修正后计算得到的该喷射集管的冷却水流量增量即修正量；
则某喷射集管第r次修正后的冷却水流量为：
q(r+1)＝q(r)+Δq(r)。
本发明还公开了一种热轧带钢层流冷却温度计算方法，包括如下步骤：
划分轧件宽向-厚向截面网格节点，并建立各节点的坐标系参数及温度计算模型；
建立水冷换热系数与水冷流量密度的关系；
根据层流冷却过程中设定的各喷射集管的冷却水流量计算水冷换热系数；
采用建立的温度计算模型计算层流冷却过程中的轧件截面温度分布。
进一步地，划分轧件宽向-厚向截面网格节点，并建立各节点的坐标系参数及温度计算模型，具体包括：建立y-z直角坐标系，其中y轴位于轧件中间厚度位置处，z轴位于轧件中间宽度位置处，将轧件二分之一的宽向-厚向横截面离散成N×M个网格，其中轧件半宽等分为N段，i＝1、2、3...N，网格宽度为
Figure BDA0003328114850000081
轧件半厚等分为M段，j＝1、2、3...M，网格厚度为/>
Figure BDA0003328114850000082
Δzi,j＝Δzi,j-1＝Δzi,j+1＝Δz，其中Δzi,j为轧件节点(i,j)对应单元的厚向长度，Δzi,j-1为轧件节点(i,j-1)对应单元的厚向长度，Δzi,j+1为轧件节点(i,j+1)对应单元的厚向长度；
根据节点所处的位置，分为内部节点、表面节点、端部节点、芯部节点及角部节点；
(1)对于内部节点，其序号可以表示为(i,j)，i＝2、3、4...N-1，j＝2、3、4...M-1，节点(i,j)横坐标为：
Figure BDA0003328114850000083
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Figure BDA0003328114850000084
其温度计算模型表达式为：
Figure BDA0003328114850000085
(2)对于表面节点，其序号可表示为(i,M)，i＝2、3、4...N-1，节点(i,M)横坐标为
Figure BDA0003328114850000086
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Figure BDA0003328114850000087
若轧件截面在空冷区，即在喷射集管喷射区之间或者在喷射集管喷射区内但是喷射集管关闭，则其温度计算模型表达式为：
Figure BDA0003328114850000091
若轧件截面在水冷区，即在喷射集管喷射区内且喷射集管开启，其温度计算模型表达式为：
Figure BDA0003328114850000092
(3)对于端部节点，其序号可表示为(N,j)，j＝2、3、4...M-1，节点(N,j)横坐标为
Figure BDA0003328114850000093
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Figure BDA0003328114850000094
其温度计算模型表达式为：
Figure BDA0003328114850000095
(4)对于芯部节点，其中厚度芯部端面节点的序号可表示为(i,1)，i＝2、3、4...N-1，横坐标为
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对于厚向芯部节点，则其温度计算模型表达式为：
Figure BDA00033281148500000910
对于宽向芯部节点，则其温度计算模型表达式为：
Figure BDA00033281148500000911
(5)对于角部节点，其中左上角部节点序号为(1,M)，横坐标为
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对于左上角部节点，若轧件截面在空冷区，即在喷射集管喷射区之间或者在喷射集管喷射区内但是喷射集管关闭，则其温度计算模型表达式为：
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若轧件截面在水冷区，即在喷射集管喷射区内且喷射集管开启，则其温度计算模型表达式为：
Figure BDA0003328114850000109
对于右上角部节点，若轧件截面在空冷区，即在喷射集管喷射区之间或者在喷射集管喷射区内但是喷射集管关闭，则其温度计算模型表达式为：
Figure BDA00033281148500001010
若轧件截面在水冷区，即在喷射集管喷射区内且喷射集管开启，则其温度计算模型表达式为：
Figure BDA0003328114850000111
对于左下角部节点，则其温度计算模型表达式为：
Figure BDA0003328114850000112
