本发明专利涉及一种计算连铸坯高压水除鳞对流换热系数的方法，属于金属热加工轧制工艺领域，尤其适用于热轧厂连铸坯高压水除鳞工艺参数经常变化的除鳞换热系数的计算。
背景技术：
连铸坯在去除氧化铁皮的同时，大量的高压水对连铸坯表面也进行了高强度的冷却，使连铸坯产生温降。在高压水除鳞过程中，高压水与连铸坯之间的对流换热系数是温度场分析的重要参数。只有计算出合理的高压水除鳞换热系数，才能建立准确的轧制前温度场模型，合理控制轧制规程，保证产品质量，提高成材率。目前相关学者在计算高压水除鳞换热系数时仅考虑了部分因素的影响，计算得到的高压水除鳞换热系数相差较大，由此造成后序温度场分析不准确。因此，有必要对高压水除鳞对流换热系数进行分析研究，建立比较实用、完善的数学公式，本发明具有较好的工程应用价值。
技术实现要素：
本发明其目的就在于提供一种计算连铸坯高压水除鳞对流换热系数的方法，解决了目前相关学者在计算高压水除鳞换热系数时仅考虑了部分因素的影响，计算得到的高压水除鳞换热系数相差较大，由此造成后序温度场分析不准确的问题。
为实现上述目的而采取的技术方案是，一种计算连铸坯高压水除鳞对流换热系数的方法，该步骤如下：
步骤1、在待测钢板上距离钢板上表面3-5mm处钻孔，将热电偶置于孔内，然后将钢板加热、保温均匀后移出，采用高压水对钢板表面产生的氧化铁皮进行除鳞；置于钢板内部的热电偶将测到的钢板内部温度通过采集卡发送到计算机，计算机绘制除鳞冷却曲线，即得到此种实验条件下的钢板除鳞内部冷却曲线；
步骤2、改变钢板加热温度，除鳞压力，除鳞距离等参数测得多组钢板除鳞内部冷却曲线；
步骤3、根据反传热原理和实验测得的钢板内部温度冷却曲线，采用deform有限元软件计算各种实验条件下的高压水除鳞对流换热系数；
步骤4、整理各组高压水除鳞对流换热系数和对应条件下水流密度、钢板表面温度之间的关系，并汇总成表格；
步骤5、根据多变量非线性拟合理论，拟合高压水除鳞对流换热系数和水流密度、钢板表面温度之间的非线性表达式，并回归出待定系数，得到高压水除鳞对流换热系数公式；
步骤6、采用回归的高压水除鳞对流换热系数公式计算中厚板厂实际工况下的换热系数；
步骤7、根据计算得到的高压水除鳞换热系数模拟中厚板连铸坯除鳞温度场；
步骤8、现场实测连铸坯表面温度，并与数值模拟的温度进行比较，以此验证采用本发明计算得到的高压水除鳞换热系数是合理的。
所述步骤1钢板的加热温度在1000～1200℃之间，高压水除鳞压力在10～25mpa范围内，除鳞喷嘴距钢板表面的距离在100～250mm之间；钢板的长×宽×厚尺寸为200mm×150mm×25mm，钢板的热传导率为50w/m·℃，比热为875j/kg·℃，密度为7870kg/m3，冷却水的温度为20.1℃。
所述步骤2测得多组钢板内部冷却曲线的方法是先固定两个变量，两个变量包括钢板温度、除鳞压力和喷射距离三个变量之二，再调整另一个参数，然后得到对应条件下的高压水除鳞换热系数和另一个参数的关系；通过改变固定变量，可以得到多组高压水除鳞换热系数的数值。
所述步骤3计算高压水除鳞换热系数的方法是采用deform反传热模型，钢板内部任一点温度场变化的导热微分方程如下：
式中，λx、λy、λz是在x，y，z方向的热传导系数；ρ是钢板的密度；cp是钢板的比热；
根据第三类边界条件：
式中hz是界面处综合换热系数；tw是外界环境温度；
由于在高压水除鳞过程中温度变化快，为了模拟计算更精确，求解的最小时间步长设置为0.001s，每个计算步长的最大温度变化为1℃。
所述步骤4将高压水除鳞压力、喷射距离等参数对高压水除鳞换热系数的影响转换成水流密度与高压水除鳞换热系数的关系；
水压与水流量之间的关系：
式中，q是水流量；μ是流量系数；f是面积；δp是入口出口的压力差；ρ是流体的密度；
水流密度与水流量、水压之间的关系：
式中，ω是水流密度；q是水流量；h是喷射距离；α是高压水喷嘴喷射角；β是高压水喷嘴安装的倾斜角；θ是高压水喷嘴的散射角。
所述步骤5多变量拟合理论是指：多变量的非线性回归；考虑到高压水除鳞换热系数和水流密度、钢板温度之间的关系，采用了分段建模的方法，换热系数模型如下：
