一種層流冷卻溫度場的建模方法及系統的製作方法

2023-10-18 20:12:04

一種層流冷卻溫度場的建模方法及系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種層流冷卻溫度場的建模方法，具體為：將帶鋼沿長度和厚度方向劃分為網格；將帶鋼運動轉換為冷水閥門的反向同速運動，計算當前時刻冷水閥門相對帶鋼的位置，以判定鋼段處於水冷散熱模式還是空冷散熱模式；在對應散熱模式下，對鋼段的表層鋼塊按照熱輻射散熱、空氣對流散熱、水對流散熱和熱傳導散熱進行溫度計算，對鋼段的內層鋼塊層按照熱傳導散熱進行溫度計算。本發明還提供了實現上述方法的系統。本發明能夠確定鋼板在層流冷卻過程中每個時刻的溫度值，同時獲取鋼板在厚度和長度方向的溫度場，對層流冷卻生產過程有很好的指導作用。
【專利說明】一種層流冷卻溫度場的建模方法及系統
【技術領域】
[0001]本發明屬於鋼鐵冶金領域，具體而言，它是一種層流冷卻溫度場的建模方法及系統。
【背景技術】
[0002]鋼鐵工業是支持國民經濟發展的重要支柱產業，現代鋼鐵工業的發展水平是一個國家技術進步和綜合國力的重要體現。對於熱軋帶鋼，其性能不僅取決於熱軋工藝，更決定於軋制之後的控制冷卻技術。熱卷取溫度能否控制在要求範圍之內，則主要取決於對精軋機後熱帶鋼冷卻系統的控制。
[0003]通常卷取溫度隨鋼種變化而變化，即使相同鋼種，如果碳等微量元素的含量不同，卷取溫度也有不同的要求。多數鋼種的卷取溫度在670°C以下，約為570°C~650°C。通常，熱帶鋼從精軋機組出來的終軋溫度約為800°C~900°C，而大部份熱軋鋼生產線的輸出輥道都在幾十到一百多米，帶鋼在此段輥道上的運行時間一般為幾秒到幾十秒之間。在如此短的時間內要使帶鋼溫度降低200°C~350°C，僅靠帶鋼在輸出輥道上的自然冷卻是不可能的，必須要在輸出輥道上設置高效率冷卻的噴水裝置，對帶鋼上下表面噴水進行強制冷卻，並對噴水量進行準確控制，以滿足卷取溫度的控制要求。
[0004]由於鋼板的性能與鋼板內部溫度分布以及變化速率有關，因此對鋼板內部的溫度場的計算測量就是冶金領域非常重要的問題，但是，由於軋後水冷過程中會產生水蒸氣使鋼板表面的溫度測量非常困難，而且現有科技條件下鋼板內部溫度是不可測量的，因此一般情況下在工業生產中採用建立溫度場的模型方法，通過溫度場的模型來計算鋼板內部溫度的分布和變化速率。現有的溫度場模型一般只考慮厚度方向的一維的溫度場忽略長度方向的溫度波動，或者有些薄 鋼板只考慮長度方向的溫度場而將厚度方向的溫度差異忽略。有些層流冷卻溫度場模型考慮了長度和厚度方向的溫度場，但是僅僅是某一時刻的溫度分布，無法對整個生產過程中每個時刻的溫度場都進行描述。

