一种环形加热炉加热工艺优化方法与流程

本发明属于冶金领域，尤其涉及一种用于金属热处理的环形加热炉的加热工艺及控制方法。
背景技术：
：钢在加热过程，进入奥氏体组织之前，若加热速度太快时，钢坯内外温度不均匀，会产生热应力，当应力难以松弛，且拉应力较大时，就可能导致钢坯开裂。尤其是高合金钢，热导率小，导热性差，热应力相对较大。因此，高合金钢在低温加热阶段，加热速度应取较小值。开始奥氏体转变后，虽然会因相变而出现组织应力，但这种应力由于奥氏体为软韧相，且由于钢材塑性变好，因而可松弛应力，所以这阶段的加热速度可以快些。事实上，钢坯在高温加热阶段，在实际生产中难以采用较大升温速度进行加热，一方面是因为高温段炉子散热增大，另一个方面是，当珠光体转变为奥氏体时，需要吸收相变潜热，从而影响升温速度。尤其对于环形加热炉而言，管坯放置在炉底转盘上，采用上部单侧加热，管坯单面受热，同时受到相邻管坯和炉底的影响，使得管坯温度的均匀性不好，这不仅影响到管坯轧制过程的钢管尺寸精度，还容易导致钢管内外表面出现裂纹等质量缺陷。因此，利用环形炉进行高合金钢管坯加热时，合理的加热工艺非常重要，一般的工艺控制思想是，降低其在低温加热过程的升温速率，增加在炉时间，以确保管坯温度的均匀性。但是一直以来，因为缺少计算手段，高合金钢的加热工艺制定还是以生产经验为主，往往造成不必要的能源浪费。授权公告日为2011年7月20日，授权公告号为CN101775475B的中国发明专利，公开了“一种热轧管坯的加热工艺”，针对控制段的脉冲烧嘴，按照设定的换向周期和换向间隔依次循环燃烧，通过合理设置各控制段内外侧的炉温，控制出炉热管坯的头部与尾部温差范围，使进入连轧机毛管的头尾温度较为均匀，为连轧机的轧制提供更好的条件。该技术方案主要涉及炉温的燃烧控制，并给出各控制段工艺炉温范围，但不涉及加热工艺的炉温、时间等具体信息的制定规则。授权公告日为1998年11月11日，授权公告号为CN1040662C的中国发明专利，公开了一种“钢的最佳加热速度加热工艺”，该技术方案以最小能耗为目标，通过协调加热温度和加热时间，给出钢的最佳加热速度。该方案主要适用于碳钢，而且根据其方案所得到的给出炉温，无法适用于环形加热炉。公开日为2011年05月04日，公开号为CN102041372A的中国发明专利申请，公开了一种“低合金、碳素钢大管坯在环形炉中的加热工艺方法”，该技术方案通过快速升温并在高温段保留一段时间的加热方式，提高管坯产能，使加热温度能够更好适应不同轧制节奏。该技术方案可适用于碳素钢和低合金钢，但不适用于高合金钢。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是提供一种环形加热炉加热工艺优化方法，其主要针对高合金钢，以控制炉内管坯的热应力和出炉温度为目标，采用模型计算，确定管坯在加热过程中，各控制段的工艺炉温和工艺在炉时间。本技术方案通过合理设计管坯在环形加热炉中的工艺炉温和工艺在炉时间，能够有效降低管坯在加热过程中因热应力过高而产生表面裂纹的风险，提高产品加热质量，同时有利于降低加热炉排烟温度，减少工序能耗。本发明的技术方案是：提供一种环形加热炉加热工艺优化方法，其特征所述的工艺优化方法包括下列步骤：步骤1、根据热传导偏微分方程和炉内热辐射总括系数方法，建立环形炉内管坯温度模型；根据管坯断面热膨胀的差异，建立热应力模型；步骤2、建立加热工艺的调整流程和调整规则，调整流程指外环的工艺在炉时间调整和内环的工艺温度调整，调整规则指模型计算结果和加热工艺调整细则的对应关系；步骤3、针对给定加热工艺，利用步骤1中的管坯温度模型和热应力模型，计算对应于加热工艺不同时刻的管坯温度和热应力值；步骤4、采用步骤3计算结果，判断当前加热工艺状态，结合步骤2建立的加热工艺调整流程和加热工艺调整规则，通过迭代计算实现加热工艺调整，最终输出符合工艺要求的加热工艺。