对于右下角部节点，则其温度计算模型表达式为：
Figure BDA0003328114850000113
式中，hw为水冷换热系数，单位W/(mm2×℃)；ha为空冷换热系数，单位W/(mm2×℃)；Tw为冷却水温度，单位℃；Ta为环境温度，单位℃；εr为轧件热辐射率；σ0为绝对黑体的辐射系数，σ0＝5.67×10-6W/(mm2×K4)；c为轧件比热容，单位J/(kg×℃)；ρ为轧件材质密度，单位kg/mm3；λ为轧件导热系数(热导率)，单位W/(mm×℃)；B为轧件宽度，单位mm；h为轧件厚度，单位mm；Δt为计算时间增量，单位S；
Figure BDA0003328114850000114
为当前时刻节点(i,j)的温度，单位℃；
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Figure BDA0003328114850000116
为上一时刻节点(i-1,j)的温度，单位℃；
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为上一时刻节点(i+1,j)的温度，单位℃；/>
Figure BDA0003328114850000118
为上一时刻节点(i,j-1)的温度，单位℃；/>
Figure BDA0003328114850000119
为上一时刻节点(i,j+1)的温度，单位℃。
进一步地，所述空冷换热系数ha为10～100W/(mm2×℃)，所述轧件热辐射率εr为0.4～0.9，所述环境温度Ta为20～40℃。
本发明至少具有如下有益效果：本发明方法通过理论分析建立了层流冷却过程中二维轧件温度场计算模型，基于设定的层流冷却工艺布置、前段冷却策略及终止计算位置处的目标冷却温度，根据建立的水冷换热系数与水冷流量密度的关系，采用温度计算模型计算轧件截面温度分布，根据终止计算位置处的轧件中间宽度处表面温度与目标冷却温度的差值，采用优化算法依次修正各喷射集管的冷却水流量，以确保计算出的轧件温度与目标温度相吻合。
本发明所述方法原理清晰明确，假设和简化条件少，其计算精度比解析法更高，计算速度比有限元法更快，适用于热轧碳钢层流冷却过程中各喷射集管冷却水流量的在线预设定计算，使轧件温度快速精准地冷却到珠光体相变区的“鼻温”附近，提高热轧碳钢层流冷却温度的控制精度，获得珠光体组织。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本实施例一提供的一种热轧碳钢层流冷却喷射集管的冷却水流量获取方法流程图；
图2为本实施例一采用的用于喷射集管冷却水流量修正的割线法示意图；
图3为本实施例二的层流冷却系统示意图；
图4为本实施例二的轧件速度与位置变化的曲线图；
图5为本实施例二的由水冷实验建立的水冷换热系数与水冷流量密度的关系曲线图；
图6为本实施例二的轧件网格划分示意图；
图7为采用本实施例二方法获得的各喷射集管冷却水流量时计算出的轧件温度分布变化。
附图中，1为1#喷射集管(开启状态)；2为34#喷射集管(关闭状态)；3为轧件；4为水冷区；5为空冷区。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
参见图1，发明实施例提供了一种热轧碳钢层流冷却喷射集管的冷却水流量获取方法，包括以下步骤：
S1、构造层流冷却系统的工艺布置，并获取工艺参数，包括喷射集管数量，各喷射集管的中心位置、喷射宽度、喷射区域长度及最大冷却水流量，轧件的厚度、宽度、速度、初始温度及热物性参数。
S2、建立水冷换热系数与水冷流量密度的关系；所述建立水冷换热系数与水冷流量密度的关系由水冷试验获得，根据试验结果数据由线性插值法计算相应水冷流量密度条件下对应的水冷换热系数；
S3、划分轧件宽向-厚向截面网格节点，并建立各节点的坐标系参数及温度计算模型；具体为：
建立y-z直角坐标系，其中y轴位于轧件中间厚度位置处，z轴位于轧件3中间宽度位置处。将轧件二分之一的宽向-厚向横截面离散成N×M个网格，其中轧件半宽等分为N段，i＝1、2、3...N，网格宽度为
Figure BDA0003328114850000131
轧件半厚等分为M段，j＝1、2、3...M，网格厚度为
Figure BDA0003328114850000132
Δzi,j＝Δzi,j-1＝Δzi,j+1＝Δz，其中Δzi,j-轧件节点(i,j)对应单元的厚向长度，Δzi,j-1-轧件节点(i,j-1)对应单元的厚向长度，Δzi,j+1-轧件节点(i,j+1)对应单元的厚向长度；
根据节点所处的位置，分为内部节点、表面节点、端部节点、芯部节点及角部节点；
(1)对于内部节点，其序号可以表示为(i,j)，i＝2、3、4...N-1，j＝2、3、4...M-1，节点(i,j)横坐标为：
Figure BDA0003328114850000141