式中，a、b、c、d、m是待定系数；ω是水流密度；t是钢板温度；
采用分段函数回归后，得到的公式如下：
所述步骤7模拟中厚板连铸坯除鳞温度场采用的高压水除鳞换热系数是通过本发明建立的公式计算得到的；本次模拟分析的连铸坯钢种为q235b，厚度为230mm，宽度为1650mm，坯料长度为3700mm，出炉温度为1160℃，出炉辊道速度为1m/s。
有益效果
与现有技术相比本发明具有以下优点。
1、采用了实验测量与有限元模拟相结合的计算方法，得到了更接近实际的高压水除鳞换热系数；
2、本发明得到的高压水除鳞换热系数公式可以适用于各种喷嘴、除鳞压力、喷射距离、钢板温度的变化，有更大的使用范围；
3、通过现场实测验证，本发明的高压水除鳞换热系数公式有较高的计算精度；
4、本发明使得获取高压水除鳞换热系数变得简单，省去了相关的实验费用，节约了成本；
5、本发明采用的方法不仅适用于连铸坯高压水除鳞对流换热系数的计算，也适用于计算其它钢坯的高压水除鳞换热系数。
附图说明
以下结合附图对本发明作进一步详述。
图1是本发明的方法流程图；
图2是采用反传热法计算实验1条件下的温度曲线和实测温度曲线比较图；
图3是采用反传热法计算实验2条件下的温度曲线和实测温度曲线比较图；
图4是采用反传热法计算实验3条件下的温度曲线和实测温度曲线比较图；
图5是除鳞喷嘴的安装布置图；
图6是采用本发明的公式结合现场实际工况仿真的模拟温度与实测温度比较图；
图中所示，α-喷射角，β-倾斜角，γ-偏转角，θ-散射角，h-除鳞垂直距离，a-射流长度，b-射流宽度，c-断面覆盖宽度，d-重叠量，e-喷嘴间距。
具体实施方式
一种计算连铸坯高压水除鳞对流换热系数的方法，该方法步骤如下：
步骤1、在待测钢板上距离钢板上表面3-5mm处钻孔，将热电偶置于孔内，然后将钢板加热、保温均匀后移出，采用高压水对钢板表面产生的氧化铁皮进行除鳞；置于钢板内部的热电偶将测到的钢板内部温度通过采集卡发送到计算机，计算机绘制除鳞冷却曲线，即得到此种实验条件下的钢板除鳞内部冷却曲线；
步骤2、改变钢板加热温度，除鳞压力，除鳞距离等参数测得多组钢板除鳞内部冷却曲线；
步骤3、根据反传热原理和实验测得的钢板内部温度冷却曲线，采用deform有限元软件计算各种实验条件下的高压水除鳞对流换热系数；
步骤4、整理各组高压水除鳞对流换热系数和对应条件下水流密度、钢板表面温度之间的关系，并汇总成表格；
步骤5、根据多变量非线性拟合理论，拟合高压水除鳞对流换热系数和水流密度、钢板表面温度之间的非线性表达式，并回归出待定系数，得到高压水除鳞对流换热系数公式；
步骤6、采用回归的高压水除鳞对流换热系数公式计算中厚板厂实际工况下的换热系数；
步骤7、根据计算得到的高压水除鳞换热系数模拟中厚板连铸坯除鳞温度场；
步骤8、现场实测连铸坯表面温度，并与数值模拟的温度进行比较，以此验证采用本发明计算得到的高压水除鳞换热系数是合理的。
所述步骤1钢板的加热温度在1000～1200℃之间，高压水除鳞压力在10～25mpa范围内，除鳞喷嘴距钢板表面在100～250mm之间；钢板的长×宽×厚尺寸为200mm×150mm×25mm，钢板的热传导率为50w/m·℃，比热为875j/kg·℃，密度为7870kg/m3，冷却水的温度为20.1℃。
所述步骤2测得多组钢板内部冷却曲线的方法是先固定两个变量，两个变量包括钢板温度、除鳞压力和喷射距离三个变量之二，再调整另一个参数，然后得到对应条件下的高压水除鳞换热系数和另一个参数的关系；通过改变固定变量，可以得到多组高压水除鳞换热系数的数值。
所述步骤3计算高压水除鳞换热系数的方法是采用deform反传热模型，钢板内部任一点温度场变化的导热微分方程如下：
式中，λx、λy、λz是在x，y，z方向的热传导系数；ρ是钢板的密度；cp是钢板的比热；
根据第三类边界条件：
式中hz是界面处综合换热系数；tw是外界环境温度；
由于在高压水除鳞过程中温度变化快，为了模拟计算更精确，求解的最小时间步长设置为0.001s，每个计算步长的最大温度变化为1℃。