其所述步骤1中的管坯温度模型，忽略长度方向的传热，采用二维热传导方程，采用常规的差分解法，在管坯半径方向和角度方向，迭代计算管坯的温度分布。在所述步骤1中管坯温度模型的表达形式如下：其中：λ，管坯热导率，单位W/(m×K)；c，管坯比热，单位J/(kg×K)；ρ，管坯密度，单位kg/(m3)；T，管坯温度，单位℃；r，表示管坯截面2维网格在半径方向的坐标，r1，rM分别为网格的最小、最大 半径；为了兼顾计算的稳定性和精度，r1可以取一个大于0的极小值；θ，表示管坯截面2维网格在角度方向的坐标，θ1、θN分别为网格的最小、最大角度；所述的管坯表面对应于不同角度θ，从加热炉内获取的热量，可以通过总括系数法获得：其中：α(θ)为角度θ对应的综合辐射系数，可以结合黑匣子试验或通过有限元模拟计算获取；σ为Stefan-Boltzmann常数，取值5.67W/(m2×K4)；Tg(t)为对应t时刻的工艺炉温。具体的，所述的步骤1中的热应力模型可以采用如下公式计算：F＝κ(T)×E(T)×ΔT其中，κ(T)为管坯线膨胀系数，单位1E-6/K；E(T)为管坯弹性模量，MPa；ΔT为管坯不同节点之间温差。具体的，在所述步骤2中，建立加热工艺的调整流程和加热工艺的调整规则如下：所述加热工艺的调整流程包括内、外两个闭环；其中，外环调节时间，内环调节温度，因此定义外环工艺为调时工艺，内环工艺为调温工艺；在首次进行工艺调节时，调时工艺和调温工艺都和初始工艺一致；外环的时间调节是针对前一次的调时工艺进行调节，每次完成时间调节后，需采用调节后的调时工艺重置内环的调温工艺；同样，内环的温度调节是针对前一次的调温工艺进行 调节；所述加热工艺的调整规则具体包括如下：①满足条件FMax≥FAim，应力段降温；其中，FMax是对应于当前工艺计算得到的管坯断面局部最大热应力，FAim是加热过程所允许的最大热应力；其中所述的应力段，定义为超出目标应力的当前控制段；②满足条件Tave-TAim>ΔT1，温度段降温；其中，Tave是对应于当前工艺计算得到的管坯出炉平均温度，TAim是工艺给出目标出炉温度，ΔT1是工艺允许最大出炉温度偏差；温度段定义为应力段到出炉位置之间的所有控温段，如果不存在应力段，则所有的控温段均为温度段。③满足条件Tave-TAim<-ΔT1，温度段升温；④满足条件tcalcu-tAim>Δt，减少工艺在炉时间；其中，tcalcu是当前工艺下，计算管坯平均温度达到TAim后的在炉时间；tAim是工艺给出保温时间；Δt是工艺允许的保温时间偏差；⑤满足条件tcalcu-tAim<-Δt，增加工艺在炉时间；⑥同时满足如下条件，输出调整后加热工艺：进一步的，在所述的步骤3中，所述的给定加热工艺，是指当前调整流程中的调温工艺；在进行管坯温度和热应力计算时，首先需要获取相关计算参数；所述的相关计算参数至少包括工艺温度、工艺在炉时间、管坯尺寸、管坯比热、管坯热导率、管坯密度、管坯线膨胀系数、管坯弹性模量。进一步的，在所述的步骤3中，将步骤1中建立的管坯温度模型，采用有限差分方式，进行迭代求解，可以获取对应于加热工艺不同时刻的管坯温度；然后，针对不同时刻的管坯温度分布，获取管坯内部节点的局部温差ΔT，再利用步骤1建立的热应力模型，获取对应于加热工艺不同时刻的管坯断面节点热应力，并通过比较得到局部最大热应力。