纵坐标为：/>
Figure BDA0003328114850000142
其温度计算模型表达式为：
Figure BDA0003328114850000143
(2)对于表面节点，其序号可表示为(i,M)，i＝2、3、4...N-1，节点(i,M)横坐标为
Figure BDA0003328114850000144
纵坐标为/>
Figure BDA0003328114850000145
其温度计算模型表达式为：
若轧件截面在空冷区5，即在喷射集管喷射区之间或者在喷射集管喷射区内但是喷射集管关闭，则
Figure BDA0003328114850000146
若轧件截面在水冷区4，即在喷射集管喷射区内且喷射集管开启，则
Figure BDA0003328114850000147
(3)对于端部节点，其序号可表示为(N,j)，j＝2、3、4...M-1，节点(N,j)横坐标为
Figure BDA0003328114850000148
纵坐标为/>
Figure BDA0003328114850000149
其温度计算模型表达式为：
Figure BDA00033281148500001410
(4)对于芯部节点，其中厚度芯部端面节点的序号可表示为(i,1)，i＝2、3、4...N-1，横坐标为
Figure BDA0003328114850000151
纵坐标为/>
Figure BDA0003328114850000152
宽度芯部端面节点的序号可表示为(1,j)，j＝2、3、4...M-1，横坐标为/>
Figure BDA0003328114850000153
纵坐标为/>
Figure BDA0003328114850000154
其温度计算模型表达式为：
对于厚向芯部节点，则
Figure BDA0003328114850000155
对于宽向芯部节点，则
Figure BDA0003328114850000156
(5)对于角部节点，其中左上角部节点序号为(1,M)，横坐标为
Figure BDA0003328114850000157
纵坐标为/>
Figure BDA0003328114850000158
右上角部节点序号为(N,M)，横坐标为/>
Figure BDA0003328114850000159
纵坐标为/>
Figure BDA00033281148500001510
左下角部节点序号为(1,1)，横坐标为/>
Figure BDA00033281148500001511
纵坐标为
Figure BDA00033281148500001512
右下角部节点序号为(N,1)，横坐标为/>
Figure BDA00033281148500001513
纵坐标为/>
Figure BDA00033281148500001514
其温度计算模型表达式为：
对于左上角部节点，若轧件截面在空冷区5，即在喷射集管喷射区之间或者在喷射集管喷射区内但是喷射集管关闭，则
Figure BDA00033281148500001515
若轧件截面在水冷区4，即在喷射集管喷射区内且喷射集管开启，则
Figure BDA0003328114850000161
对于右上角部节点，若轧件截面在空冷区，即在喷射集管喷射区之间或者在喷射集管喷射区内但是喷射集管关闭，则
Figure BDA0003328114850000162
若轧件截面在水冷区4，即在喷射集管喷射区内且喷射集管开启，则
Figure BDA0003328114850000163
对于左下角部节点，则
Figure BDA0003328114850000164
对于右下角部节点，则
Figure BDA0003328114850000165
式中，hw-水冷换热系数，单位W/(mm2×℃)；
ha-空冷换热系数，单位W/(mm2×℃)，取值为10～100W/(mm2×℃)；
Tw-冷却水温度，单位℃；
Ta-环境温度，单位℃，取值为20～40℃；
εr-轧件热辐射率，取值为0.4～0.9；
σ0-绝对黑体的辐射系数，σ0＝5.67×10-6W/(mm2×K4)；
c-轧件比热容，单位J/(kg×℃)；
ρ-轧件材质密度，单位kg/mm3；
λ-轧件导热系数(热导率)，单位W/(mm×℃)；
B-轧件宽度，单位mm；
h-轧件厚度，单位mm；
Δt-计算时间增量，单位S；
Figure BDA0003328114850000171
-当前时刻节点(i,j)的温度，单位℃；
Figure BDA0003328114850000172
-上一时刻节点(i,j)的温度，单位℃；
Figure BDA0003328114850000173
-上一时刻节点(i-1,j)的温度，单位℃；
Figure BDA0003328114850000174
-上一时刻节点(i+1,j)的温度，单位℃；
