一种H型钢坯加热过程温度分布计算方法与流程

本发明涉及冶金自动化过程控制领域，具体地，特别涉及一种H型钢坯加热过程温度分布计算方法。

背景技术：

工业炉窑是我国能源消耗的大户，其所消耗的能源约占全国总能耗的25％左右。仅在冶金系统就有各种轧钢加热炉5000余座，其能耗约占冶金行业总能耗的60～70％。近年来，由于采用了综合节能技术，轧钢加热炉、均热炉、热处理炉和锻造炉等典型均取得了一定的节能效益，但与国外钢铁企业相比差距仍很大。由此可见，我国工业炉窑节能的潜力很大，推广工业炉窑的节能技术具有十分重要的意义。

H型钢坯在步进式加热炉炉膛内的辐射换热是传热的主要方式，H型钢坯加热的质量直接影响钢材的质量和产量，运用合理的加热制度加热H型钢坯，使H型钢坯出炉后达到轧制所要求的温度分布，有利于提高钢材的质量。通常无法直接测量得出H型钢坯在炉内加热过程的温度分布，而采用数学模拟的方法得到。对炉膛传热研究的数学模型一般都采用一维长炉模型，即将炉长分成若干炉段，在每一炉段内用平均炉气温度来代替该段的温度分布，一般要考虑各炉段之间的辐射换热，而不考虑炉内水梁滑块与H型钢坯之间以及受水梁遮蔽作用产生的热交换，使得模型计算得到的H型钢坯在炉内升温曲线与实测值有很大偏差。

技术实现要素：

鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种H型钢坯加热过程温度分布计算方法，将水梁滑块与H型钢坯之间以及水梁遮蔽作用所产生的热交换考虑在内，以解决模型计算得到的H型钢坯在炉内加热过程升温曲线与实测值有很大偏差的问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

本发明所述H型钢坯加热过程温度分布计算方法，其中，在加热炉中分布有活动梁，活动梁中设置有水梁，包括以下步骤：

1)根据初始炉温设定值，确定炉内钢坯所在位置处的炉温；

2)选取计算区域，且计算区域将水梁包含在其中，并对计算区域进行网格划分；

3)计算钢坯表面的热流密度；

4)判断是否达到设定加热时间，若未达到，则继续计算，若达到，则进行步骤5)；

5)判断是否满足加热要求，若不满足，则返回至步骤1)，若满足，则进行步骤6)；

6)输出钢坯温度，并绘制钢坯升温曲线。

7)结束。

优选的，加热炉炉温是沿炉长方向分布的函数，根据加热炉内热电偶的位置，采用线性插值的方法确定炉内钢坯所在位置处的炉温。

优选的，在步骤2)中，对计算区域进行网格划分时，在水梁位置处以及H型钢坯腹板和翼板交接处采用较密的网格划分，其他位置采用成比例的疏密划分。

优选的，在步骤2)中，在网格点建立钢坯二维非稳态导热微分方程，分别沿x方向和y方向离散化钢坯截面，根据钢坯前一时刻的温度分布和炉温确定此时刻的温度分布，若为第一次计算，则此时刻的温度分布为初始温度。

进一步地，优选的，钢坯上表面设置为热流密度边界条件，钢坯下表面与水梁接触处设置为第三类边界条件，钢坯下表面其他位置设置为热流密度边界条件。

进一步地，在步骤3)中，根据相邻钢坯之间的辐射角系数、炉气对钢坯的对流换热系数、炉气黑度、炉气吸收率以及炉气对钢坯的辐射角系数计算钢坯表面的热流密度，钢坯上下表面的热流密度按下述公式计算：

式中，q_T为钢坯上表面的热流密度，W/m²；q_B为钢坯下表面的热流密度，W/m²；k为修正系数；σ_g为综合辐射系数，W/(m²·K⁴)；T_f为炉温，℃；T_s为钢坯表面温度，℃；T_w为水梁内的水温，℃；h为对流换热系数，W/(m²·K)；

钢坯两侧的热流密度为：

q_L＝αq_T+(1-α)q_B

式中，q_L为钢坯侧面的热流密度，W/m²；α为系数，且0＜α＜1。

优选的，在步骤6)中，输出的钢坯温度为钢坯表面温度、钢坯中心温度和钢坯的断面温差。

本发明所述H型钢坯加热过程温度分布计算方法，选取的计算域将水梁包含在其中，将水梁滑块与钢坯之间的热交换以及受水梁遮蔽作用所产生的热交换考虑在内，使得计算得到的钢坯升温曲线与实测值更接近，在线生产时能够起到节能降耗的作用。

附图说明

图1是本发明所述计算方法的流程图；

图2是本发明的物理模型示意图；

图3是本发明对H型钢坯的网格划分示意图。

具体实施方式

现结合附图对本发明做进一步的说明，以便于其更加清楚和易于理解。

图1是本发明所述计算方法的流程图。如图1所示，在加热炉中分布有活动梁，活动梁中设置有水梁，在进行H型钢坯加热过程温度分布计算时，包括以下步骤：

1)输入加热炉各段初始炉温设定值，拟定加热炉炉内温度由入炉端至出炉端的温度分布曲线，判断钢坯在炉内的位置，确定所在位置处的炉温；

其中，关于加热炉炉温的计算，设定加热炉炉温是沿炉长方向分布的函数，根据加热炉内热电偶的位置，采用线性插值的方法确定炉内钢坯所在位置处的炉温，作为整个计算的基础。加热炉内各炉段均会预埋1～2个热电偶。