所述步骤4将高压水除鳞压力、喷射距离等参数对高压水除鳞换热系数的影响转换成水流密度与高压水除鳞换热系数的关系；
水压与水流量之间的关系：
式中，q是水流量；μ是流量系数；f是面积；δp是入口出口的压力差；ρ是流体的密度；
水流密度与水流量、水压之间的关系：
式中，ω是水流密度；q是水流量；h是喷射距离；α是高压水喷嘴喷射角；β是高压水喷嘴安装的倾斜角；θ是高压水喷嘴的散射角。
所述步骤5多变量拟合理论是指：多变量的非线性回归；考虑到高压水除鳞换热系数和水流密度、钢板温度之间的关系，采用了分段建模的方法，换热系数模型如下：
式中，a、b、c、d、m是待定系数；ω是水流密度；t是钢板温度；
采用分段函数回归后，得到的公式如下：
所述步骤7模拟中厚板连铸坯除鳞温度场采用的高压水除鳞换热系数是通过本发明建立的公式计算得到的；本次模拟分析的连铸坯钢种为q235b，厚度为230mm，宽度为1650mm，坯料长度为3700mm，出炉温度为1160℃，出炉辊道速度为1m/s。
本发明的流程图如图1所示。
下面具体阐述本发明的实施过程及方法，但本发明的保护范围不局限于下述实例：
步骤1，实验所用钢板尺寸为200mm×150mm×25mm(长×宽×厚)，钢板的热传导率为50w/(m·℃)，比热为875j/(kg·℃)，密度为7870kg/m3，冷却水的温度为20.1℃。在待测钢板上距离钢板上表面3-5mm处钻孔，将热电偶置于孔内，然后分别进行三种实验(实验1加热温度1077℃，除鳞压力20mpa，喷射距离180mm；实验2加热温度1028℃，除鳞压力20mpa，喷射距离160mm；实验3加热温度1039℃，除鳞压力16mpa，喷射距离140mm；)，实验时置于钢板内部的热电偶将测到的钢板内部温度通过采集卡发送到计算机，计算机绘制除鳞冷却曲线，不同实验条件下得到的钢板内部冷却曲线分别见图2至图4中的实测曲线部分。
步骤2，改变钢板加热温度，除鳞压力，除鳞距离等参数测得多组钢板除鳞内部冷却曲线。
当喷嘴距钢板表面距离h＝150mm，钢板加热温度分别为1100、1150、1200℃时，得到了钢板内部温度随除鳞压力的变化情况。
当喷嘴距钢板表面距离h＝150mm，除鳞压力分别为10、15、20mpa时，得到了钢板内部温度随钢板加热温度的变化情况。
当除鳞压力为20mpa，钢板加热温度为1200℃时，得到了钢板内部温度随喷嘴距钢板表面距离的变化情况。
步骤3，根据反传热原理和实验测得的钢板内部温度冷却曲线，采用deform有限元软件计算各种实验条件下的高压水除鳞对流换热系数。
本发明计算高压水除鳞换热系数的方法是采用deform反传热模型，钢板内部任一点温度场变化的导热微分方程如下：
式中，λx、λy、λz是在x，y，z方向的热传导系数；ρ是钢板的密度；cp是钢板的比热；
根据第三类边界条件：
式中hz是界面处综合换热系数；tw是外界环境温度。
由于在高压水除鳞过程中温度变化快，为了模拟计算更精确，求解的最小时间步长设置为0.001s，每个计算步长的最大温度变化为1℃。
选择合理的温度控制点对计算结果的正确性有很大的影响。为了提高表面换热系数值的计算精度，在条件允许的情况下多选择一些温度控制点，同时保证温度控制点连线与实测冷却曲线尽量接近。
通过deform反传热模型模拟分析后，当模拟计算获得的温度曲线和实测的温度曲线拟合较好时，得到了高压水除鳞换热系数。实验1至实验3模拟温度曲线与实测温度曲线的比较见图2至图4。从图中看出，实测温度曲线和模拟计算的温度曲线吻合较好，计算得到的高压水除鳞换热系数是合理的。
步骤4，整理各组高压水除鳞对流换热系数和对应条件下水流密度、钢板表面温度之间的关系，并汇总成表格。
高压水除鳞时，无论除鳞喷嘴尺寸如何，水压大小及喷射距离的变化，除鳞效果及对钢板表面的冷却效应都是取决于打击在钢板表面的水流密度。为了适应不同工况的高压水除鳞工艺，本发明将高压水除鳞压力、喷射距离等参数对高压水除鳞换热系数的影响转换成水流密度与高压水除鳞换热系数的关系。
水压与水流量之间的关系：