Figure BDA0003328114850000175
-上一时刻节点(i,j-1)的温度，单位℃；
Figure BDA0003328114850000176
-上一时刻节点(i,j+1)的温度，单位℃。
进一步地，所述空冷换热系数ha为10～100W/(mm2×℃)，所述轧件热辐射率εr为0.4～0.9，所述环境温度Ta为20～40℃。
S4、设定起始计算位置、终止计算位置、目标冷却温度及冷却温度控制精度；设定首次计算时全部喷射集管均为关闭状态；
S5、根据设定的各喷射集管的冷却水流量，从起始计算位置到终止计算位置，计算层流冷却过程中轧件截面温度分布，具体为：首先根据设定的各喷射集管的冷却水流量计算水冷换热系数，然后采用温度计算模型计算层流冷却过程中的轧件截面温度分布；
判断终止计算位置的轧件中间宽度处表面温度与目标冷却温度之差是否满足冷却温度控制精度，具体为：
若满足，则计算结束；
若不满足，则采用前段连续冷却方式，包括：从层流冷却系统的首个喷射集管开始，依次连续开启喷射集管，每开启一个喷射集管后，若该喷射集管的现有冷却水流量未达到最大流量，则修正该喷射集管的冷却水流量，重新计算冷却过程中轧件截面温度分布，直至终止计算位置处轧件表面温度与目标冷却温度之差满足冷却温度控制精度，不再开启后续的喷射集管，计算结束，得到各喷射集管的冷却水流量预设定值；若该喷射集管的冷却水流量已达到最大流量，则开启下一个连续的喷射集管。
进一步地，每开启一个喷射集管后，判断该喷射集管的现有冷却水流量是否达到最大流量，若该喷射集管的现有冷却水流量未达到最大流量，则开始修正该喷射集管的冷却水流量，每修正一次，改变一次冷却水流量(视计算情况而定，可以是增加也可以是减小)，转入步骤S5重新计算、判断，当终止计算位置处轧件表面温度与目标冷却温度之差满足冷却温度控制精度时，则计算结束，得到各喷射集管的冷却水流量预设定值；当终止计算位置处轧件表面温度与目标冷却温度之差不满足冷却温度控制精度且该喷射集管的现有冷却水流量未达到最大流量时，继续修正该喷射集管的冷却水流量；当终止计算位置处轧件表面温度与目标冷却温度之差不满足冷却温度控制精度但该喷射集管的现有冷却水流量已达到最大流量，则开启下一个连续的喷射集管。
进一步地，修正该喷射集管的冷却水流量，具体为采用割线法修正该喷射集管的冷却水流量。
如图2所示，割线法的具体原理如下：
假设某喷射集管的冷却水流量第1次设定时其冷却水流量为q(1)，第1次设定计算后该喷射集管的冷却水增量即修正量为Δq(1)，则：
当r＝1时，q(2)＝q(1)+Δq(1)；
当r≥2时，
Figure BDA0003328114850000191
式中，r-某喷射集管的冷却水流量的修正次数；
T-终止计算位置处的目标冷却温度；
T(r)-某喷射集管的冷却水流量第r次修正后计算出的终止计算位置处的轧件表面温度；
T(r-1)-某喷射集管的冷却水流量第r-1次修正后计算出的终止计算位置处的轧件表面温度；
Δq(r-1)-某喷射集管的冷却水流量第r-1次修正后计算得到的该喷射集管的冷却水流量增量即修正量；
Δq(r)-某喷射集管的冷却水流量第r次修正后计算得到的该喷射集管的冷却水流量增量即修正量；
则某喷射集管第r次修正后的冷却水流量为：q＝q(r+1)＝q(r)+Δq(r)。
优选地，单个喷射集管的冷却水流量第1次设定时其冷却水流量为q(1)＝0。当然，q(1)的值还可根据实际需求进行调整。
当q(1)不为0时，优选地，依次连续开启喷射集管的过程中，从首个喷射集管开始，每开启一个喷射集管后，先转入步骤S5重新计算、判断，当终止计算位置处的轧件表面温度与目标冷却温度之差满足冷却温度控制精度时，则计算结束；当终止计算位置处的轧件表面温度与目标冷却温度之差不满足冷却温度控制精度时，采用割线法修正该喷射集管的冷却水流量，每修正一次，改变一次冷却水流量，转入步骤S5重新计算、判断，当终止计算位置处轧件表面温度与目标冷却温度之差满足冷却温度控制精度时，则修正结束即计算结束，不再开启后续的喷射集管，当终止计算位置处轧件表面温度与目标冷却温度之差不满足冷却温度控制精度且该喷射集管的现有冷却水流量未达到最大流量时，继续修正该喷射集管的冷却水流量，当终止计算位置处轧件表面温度与目标冷却温度之差不满足冷却温度控制精度但该喷射集管的现有冷却水流量已达到最大流量，则控制下一个连续的喷射集管开启。
实施例二
本实施例以热轧低碳钢Q235为例，在实施例一所述方法的基础上，计算其在层流冷却过程中各喷射集管的冷却水流量预设定值，并与现场实测温度值进行比较，以进一步说明本发明方法的通用性及精确性。层流冷却系统的工艺布置如图3所示，其中喷射集管数量为34个，从层流冷却入口到出口依次为1#～34#，各喷射集管的序号、中心位置、喷射宽度、喷射区域长度及最大冷却水流量如表1第1列～第5列所示，轧件的厚度为2mm、宽度为1600mm、初始温度为880℃，轧件热导率为30W/(m×℃)，轧件比热容为670J/(kg×℃)，轧件密度为7800kg/m3。
