本發(fā)明涉及冶金自動化過程控制領(lǐng)域，具體地，特別涉及一種方坯加熱過程溫度分布的計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

軋制工序是鋼鐵生產(chǎn)的重要工序，其能耗約占整個鋼鐵生產(chǎn)流程的10％，而加熱爐則是軋鋼生產(chǎn)中最主要的能耗設(shè)備。在現(xiàn)有技術(shù)裝備和工藝生產(chǎn)條件下，通過開發(fā)加熱爐模型，預(yù)測在加熱爐運(yùn)行過程中鋼坯內(nèi)部的溫度分布變化情況，從而提供優(yōu)化的爐溫設(shè)定值，減少燃?xì)庀?，對于降低加熱爐能耗，提高生產(chǎn)效率，具有顯著意義。

目前熱軋加熱爐溫度模型的研究主要集中在板坯加熱爐方面，研究方法主要包括利用計(jì)算流體動力學(xué)CFD對爐內(nèi)溫度場進(jìn)行仿真模擬的方法，以及通過對板坯傳熱的基本數(shù)學(xué)物理方法進(jìn)行數(shù)值求解的方法。CFD方法主要用于描述板坯爐內(nèi)溫度場、速度場的穩(wěn)態(tài)過程，而數(shù)值方法可用于預(yù)測板坯在爐內(nèi)加熱過程。

但是，方坯由于界面的寬、高比，爐內(nèi)布料等特點(diǎn)，在模型開發(fā)上與板坯存在明顯的不同，主要表現(xiàn)在側(cè)面熱流密度的計(jì)算上，所以板坯加熱爐溫度模型的計(jì)算方法并不能完全適用于方坯溫度分布的計(jì)算。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上問題，本發(fā)明的目的是提供一種方坯加熱過程溫度分布的計(jì)算方法，以解決現(xiàn)有板坯加熱爐溫度模型計(jì)算方法不能完全適用于方坯溫度分布計(jì)算的問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明所述方坯加熱過程溫度分布的計(jì)算方法，在加熱爐中分布有活動梁，活動梁中設(shè)置有水梁，所述計(jì)算方法包括以下步驟:

(1)選取計(jì)算域并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，且計(jì)算域中包含水梁；

(2)確定邊界條件如下：

方坯上表面采用綜合熱流密度邊界條件：

方坯下表面與水梁接觸處采用第三類邊界條件：

方坯下表面其他位置采用綜合熱流密度邊界條件：

方坯兩側(cè)采用上下爐膛綜合換熱量：q_L＝αq_T+(1-α)q_B，

式中，為熱流密度，單位W/m²；σ為玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10^-8W/(m²·K⁴)；為總括熱吸收率；h為換熱系數(shù)，單位W/(m²·K)；T_w為水梁內(nèi)水溫，單位K；T_f為爐溫，單位K；T_s為方坯表面溫度，單位K；q_L為方坯側(cè)面換熱量，單位W；q_T為方坯上表面換熱量，單位W；q_B為方坯下表面換熱量，單位W；α為系數(shù)，且0＜α＜1；

(3)建立二維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程；

(4)求解方程，輸出方坯溫度分布。

優(yōu)選的，在步驟(1)中，對計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，在活動梁中的水梁與方坯表面接觸處對網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，其他位置成比例疏松網(wǎng)格劃分。

優(yōu)選的，假設(shè)爐溫呈分段線性分布，是沿爐長方向分布的函數(shù)；熱交換過程中，忽略方坯氧化鐵皮的影響；加熱過程中方坯在爐內(nèi)勻速運(yùn)動。

優(yōu)選的，在步驟(4)中，采用交替隱式差分簡化方程，使方程成為對三角矩陣，用追趕法進(jìn)行求解。

優(yōu)選的，在進(jìn)行步驟(1)之前，還包括：

獲取方坯和加熱爐相關(guān)參數(shù)；

計(jì)時器清零并開始計(jì)時；

對加熱爐內(nèi)方坯按照軋制順序進(jìn)行排列，并檢索爐內(nèi)方坯號；

若方坯號為空，則結(jié)束計(jì)算；

若方坯號不為空，則按照所述步驟(1)、步驟(2)、步驟(3)和步驟(4)對爐內(nèi)方坯溫度進(jìn)行計(jì)算；將計(jì)算結(jié)果寫入方坯跟蹤區(qū)，繼續(xù)檢索爐內(nèi)方坯號。