2)选取计算区域，且计算区域将水梁包含在其中，并对计算区域进行网格划分；

3)通过计算相邻钢坯之间的辐射角系数、炉气对钢坯的对流换热系数、炉气黑度、炉气吸收率以及炉气对钢坯的辐射角系数，计算钢坯表面的热流密度；

4)判断是否达到设定加热时间，若未达到，则继续计算，若达到，则进行步骤5)，其中，钢坯在炉内的加热时间根据不同钢种和钢坯尺寸来设定；

5)判断是否满足加热要求，若不满足，则返回至步骤1)，若满足，则进行步骤6)；

6)输出钢坯温度，并绘制钢坯升温曲线，其中，输出的钢坯温度为钢坯重要位置处的温度，包括钢坯表面温度、钢坯中心温度和钢坯的断面温差。

7)结束。

在步骤2)中，对计算区域进行网格划分时，在水梁位置处以及H钢坯腹板和翼板交接处采用较密的网格划分，其他位置采用成比例的疏密划分。

对计算模型简化，作如下假设：

a)炉温分布不随时间变化，认为炉膛内介质温度在所分段内是均匀一致的，并且忽略沿炉长方向各个炉段之间的辐射换热；

b)忽略沿钢坯长度方向的导热，由于钢坯间隙放置，因此，可将钢坯的内部传热近似认为无限长坯上、下及两侧四面受热的二维非稳态导热，并认为两侧面的受热条件相同；

c)忽略钢坯表面的氧化铁皮对传热的影响；

d)炉墙内表面及钢坯表面黑度视为常数。

钢坯在步进式加热炉内加热，钢坯表面受到炉气、炉墙的辐射传热及炉气的对流传热，钢坯内部以热传导的方式传递热量。在网格点建立钢坯内部导热的二维非稳态导热微分方程，即考虑钢坯内部温度沿宽度和高度方向变化，分别沿x方向和y方向离散化钢坯截面，如图2所示，根据钢坯前一时刻的温度分布和炉温确定此时刻的温度分布，若为第一次计算，则此时刻的温度分布为初始温度。

钢坯内部二维非稳态导热微分方程，具体表述如下：

式中，ρ表示钢坯的密度，单位Kg/m³；Cp表示钢坯的比热，单位J/(kg·℃)；t表示钢坯温度，单位℃；τ表示时间，单位s；λ表示钢坯导热系数，单位W/(m·℃)。

边界条件假设和设置如下：

a)假设同一炉段内上、下炉膛总括热吸收率相同；

b)钢坯上表面采用综合热流密度边界条件，

c)钢坯下表面与水梁滑块接触位置处采用第三类边界条件，

钢坯下表面其他位置采用综合热流密度边界条件，

式中，为热流密度，单位W/m²；σ为玻尔兹曼常数，5.67×10^-8W/(m²·K⁴)；φ_CF为总括热吸收率；h为换热系数，单位W/(m²·K)；T_f为炉温，单位K；T_s为钢坯表面温度，单位K；T_w为水梁内的水温，单位K；

对上述钢坯内部二维非稳态导热微分方程，采用交替隐式差分简化方程，使其成为对三角矩阵并用追赶法进行求解。

通过黑匣子实验测量上、下炉膛的总括热吸收率，以及钢坯与水梁接触时的换热系数。

如图2和图3所示，q_T和q_B分别表示钢坯上、下表面的热流密度，q_L表示钢坯侧面的热流密度。H型钢坯包括腹板1和翼板2，在进行网格划分时，在腹板1和翼板2的交接处对网格加密。

计算相邻钢坯之间的辐射角系数、炉气对钢坯的对流换热系数、炉气黑度、炉气吸收率以及炉气对钢坯的辐射角系数，并根据上述计算结果来计算钢坯表面的热流密度，按下述公式计算钢坯上下表面的热流密度：

式中，q_T为钢坯上表面的热流密度，单位W/m²；q_B为钢坯下表面的热流密度，单位W/m²；k为修正系数；σ_g为综合辐射系数，单位W/(m²·K⁴)；T_f为炉温，单位℃；T_s为钢坯表面温度，单位℃；T_w为水梁内的水温，单位℃；h为对流换热系数，单位W/(m²·K)；ε_g为炉气黑度系数；ε为钢坯表面黑度系数，0.8-0.85；为炉衬对钢坯表面角系数；L_m为钢坯长度，单位m；N_m为钢坯排数；H为炉膛高度，单位m；B为炉膛宽度，单位m；

其中，炉气的黑度ε_g按如下公式计算：

式中，为CO₂的黑度；为H₂O的黑度；为CO₂的分压力，单位atm；为H₂O的分压力，单位atm；S为平均射线行程，单位m；

钢坯两侧的热流密度为：

q_L＝αq_T+(1-α)q_B

式中，q_L为钢坯侧面的热流密度，单位W/m²；α为系数，且0＜α＜1。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。