表1
Figure BDA0003328114850000201
/>
Figure BDA0003328114850000211
轧件的起始计算位置为-1m(即位于层流冷却1#喷射集管1中心位置的入口侧1m处)，终止计算位置为39m(即位于层流冷却34#喷射集管2中心位置的出口侧1.38m处)，轧件速度随轧件位置的变化如图4所示，其中在起始计算位置处轧件速度为240m/min，在终止计算位置处轧件速度为300m/min，从起始计算位置到终止计算位置之间轧件以匀加速速度运行。
冷却水温度为30℃，环境温度为30℃，空冷换热系数为30W/(mm2×℃)，轧件热辐射率为0.7，计算时间步长为0.5ms。由水冷实验建立的水冷换热系数与水冷流量密度的关系如图5所示。
如图6所示，将轧件二分之一的宽向-厚向横截面离散成20×5个网格，其中轧件半宽等分为20段，i＝1、2、3...20，网格宽度为
Figure BDA0003328114850000221
轧件半厚等分为5段，j＝1、2、3、4、5，网格厚度为/>
Figure BDA0003328114850000222
Δzi,j＝Δzi,j-1＝Δzi,j+1＝Δz。
节点(i,j)横坐标为：
Figure BDA0003328114850000223
/>
纵坐标为：
Figure BDA0003328114850000224
目标冷却温度为600℃，冷却温度控制精度为5℃。单个喷射集管的冷却水流量第1次设定时其冷却水流量为q(1)＝0(即第1次设定为关闭状态)，第1次设定计算后该喷射集管的冷却水增量即修正量为Δq(1)＝1L/min。
采用本实施例方法计算出的各喷射集管的冷却水流量及开闭状态分别如表1第6列及第7列所示，可以看出，本实施例采用前段连续冷却方式时，当1#～5#喷射集管均完全开启(即各自均达到其最大冷却水流量2950L/min)，6#喷射集管开启至其冷却水流量达到1862L/min，其他喷射集管均关闭时，能够保证在终止计算位置(39m)处的轧件中间宽度处表面温度计算值(602℃)与目标冷却温度(600℃)之差小于冷却温度控制精度(5℃)。相应的层流冷却过程中轧件中间宽度处的表面、芯部及厚向平均温度变化如图7所示，另外也给出了生产现场采用上述喷射集管冷却水流量后在终止计算位置处的轧件中间宽度处的表面温度实测值(见图7中黑色圆点所示，为593℃)，因此从轧件温度理论计算与现场实测温度两个方面均表明，采用本发明实施例方法获得的喷射集管冷却水流量预设定值，能够保证轧件表面温度与目标冷却温度之差满足冷却温度控制精度要求。
实施例三
本发明实施例还公开了一种热轧带钢层流冷却温度计算方法，包括如下步骤：
划分轧件宽向-厚向截面网格节点，并建立各节点的坐标系参数及温度计算模型；
建立水冷换热系数与水冷流量密度的关系；
根据层流冷却过程中设定的各喷射集管的冷却水流量计算水冷换热系数；
采用建立的温度计算模型计算层流冷却过程中的轧件截面温度分布。
进一步地，划分轧件宽向-厚向截面网格节点，并建立各节点的坐标系参数及温度计算模型，具体包括：建立y-z直角坐标系，其中y轴位于轧件中间厚度位置处，z轴位于轧件中间宽度位置处，将轧件二分之一的宽向-厚向横截面离散成N×M个网格，其中轧件半宽等分为N段，i＝1、2、3...N，网格宽度为
Figure BDA0003328114850000231
轧件半厚等分为M段，j＝1、2、3...M，网格厚度为/>
Figure BDA0003328114850000232
Δzi,j＝Δzi,j-1＝Δzi,j+1＝Δz，其中Δzi,j-轧件节点(i,j)对应单元的厚向长度，Δzi,j-1-轧件节点(i,j-1)对应单元的厚向长度，Δzi,j+1-轧件节点(i,j+1)对应单元的厚向长度；
根据节点所处的位置，分为内部节点、表面节点、端部节点、芯部节点及角部节点；
(1)对于内部节点，其序号可以表示为(i,j)，i＝2、3、4...N-1，j＝2、3、4...M-1，节点(i,j)横坐标为：
Figure BDA0003328114850000233
纵坐标为：/>
Figure BDA0003328114850000234
其温度计算模型表达式为：/>
Figure BDA0003328114850000235
(2)对于表面节点，其序号可表示为(i,M)，i＝2、3、4...N-1，节点(i,M)横坐标为
Figure BDA0003328114850000236
纵坐标为/>
Figure BDA0003328114850000237
若轧件截面在空冷区，即在喷射集管喷射区之间或者在喷射集管喷射区内但是喷射集管关闭，则其温度计算模型表达式为：