进一步的，在所述的步骤4中，首先，根据步骤3输出的不同时间、不同位置下的管坯温度和热应力，判断计算值和工艺目标值之间的关系，确定工艺调节过程中应力段、温度段所对应的具体控制段；其次，根据步骤2建立的加热工艺调整流程和加热工艺调整规则，选择合适的调节温度和调节时间，实现工艺的优化调整，并输出符合工艺要求的加热工艺。进一步的，在所述的步骤4中，假设当前加热工艺以及对应的计算结果，包含了如下信息：表示应力段的工艺炉温、表示温度段的工艺炉温、t工艺表示工艺在炉时间，Tstep表示温度调节量，tstep表示时间调节量；则有，满足步骤2定义调整规则①，下次迭代计算的工艺炉温调整为：满足步骤2定义调整规则②，下次迭代计算的工艺炉温调整为：满足步骤2定义调整规则③，下次迭代计算的工艺炉温调整为：满足步骤2定义调整规则④，下次迭代计算的工艺在炉时间调整为：t工艺＝t工艺-tstep满足步骤2定义调整规则⑤，下次迭代计算的工艺在炉时间调整为：t工艺＝t工艺+tstep满足步骤2定义调整规则⑥，输出当前调时工艺为最终优化加热工艺。本技术方案所述的加热工艺优化方法，以控制炉内管坯的热应力和出炉温度为目标，采用模型计算，确定管坯在加热过程中，各控制段的工艺炉温和工艺在炉时间。本技术方案所述的加热工艺优化方法，通过合理设计管坯在环形加热炉中的工艺炉温和工艺在炉时间，能够有效降低管坯在加热过程中因热应力过高而产生表面裂纹的风险，提高产品加热质量，同时有利于降低加热炉排烟温度，减少工序能耗。与现有技术比较，本发明的优点是：1.所述的工艺优化方法主要针对高合金钢，以控制炉内管坯的热应力和出炉温度为目标，采用管坯温度模型和管坯热应力模型，确定管坯在加热过程中，各控制段的工艺炉温和工艺在炉时间；2.通过离线计算，实现工艺优化，对计算时间没有限制，因此温度调节和时间调节均可取很小值；3.通过合理设计管坯在环形加热炉中的工艺炉温和工艺在炉时间，能够有效降低管坯在加热过程中因热应力过高而产生表面裂纹的风险，提高产品加热质量，同时有利于降低加热炉排烟温度，减少工序能耗。附图说明图1是本发明的工艺优化流程示意图；图2是本发明环形炉应力段和温度段的示意图；图3是本发明对应于初始工艺的管坯温度及热应力的示意图；图4是本发明对应于调整完成后的加热工艺示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。本发明的技术方案提供了一种环形加热炉加热工艺优化方法，其发明点在于所述的工艺优化方法包括下列步骤：步骤1、根据热传导偏微分方程和炉内热辐射总括系数方法，建立环形炉内管坯温度模型；根据管坯断面热膨胀的差异，建立热应力模型；步骤2、建立加热工艺的调整流程和调整规则，调整流程指外环的工艺在炉时间调整和内环的工艺温度调整，调整规则指模型计算结果和加热工艺调整细则的对应关系；步骤3、针对给定加热工艺，利用步骤1中的管坯温度模型和热应力模型，计算对应于加热工艺不同时刻的管坯温度和热应力值；步骤4、采用步骤3计算结果，判断当前加热工艺状态，结合步骤2建立的加热工艺调整流程和加热工艺调整规则，通过迭代计算实现加热工艺调整，最终输出符合工艺要求的加热工艺。本技术方案的具体内容为：根据步骤1，管坯温度模型，忽略长度方向的传热，采用二维热传导方程，采用常规的差分解法，在管坯半径方向和角度方向，迭代计算管坯的温度分布。形式如下：其中：λ，管坯热导率，单位W/(m×K)；c，管坯比热，单位J/(kg×K)；ρ，管坯密度，单位kg/(m3)；T，管坯温度，单位℃；r，表示管坯截面2维网格在半径方向的坐标，r1，rM分别为网格的最小、最大半径；θ，表示管坯截面2维网格在角度方向的坐标，θ1、θN分别为网格的最小、最大角度。