本發(fā)明所述方坯加熱過程溫度分布的計(jì)算方法根據(jù)方坯界面的寬、高比和爐內(nèi)布料等特點(diǎn)，采用不同于板坯加熱過程計(jì)算的方法計(jì)算方坯表面溫度和側(cè)面熱流密度，且充分考慮到水梁滑塊與方坯之間以及受水梁遮蔽作用所產(chǎn)生的熱交換，使得本發(fā)明計(jì)算得到的方坯升溫曲線與實(shí)測值更接近，能夠起到準(zhǔn)確的溫度預(yù)報(bào)，提高了方坯的加熱質(zhì)量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述方坯加熱過程溫度分布的計(jì)算方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明所述方坯物理模型示意圖；

圖3是本發(fā)明檢測爐內(nèi)方坯號的流程圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，以便于本發(fā)明更加清楚和易于理解。

圖1是本發(fā)明所述方坯加熱過程溫度分布的計(jì)算方法的流程圖，如圖1所示，對方坯加熱過程溫度分布的計(jì)算方法，包括以下步驟：

(1)選取計(jì)算域并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，且計(jì)算域中包含水梁，充分考慮到水梁對方坯在爐內(nèi)升溫的影響；

(2)確定邊界條件如下：

方坯上表面采用綜合熱流密度邊界條件：

方坯下表面與水梁接觸處采用第三類邊界條件：

方坯下表面其他位置采用綜合熱流密度邊界條件：

方坯兩側(cè)采用上下爐膛綜合換熱量：q_L＝αq_T+(1-α)q_B，

式中，為熱流密度，單位W/m²；σ為玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10^-8W/(m²·K⁴)；為總括熱吸收率；h為換熱系數(shù)，單位W/(m²·K)；T_w為水梁內(nèi)水溫，單位K；T_f為爐溫，單位K；T_s為方坯表面溫度，單位K；q_L為方坯側(cè)面換熱量，單位W；q_T為方坯上表面換熱量，單位W；q_B為方坯下表面換熱量，單位W；α為系數(shù)，且0＜α＜1；

(3)建立二維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程；

(4)求解方程，輸出方坯溫度分布。

其中，在步驟(1)中，對計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，在活動梁中的水梁與方坯表面接觸處對網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，其他位置成比例疏松網(wǎng)格劃分，以便于準(zhǔn)確測量水梁對方坯升溫的影響，且其他位置成比例疏松網(wǎng)格可以減少計(jì)算量，如圖2所示。

如圖2所示，方坯在爐內(nèi)加熱的過程中，方坯上、下表面與爐氣發(fā)生熱交換，換熱量分別為q_T和q_B，方坯側(cè)面換熱量為q_L，在水梁1與方坯接觸的位置處，水梁與方坯之間發(fā)生對流換熱，換熱系數(shù)為h，此模型將水梁包含在其中，充分考慮到水梁對方坯升溫的影響，使計(jì)算結(jié)果更加接近實(shí)測值。

在對方坯加熱過程溫度分布計(jì)算時，采用二維非穩(wěn)態(tài)的數(shù)學(xué)模型，做出如下假設(shè)：

a)爐溫呈分段線性分布，是沿爐長方向分布的函數(shù)；

b)熱交換過程中，忽略方坯氧化鐵皮的影響；

c)加熱過程中方坯在爐內(nèi)勻速運(yùn)動。

對網(wǎng)格點(diǎn)建立方坯內(nèi)部導(dǎo)熱的二維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程，具體表述為：

式中，ρ表示方坯的密度，單位Kg/m³；Cp表示方坯的比熱，單位J/(kg·℃)；t表示方坯溫度，單位℃；τ表示時間，單位s；λ表示方坯導(dǎo)熱系數(shù)，單位W/(m·℃)。

采用交替隱式差分簡化上述方程，使方程成為對三角矩陣，用追趕法進(jìn)行求解。

方坯上、下表面的總括熱吸收率以及水梁位置處的熱流密度，采用黑匣子實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)試。

圖3是本發(fā)明檢測爐內(nèi)方坯號的流程圖。如圖3所示，在進(jìn)行步驟(1)之前，需要進(jìn)行對方坯號的檢測，只有方坯號不為空時，再進(jìn)行爐內(nèi)方坯溫度的計(jì)算。具體包括以下步驟：

獲取加熱爐爐長、水梁位置、熱電偶位置、方坯材質(zhì)規(guī)格、加熱時間等相關(guān)參數(shù)，作為方坯溫度計(jì)算的基礎(chǔ)；

計(jì)時器清零并開始計(jì)時；

對加熱爐內(nèi)方坯按照軋制順序進(jìn)行排列，并檢索爐內(nèi)方坯號；

若方坯號為空，則結(jié)束計(jì)算；

若方坯號不為空，則按照上述步驟(1)、步驟(2)、步驟(3)和步驟(4)對爐內(nèi)方坯溫度進(jìn)行計(jì)算，獲取方坯在加熱爐內(nèi)各時刻的溫度分布；將計(jì)算結(jié)果寫入方坯跟蹤區(qū)，繼續(xù)檢索爐內(nèi)方坯號。