Figure BDA0003328114850000241
若轧件截面在水冷区，即在喷射集管喷射区内且喷射集管开启，其温度计算模型表达式为：
Figure BDA0003328114850000242
(3)对于端部节点，其序号可表示为(N,j)，j＝2、3、4...M-1，节点(N,j)横坐标为
Figure BDA0003328114850000243
纵坐标为/>
Figure BDA0003328114850000244
其温度计算模型表达式为：
Figure BDA0003328114850000245
(4)对于芯部节点，其中厚度芯部端面节点的序号可表示为(i,1)，i＝2、3、4...N-1，横坐标为
Figure BDA0003328114850000246
纵坐标为/>
Figure BDA0003328114850000247
宽度芯部端面节点的序号可表示为(1,j)，j＝2、3、4...M-1，横坐标为/>
Figure BDA0003328114850000248
纵坐标为/>
Figure BDA0003328114850000249
对于厚向芯部节点，则其温度计算模型表达式为：
Figure BDA00033281148500002410
对于宽向芯部节点，则其温度计算模型表达式为：
Figure BDA0003328114850000251
(5)对于角部节点，其中左上角部节点序号为(1,M)，横坐标为
Figure BDA0003328114850000252
纵坐标为/>
Figure BDA0003328114850000253
右上角部节点序号为(N,M)，横坐标为/>
Figure BDA0003328114850000254
纵坐标为/>
Figure BDA0003328114850000255
左下角部节点序号为(1,1)，横坐标为/>
Figure BDA0003328114850000256
纵坐标为
Figure BDA0003328114850000257
右下角部节点序号为(N,1)，横坐标为/>
Figure BDA0003328114850000258
纵坐标为/>
Figure BDA0003328114850000259
对于左上角部节点，若轧件截面在空冷区，即在喷射集管喷射区之间或者在喷射集管喷射区内但是喷射集管关闭，则其温度计算模型表达式为：
Figure BDA00033281148500002510
若轧件截面在水冷区，即在喷射集管喷射区内且喷射集管开启，则其温度计算模型表达式为：
Figure BDA00033281148500002511
对于右上角部节点，若轧件截面在空冷区，即在喷射集管喷射区之间或者在喷射集管喷射区内但是喷射集管关闭，则其温度计算模型表达式为：
Figure BDA00033281148500002512
若轧件截面在水冷区，即在喷射集管喷射区内且喷射集管开启，则其温度计算模型表达式为：
Figure BDA0003328114850000261
对于左下角部节点，则其温度计算模型表达式为：
Figure BDA0003328114850000262
对于右下角部节点，则其温度计算模型表达式为：
Figure BDA0003328114850000263
式中，hw为水冷换热系数，单位W/(mm2×℃)；ha为空冷换热系数，单位W/(mm2×℃)；Tw为冷却水温度，单位℃；Ta为环境温度，单位℃；εr为轧件热辐射率；σ0为绝对黑体的辐射系数，σ0＝5.67×10-6W/(mm2×K4)；c为轧件比热容，单位J/(kg×℃)；ρ为轧件材质密度，单位kg/mm3；λ为轧件导热系数(热导率)，单位W/(mm×℃)；B为轧件宽度，单位mm；h为轧件厚度，单位mm；Δt为计算时间增量，单位S；
Figure BDA0003328114850000264
为当前时刻节点(i,j)的温度，单位℃；/>
Figure BDA0003328114850000265
为上一时刻节点(i,j)的温度，单位℃；/>
Figure BDA0003328114850000266
为上一时刻节点(i-1,j)的温度，单位℃；/>
Figure BDA0003328114850000267
为上一时刻节点(i+1,j)的温度，单位℃；/>
Figure BDA0003328114850000268
为上一时刻节点(i,j-1)的温度，单位℃；
Figure BDA0003328114850000269
为上一时刻节点(i,j+1)的温度，单位℃。
进一步地，所述空冷换热系数ha为10～100W/(mm2×℃)，所述轧件热辐射率εr为0.4～0.9，所述环境温度Ta为20～40℃。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种热轧碳钢层流冷却喷射集管的冷却水流量获取方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、构造层流冷却系统的工艺布置，并获取工艺参数；