为了兼顾计算的稳定性和精度，r1可以取一个大于0的极小值，管坯表面对应于不同角度θ，从加热炉内获取的热量可以通过总括系数法计算：其中：α(θ)为角度θ对应的综合辐射系数，可以结合黑匣子试验或通过有限元模拟计算获取；σ为Stefan-Boltzmann常数，取值5.67W/(m2×K4)；Tg(t)为对应t时刻的工艺炉温。根据步骤1，热应力模型可以采用如下公式计算：F＝κ(T)×E(T)×ΔT其中，κ(T)为管坯线膨胀系数，单位1E-6/K；E(T)为管坯弹性模量，MPa；ΔT为管坯不同节点之间温差。根据步骤2，建立加热工艺的调整流程和调整规则如下：加热工艺的调整流程包括内、外两个闭环，外环调节时间，内环调节温度，因此定义外环工艺为调时工艺，内环工艺为调温工艺。具体流程可参考图1中所示。在首次进行工艺调节时，调时工艺和调温工艺都和初始工艺一致；外环的时间调节是针对前一次的调时工艺进行调节，每次完成时间调节后，需采用调节后的调 时工艺重置内环的调温工艺；同样，内环的温度调节是针对前一次的调温工艺进行调节。加热工艺的调整规则具体包括如下：①满足条件FMax≥FAim，应力段降温。其中，FMax是对应于当前工艺计算得到的管坯断面局部最大热应力，FAim是加热过程所允许的最大热应力；应力段定义为超出目标应力的当前控制段；②满足条件Tave-TAim>ΔT1，温度段降温。其中，Tave是对应于当前工艺计算得到的管坯出炉平均温度，TAim是工艺给出目标出炉温度，ΔT1是工艺允许最大出炉温度偏差；温度段定义为应力段(不包含应力段)到出炉位置之间的所有控温段，如果不存在应力段，则所有的控温段均为温度段。③满足条件Tave-TAim<-ΔT1，温度段升温。④满足条件tcalcu-tAim>Δt，减少工艺在炉时间。其中，tcalcu是当前工艺下，计算管坯平均温度达到TAim后的在炉时间；tAim是工艺给出保温时间；Δt是工艺允许的保温时间偏差。⑤满足条件tcalcu-tAim<-Δt，增加工艺在炉时间。⑥同时满足如下条件，输出调整后加热工艺：本技术方案中所述的应力段和温度段的具体划分，可参考图2中所示。该方法通过离线计算，实现工艺优化，对计算时间没有限制，因此温度调节和时间调节均可取很小值，例如，温度调节量采用1～10℃，时间调节量采用1～10min。根据步骤3，针对给定加热工艺，利用步骤1模型，计算对应于不同时刻的管坯温度和热应力值。此处涉及的给定加热工艺，具体来说，是指当前调整流程中的调温工艺。在进行管坯温度和热应力计算时，首先需要获取相关计算参数，具体包括工艺温度、工艺在炉时间、管坯尺寸、管坯比热、管坯热导率、管坯密度、管坯线膨胀系数、管坯弹性模量等信息。将步骤1建立的管坯温度模型，采用有限差分方式，进行迭代求解，可以获取对应于加热工艺不同时刻的管坯温度；然后，针对不同时刻的管坯温度分布，获取管坯内部节点的局部温差ΔT，再利用步骤1建立的热应力模型，获取对应于加热工艺不同时刻的管坯断面节点热应力，并通过比较得到局部最大热应力。根据步骤4，采用步骤3计算结果，判断当前加热工艺状态，利用步骤2建立的流程和规则，通过迭代计算实现加热工艺调整，最终输出符合工艺要求的加热工艺。具体来说，首先，根据步骤3输出的不同时间、不同位置下的管坯温度和热应力，判断计算值和工艺目标值之间的关系，确定工艺调节过程中应力段、温度段所对应的具体控制段；其次，根据步骤2建立的调整流程和调整规则，选择合适的调节温度和调节时间，实现工艺的优化调整，并输出符合工艺要求的加热工艺。不失一般性，假设当前加热工艺以及对应的计算结果，包含了如下信息：表示应力段的工艺炉温、表示温度段的工艺炉温、t工艺表示工艺在炉时间，Tstep表示温度调节量，tstep表示时间调节量。