式中，q是水流量；μ是流量系数；f是流通面积；δp是入口出口的压力差；ρ是流体的密度。
水流密度与水流量、水压之间的关系：
式中，ω是水流密度；q是水流量；h是喷射距离；α是高压水喷嘴喷射角；β是高压水喷嘴安装的倾斜角；θ是高压水喷嘴的散射角。
除鳞喷嘴的安装布置图见图5。
当钢板加热温度分别为1000、1100、1200℃时，高压水除鳞换热系数与水流密度的关系见表1。
表1高压水除鳞换热系数和水流密度的关系
当水流密度分别为100、200、300m3/(min·m2)时，高压水除鳞换热系数与钢板温度的关系见表2。
表2高压水除鳞换热系数和钢板温度的关系
步骤5，根据多变量非线性拟合理论，拟合高压水除鳞对流换热系数和水流密度、钢板表面温度之间的非线性表达式，并回归出待定系数，得到高压水除鳞对流换热系数公式。
建立回归函数：h＝f(ω,t,a,b,c,d,m)，
考虑到高压水除鳞换热系数和水流密度、钢板温度之间的关系，采用了分段建模的方法，换热系数模型如下：
式中，h高压水除鳞换热系数；a、b、c、d、m是待定系数；ω是水流密度；t是钢板温度。
当ω≤120m3/(min·m2)时，
h＝aωb10mt
左右两边取对数，有
lgh＝lga+blgω+mt
令y＝lgh，c0＝lga，c1＝b，x1＝lgω，c2＝m，x2＝t，代入式中，可得
y＝c0+c1x1+c2x2
采用逐步回归分析法，回归出的待定系数经过整理后如下：
a＝1278，b＝1.55，m＝-0.0014。
当ω>120m3/(min·m2)时，
h＝(clnω+d)10mt
此方程属于2元非线性回归方程，方程里有3个待定系数。使用matlab自定义函数进行非线性回归方法处理，得出待定系数如下：
c＝365892，d＝769931，m＝-0.0014。
采用分段函数回归后，最终得到的公式如下：
步骤6，采用回归的高压水除鳞对流换热系数公式计算中厚板厂实际工况下的换热系数。
根据现场生产的高压水除鳞工艺参数，按照水流密度计算公式计算出对应工况下的水流密度为137.1m3/(min·m2)；代入本发明回归的换热系数公式计算得出高压水除鳞换热系数h为61087w/(m2·℃)；此数值可以作为高压水除鳞温度场仿真计算边界条件的输入数据。
步骤7，根据计算得到的高压水除鳞换热系数模拟中厚板连铸坯除鳞温度场。
本次模拟分析的连铸坯钢种为q235b，厚度为230mm，宽度为1650mm，坯料长度为3700mm，出炉温度为1160℃，出炉辊道速度为1m/s。
为了提高模拟的精度，采用三维有限元温度场分析模型，连铸坯的热传导微分方程如下：
本次模拟分析选择的是第三类边界条件，定义的是周围介质温度和时间的变化规律，以及周围介质与连铸坯之间的热交换规律。
经过模拟后得到的连铸坯表面温度变化见图6。
步骤8，现场实测连铸坯表面温度，并与数值模拟的温度进行比较，以此验证采用本发明计算得到的高压水除鳞换热系数是合理的。
本次温度测量是在国内某中厚板厂现场进行的。测量的连铸坯和数值仿真的连铸坯是同一批次的，钢种，尺寸规格，加热制度等均相同。根据现场的实际情况，连铸坯温度测量的起始位置在加热炉出口处。为了保证测温点处不受水蒸汽的干扰，其它温度测量点在高压水除鳞后至轧机前。
设加热炉出炉的时间点为初始时刻，在初始时刻后设置了5个温度测量点，具体各个测温点的时间间隔见表3。
表3温度测量时间间隔
有限元模拟温度与实测温度的比较见图6。
从图中可以看出，有限元模拟的温度与现场实测温度的最大相对误差在2.6％左右，最小相对误差在0.2％左右，说明通过有限元模拟计算得到的温度和实测温度相接近，有限元分析的温度场与实际相符。同时也证明了本发明建立的连铸坯高压水除鳞换热系数模型正确，通过此换热系数数学模型计算得到的高压水除鳞换热系数合理，可以作为有限元温度场分析的前提条件。
本发明的原理是：根据实验测得的高压水除鳞冷却曲线，采用反传热模型仿真计算，得到不同实验条件下的高压水除鳞换热系数；通过多变量非线性回归理论，得到了高压水除鳞对流换热系数公式；通过生产现场实际应用，证明了此公式的合理性。