获取的工艺参数包括喷射集管数量、各喷射集管的中心位置、喷射宽度、喷射区域长度及最大冷却水流量以及轧件的厚度、宽度、速度、初始温度和热物性参数；
S2、建立水冷换热系数与水冷流量密度的关系；
S3、划分轧件宽向-厚向截面网格节点，并建立各节点的坐标系参数及温度计算模型，具体包括：建立y-z直角坐标系，其中y轴位于轧件中间厚度位置处，z轴位于轧件中间宽度位置处，将轧件二分之一的宽向-厚向横截面离散成N×M个网格，其中轧件半宽等分为N段，i＝1、2、3...N，网格宽度为
Figure FDA0004191404960000011
轧件半厚等分为M段，j＝1、2、3...M，网格厚度为
Figure FDA0004191404960000012
Δzi,j＝Δzi,j-1＝Δzi,j+1＝Δz，其中Δzi,j为轧件节点(i,j)对应单元的厚向长度，Δzi,j-1为轧件节点(i,j-1)对应单元的厚向长度，Δzi,j+1为轧件节点(i,j+1)对应单元的厚向长度；
根据节点所处的位置，分为内部节点、表面节点、端部节点、芯部节点及角部节点；
对于内部节点，其序号可以表示为(i,j)，i＝2、3、4...N-1，j＝2、3、4...M-1，节点(i,j)横坐标为：
Figure FDA0004191404960000013
纵坐标为：/>
Figure FDA0004191404960000014
其温度计算模型表达式为：
Figure FDA0004191404960000015
对于表面节点，其序号可表示为(i,M)，i＝2、3、4...N-1，节点(i,M)横坐标为
Figure FDA0004191404960000021
纵坐标为/>
Figure FDA0004191404960000022
若轧件截面在空冷区，即在喷射集管喷射区之间或者在喷射集管喷射区内但是喷射集管关闭，则其温度计算模型表达式为：
Figure FDA0004191404960000023
若轧件截面在水冷区，即在喷射集管喷射区内且喷射集管开启，其温度计算模型表达式为：
Figure FDA0004191404960000024
对于端部节点，其序号可表示为(N,j)，j＝2、3、4...M-1，节点(N,j)横坐标为
Figure FDA0004191404960000025
纵坐标为/>
Figure FDA0004191404960000026
其温度计算模型表达式为：
Figure FDA0004191404960000027
对于芯部节点，其中厚度芯部端面节点的序号可表示为(i,1)，i＝2、3、4...N-1，横坐标为
Figure FDA0004191404960000028
纵坐标为/>
Figure FDA0004191404960000029
宽度芯部端面节点的序号可表示为(1,j)，j＝2、3、4...M-1，横坐标为/>
Figure FDA00041914049600000210
纵坐标为/>
Figure FDA00041914049600000211
对于厚向芯部节点，则其温度计算模型表达式为：
Figure FDA00041914049600000212
对于宽向芯部节点，则其温度计算模型表达式为：
Figure FDA0004191404960000031
对于角部节点，其中左上角部节点序号为(1,M)，横坐标为
Figure FDA0004191404960000032
纵坐标为
Figure FDA0004191404960000033
右上角部节点序号为(N,M)，横坐标为/>
Figure FDA0004191404960000034
纵坐标为
Figure FDA0004191404960000035
左下角部节点序号为(1,1)，横坐标为/>
Figure FDA0004191404960000036
纵坐标为/>
Figure FDA0004191404960000037
右下角部节点序号为(N,1)，横坐标为/>
Figure FDA0004191404960000038
纵坐标为/>
Figure FDA0004191404960000039
对于左上角部节点，若轧件截面在空冷区，即在喷射集管喷射区之间或者在喷射集管喷射区内但是喷射集管关闭，则其温度计算模型表达式为：
Figure FDA00041914049600000310
若轧件截面在水冷区，即在喷射集管喷射区内且喷射集管开启，则其温度计算模型表达式为：
Figure FDA00041914049600000311
对于右上角部节点，若轧件截面在空冷区，即在喷射集管喷射区之间或者在喷射集管喷射区内但是喷射集管关闭，则其温度计算模型表达式为：