则有，满足步骤2定义调整规则①，下次迭代计算的工艺炉温调整为：满足步骤2定义调整规则②，下次迭代计算的工艺炉温调整为：满足步骤2定义调整规则③，下次迭代计算的工艺炉温调整为：满足步骤2定义调整规则④，下次迭代计算的工艺在炉时间调整为：t工艺＝t工艺-tstep满足步骤2定义调整规则⑤，下次迭代计算的工艺在炉时间调整为：t工艺＝t工艺+tstep满足步骤2定义调整规则⑥，输出当前调时工艺为最终优化加热工艺。实施例：某环形加热炉共分为炉尾段、预热1段、预热2段、加热1段、加热2段、加热3段、均热1段、均热2段等8个物理段，除炉尾段外，其余7段均为控温段，各段长度比例关系为60：30：30：55：55：55：35：35。现有某合金钢坯，直径300mm，工艺要求管坯出炉目标温度为1220±10℃以内，均热保温时间30min，在低温快速升温过程的产生的断面局部最大热应力低于300Mpa。初始工艺给定在炉加热时间210min，各控制段对应工艺炉温见表1：表1初始加热工艺表控制段预热1预热2加热1加热2加热3均热1均热2工艺炉温℃1050118012201260126012401240根据步骤1，管坯温度模型，忽略长度方向的传热，采用二维热传导方程，采用常规的差分解法，在管坯半径方向和角度方向，迭代计算管坯的温度分布。圆坯的2维形式如下：管坯从加热炉内获取的热量可以通过总括系数法计算：在实施例中，管坯断面角度方向θ取值[0，π]，半径方向r取值[0.001,150mm]，2个维度均划分网格节点数量N＝5，初始温度T0(r,θ)取值20；利用总括系数法计算管坯表面热流时，σ取值5.67W/(m2×K4)，α(θ)沿不同角度的取值分别为0.3，0.45，0.75，0.85，0.90。管坯对应材料参数λ、c、ρ见表2。根据步骤1，热应力模型采用如下公式计算：F＝κ(T)×E(T)×ΔTΔT为管坯不同节点之间温差，κ、E取值参考表2。表2管坯对应物性参数温度℃λcρκE025469774511.122310026481772212.121820027523769612.621230028557766713.120540028615763814.119850027703760814.51926002780875751518570026959754215.917880025871751916.717190027653752417.1140100028645746317.6132110029649739718124120030661733118.2116130031678726518.2113根据步骤2，建立加热工艺的调整流程和调整规则。加热工艺调整流程包括外环时间调节和内环温度调节，具体流程参考图1中所示。定义工艺在炉时间调整后的加热工艺为调时工艺，工艺温度调整后的加热工艺为调温工艺。在首次进行工艺调节时，调时工艺和调温工艺都和初始工艺一致，在本实施例中，即采用表1所示初始工艺；在调整流程中，外环的调时工艺是在初始工艺的基础上，对工艺在炉时间进行迭代调整，后一次调整的初始值采用前一次的调整结果；内环的调温工艺的初值采用最新的调时工艺，然后在此基础上进行工艺温度的迭代调整。本实施例中，不妨定义初始加热工艺为Craft0，调时工艺用M(i)表示，调温工艺用N(i)表示，i表示对应工艺的第i次调整。则有如下关系：M(1)＝Craft0；N(1)＝M(1)N(2)＝N(1)+温度调节量N(i+1)＝N(i)+温度调节量……M(2)＝M(1)+时间调节量N(k)＝M(2)N(k+1)＝N(k)+温度调节量……当满足产品工艺要求时，结束调整，调整过程通过程序迭代计算自动实现。本实施例中，加热工艺的调整规则具体包括如下：①满足条件FMax≥FAim，应力段降温。