Figure FDA00041914049600000312
若轧件截面在水冷区，即在喷射集管喷射区内且喷射集管开启，则其温度计算模型表达式为：
Figure FDA0004191404960000041
对于左下角部节点，则其温度计算模型表达式为：
Figure FDA0004191404960000042
对于右下角部节点，则其温度计算模型表达式为：
Figure FDA0004191404960000043
式中，hw为水冷换热系数；ha为空冷换热系数；Tw为冷却水温度；Ta为环境温度；εr为轧件热辐射率；σ0为绝对黑体的辐射系数；c为轧件比热容；ρ为轧件材质密度；λ为轧件导热系数；B为轧件宽度；h为轧件厚度；Δt为计算时间增量；
Figure FDA0004191404960000044
为当前时刻节点(i,j)的温度；/>
Figure FDA0004191404960000045
为上一时刻节点(i,j)的温度；/>
Figure FDA0004191404960000046
为上一时刻节点(i-1,j)的温度；/>
Figure FDA0004191404960000047
为上一时刻节点(i+1,j)的温度；/>
Figure FDA0004191404960000048
为上一时刻节点(i,j-1)的温度；/>
Figure FDA0004191404960000049
为上一时刻节点(i,j+1)的温度；
S4、设定终止计算位置、目标冷却温度及冷却温度控制精度；设定首次计算时全部喷射集管均为关闭状态；
S5、根据设定的各喷射集管的冷却水流量计算水冷换热系数，采用温度计算模型计算层流冷却过程中轧件截面温度分布；判断终止计算位置处的轧件表面温度与目标冷却温度之差是否满足冷却温度控制精度；
若满足，则计算结束；
若不满足，则从层流冷却系统的首个喷射集管开始，依次连续开启喷射集管，每开启一个喷射集管后，若该喷射集管的现有冷却水流量未达到最大流量，则修正该喷射集管的冷却水流量，计算冷却过程中轧件截面温度分布，直至终止计算位置处轧件表面温度与目标冷却温度之差满足冷却温度控制精度，不再开启后续的喷射集管，计算结束，得到各喷射集管的冷却水流量预设定值；若该喷射集管的冷却水流量已达到最大流量，则开启下一个连续的喷射集管。
2.如权利要求1所述的热轧碳钢层流冷却喷射集管的冷却水流量获取方法，其特征在于：步骤S2中建立水冷换热系数与水冷流量密度的关系由水冷试验获得，根据试验结果数据由线性插值法计算相应水冷流量密度条件下对应的水冷换热系数。
3.如权利要求1所述的热轧碳钢层流冷却喷射集管的冷却水流量获取方法，其特征在于：所述空冷换热系数ha为10～100W/(mm2×℃)，所述轧件热辐射率εr为0.4～0.9，所述环境温度Ta为20～40℃。
4.如权利要求1所述的热轧碳钢层流冷却喷射集管的冷却水流量获取方法，其特征在于：每开启一个喷射集管后，判断该喷射集管的现有冷却水流量是否达到最大流量，若该喷射集管的现有冷却水流量未达到最大流量，则开始修正该喷射集管的冷却水流量，每修正一次，转入步骤S5重新计算、判断，当终止计算位置处轧件表面温度与目标冷却温度之差满足冷却温度控制精度时，则计算结束，得到各喷射集管的冷却水流量预设定值；当终止计算位置处轧件表面温度与目标冷却温度之差不满足冷却温度控制精度且该喷射集管的现有冷却水流量未达到最大流量时，继续修正该喷射集管的冷却水流量；当终止计算位置处轧件表面温度与目标冷却温度之差不满足冷却温度控制精度但该喷射集管的现有冷却水流量已达到最大流量，则开启下一个连续的喷射集管。
5.如权利要求1或4所述的热轧碳钢层流冷却喷射集管的冷却水流量获取方法，其特征在于：喷射集管每次修正后的冷却水流量的计算方法如下：
假设某喷射集管的冷却水流量第1次设定时其冷却水流量为q(1)，第1次设定计算后该喷射集管的冷却水增量即修正量为Δq(1)，则：
当r＝1时，q(2)＝q(1)+Δq(1)；
当r≥2时，
Figure FDA0004191404960000061
式中，r为某喷射集管的冷却水流量的修正次数；T为终止计算位置处的目标冷却温度；T(r)为某喷射集管的冷却水流量第r次修正后计算出的终止计算位置处的轧件表面温度；T(r-1)为某喷射集管的冷却水流量第r-1次修正后计算出的终止计算位置处的轧件表面温度；Δq(r-1)为某喷射集管的冷却水流量第r-1次修正后计算得到的该喷射集管的冷却水流量增量即修正量；Δq(r)为某喷射集管的冷却水流量第r次修正后计算得到的该喷射集管的冷却水流量增量即修正量；
则某喷射集管第r次修正后的冷却水流量为：
q(r+1)＝q(r)+Δq(r)。
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