其中，FMax是对应于调温工艺N(i)，模型计算管坯断面局部最大热应力；FAim是加热过程所允许的最大热应力，本实施例中取300Mpa；应力段定义为超出目标应力的当前控制段；②满足条件Tave-TAim>ΔT1，温度段降温。其中，Tave是对应于调温工艺N(i)，模型计算管坯出炉平均温度；TAim是工艺给出目标出炉温度，本实施例中取值1220℃；ΔT1是工艺允许最大出炉温度偏差，在本实施例中取值10℃；温度段定义为应力段(不包含应力段)到出炉位置之间的所有控温段，如果不存在应力段，则所有的控温段均为温度段。③满足条件Tave-TAim<-ΔT1，温度段升温。④满足条件tcalcu-tAim>Δt，减少工艺在炉时间。其中，tcalcu是对应于调温工艺N(i)，计算管坯平均温度达到TAim后，管坯还在加热炉内的停留时间；tAim是工艺给出保温时间，在本实施例中，取值30min；Δt是工艺允许的保温时间偏差，在本实施例中，取值2min。⑤满足条件tcalcu-tAim<-Δt，即增加工艺在炉时间。⑥同时满足如下条件，输出调整后加热工艺：在本实施例中，单步温度调整值取5℃，单步时间调整值取2min。根据步骤3，针对给定加热工艺，利用步骤1模型，计算对应于不同时刻的管坯温度和热应力值。此处涉及的给定加热工艺，具体来说，是指当前调整流程中的调温工艺N(i)。以N(1)为例，计算得到对应于初始工艺的管坯温度及热应力的计算结果如图3中所示。根据步骤4，采用步骤3计算结果，判断当前加热工艺状态，利用步骤2建立的流程和规则，通过迭代计算实现加热工艺调整，最终输出符合工艺要求的加热工艺。以加热工艺N(1)的计算结果为例，在预热1段，模型计算管坯在加热过程的最大热应力为340Mpa，较目标值300Mpa大，因此定义预热1段为应力段；其余控温段为温度段。模型计算管坯的出炉温度达到1235℃，超出管坯出炉目标温度1220±10℃的要求。因此，在本次调整过程中，取值预热1段的工艺炉温，即：其余各控制段均采用对应的工艺温度表示根据步骤2建立的调整流程和调整规则，当前计算结果满足调整规则①，因此，下次迭代计算的应力段炉温调整为：当前调整后的加热工艺N(2)下表，在炉时间210min：控制段预热1预热2加热1加热2加热3均热1均热2工艺炉温℃1045118012201260126012401240然后再以N(2)为例，利用步骤3进行模型计算，并根据步骤4进行判断调整，通过这样不断迭代，直到调整后的加热工艺满足目标要求，则停止迭代，输出调整后的加热工艺。在本实施例中，通过反复迭代后，最终得到加热工艺对应的加热时间为200min，各控制段的工艺炉温为：控制段预热1预热2加热1加热2加热3均热1均热2工艺炉温℃1010109012101250125012301230对应于调整完成后的加热工艺，计算结果如图4中所示。由该图可知，模型计算管坯在加热过程的最大热应力为295Mpa，较目标值300Mpa小，满足加热过程的管坯断面热应力限制；模型计算管坯的出炉温度达到1225℃，满足管坯出炉目标温度1220±10℃的要求；均热时间29min，满足管坯加热过程的均热要求。本发明的技术方案主要针对高合金钢，以控制炉内管坯的热应力和出炉温度为目标，采用管坯温度模型和管坯热应力模型，确定管坯在加热过程中，各控制段的工艺炉温和工艺在炉时间；该技术方案通过合理设计管坯在环形加热炉中的工艺炉温和工艺在炉时间，能够有效降低管坯在加热过程中因热应力过高而产生表面裂纹的风险，提高产品加热质量，同时有利于降低加热炉排烟温度，减少工序能耗。本发明可广泛用于高合金管坯在环形加热炉加热时的加热工艺及生产控制领域。当前第1页1 2 3