【發明內容】

[0005]本發明針對現有帶剛溫度場建模方法的不足，提供一種帶鋼層流冷卻溫度場的建模方法及系統，其目的在於能夠確定鋼板在層流冷卻過程中每個時刻的溫度值，同時獲取鋼板在厚度和長度方向的溫度場，對層流冷卻生產過程有很好的指導作用，克服了現有技術溫度測量不全面和實時性差的問題。
[0006]一種熱軋帶鋼層流冷卻溫度場建模方法，包括以下步驟:
[0007](I)帶鋼網格劃分步驟:
[0008]將帶鋼沿長度和厚度方向劃分為網格，令第i段第j層的鋼塊表示為(i，j), i =
I,…，M, j = I,…，N, M表示總段數，N表示總層數；
[0009](2)鋼段冷卻模式確定步驟:
[0010]將帶鋼運動轉換為冷水閥門的反向同速運動，計算當前時刻冷水閥門相對帶鋼的位置；若帶鋼的第i段鋼正對冷水閥門處，則判定第i段鋼處於水冷散熱模式，否則，判定第i段鋼處於空冷散熱模式；
[0011](3)鋼塊溫度計算步驟，包括表面鋼塊溫度計算子步驟和內部鋼塊溫度溫度計算子步驟，具體為:
[0012]表面鋼塊溫度計算子步驟:計算第i段鋼上表面鋼塊(i，I)和下表面鋼塊(i，N)的
熱含量變化dQ(i，D = dQ(i』N) = dQ福射+dQ.；^流+dQ內節點傳熱，dQ福射表不鋼塊(i, I)或(i，N)表面輻射的熱量變化率，示鋼塊(i，I)或(i，N)在水冷散熱模式下或空冷散熱模式下的對流散熱變化率，表示鋼塊(i，I)或(i，N)與其同段鋼內相鄰節點的傳熱變化率；對第i段鋼表面鋼塊(i，I)和(i，N)的熱含量變化率積分運算得到鋼塊(i，I)和(i，N)在當前時刻的熱量，進而確定鋼塊(i，I)和(i，N)在當前時刻的溫度；
[0013]內部鋼塊溫度溫度計算子步驟:計算第i段鋼內的鋼塊(i，j), j = 1，-,N-1的熱含量變化率dQ(i，j) = (%#)+(%，j+1);對第i段鋼內部鋼塊(i，j), j = 1，-,N-1的熱含量變化率積分運算得到鋼塊(i，j), j = 1，-,N-1在當前時刻的熱量，進而確定鋼塊(i，j), j=1，…，N-1在當前時刻的溫度。
[0014]進一步地，所述鋼塊(i，I)或(i，N)在水冷散熱模式下或空冷散熱的對流散熱變化率dQ表面對流的計算方法為:
[0015]dQ表面對流=F.α.(T' -T0).d τ
[0016]F為鋼塊(i，I)或(i，N)的表面積，α為水冷散熱模式下或空冷散熱的對流散熱係數，T'為鋼塊(i，I)或(i，N)在前一時刻的溫度值，Ttl為帶鋼的初始溫度，τ表示時間。
[0017]進一步地，所述對水冷散熱模式或空冷散熱模式下的流散熱係數α按照如下方式確定:
[0018]定義時間段Λ τ內，表面積為F的鋼板在水流冷卻或者空氣冷卻作用下由溫度T1降到T2，表面積為F的鋼板在時間段Λ τ內的散熱量Qwwiffi，計算溫度(T1-T2)A處的對流散熱係數α —Q 表面)^流 /F.(T1 T2).Λ τ 0
[0019]一種熱軋帶鋼層流冷卻溫度場建模系統，包括
[0020]帶鋼網格劃分模塊，用於將帶鋼沿長度和厚度方向劃分為網格，令第i段第j層的鋼塊表示為(i, j )，i = 1，…，M, j = I,…，N, M表示總段數，N表示總層數；
[0021]鋼段冷卻模式確定模塊，用於將帶鋼運動轉換為冷水閥門的反向同速運動，計算當前時刻冷水閥門相對帶鋼的位置；若帶鋼的第i段鋼正對冷水閥門處，則判定第i段鋼處於水冷散熱模式，否則，判定第i段鋼處於空冷散熱模式；
[0022]鋼塊溫度計算模塊，包括表面鋼塊溫度計算子模塊和內部鋼塊溫度溫度計算子模塊；
[0023]表面鋼塊溫度計算子模塊，用於計算第i段鋼上表面鋼塊(i，I)和下表面鋼塊(i，N)的熱含量變化dQ(i；1) = dQ(i』N) = dQ福射+dQ_對流+dQ內節點傳熱，dQ福射表不鋼塊(i, I)或
(i, N)表面輻射的熱量變化率，ClQwws表示鋼塊(i，I)或(i，N)在水冷散熱模式下或空冷散熱模式下的對流散熱變化率，表示鋼塊(i，I)或(i，N)與其同段鋼內相鄰節點的傳熱變化率；對第i段鋼表面鋼塊(i，I)和(i，N)的熱含量變化率積分運算得到鋼塊(i，I)和(i, N)在當前時刻的熱量，進而確定鋼塊(i，I)和(i，N)在當前時刻的溫度；
[0024]內部鋼塊溫度溫度計算子模塊，用於計算第i段鋼內的鋼塊(i，j), j = 1，-,N-1的熱含量變化率dQ(i，j) = (%#)+(%#);對第i段鋼內部鋼塊(i，j)，j = 1，- ,N-1的熱含量變化率積分運算得到鋼塊(i，j), j = 1，- ,N-1在當前時刻的熱量，進而確定鋼塊(i, j), j = 1，…，N-1在當前時刻的溫度。
[0025]本發明的有益技術效果體現在:
[0026]本發明針對熱軋帶鋼過程中層流冷卻過程設計了溫度模型的建模方法。將鋼板按照長度和厚度兩個方向劃分為網格小塊，針對不同段和不同層分別進行溫度計算，增加了鋼板溫度場的精確性。通過控制冷卻機構的移動來模擬鋼板的移動，簡化了鋼板運動軌跡的計算；針對不同厚度層的特徵採用不同的散熱模塊。不同的散熱模塊在不同的時間、空間內作用既可以相互聯繫相互耦合，又有一定的獨立性，修改一個模塊的參數不會影響其他模塊的準確性。抓住帶鋼層流冷卻過程的特點，運用以靜制動的方法對層流冷卻過程進行全面重點的描述。
[0027]作為優化，在表層鋼塊溫度計算過程中，利用歷史對流散熱值迭代更新確定當前對流散熱值，提高了計算精度。
[0028]總而言之，本模型不僅可以獲取層流冷卻鋼板動態的溫度變化趨勢，而且可以計算出每個時刻層流冷卻鋼板的溫度變化以及鋼板沿厚度和長度方向的溫度，對層流冷卻的生產過程有很好的指導價值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1是本發明建模方法流程圖；
[0030]圖2是本發明厚度方向溫度場建立示意圖；
[0031]圖3是本發明長度方向溫度場建立示意圖；
[0032]圖4是本發明鋼板位置控制計算過程示意圖。`【具體實施方式】
[0033]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。
[0034]參見圖1，本發明建模方法具體為:
[0035](I)帶鋼網格劃分步驟:
[0036]在層流冷卻過程中當鋼板的厚度達到一定數量時，由於內部熱傳導的速率比水冷散熱的速率慢很多，就造成了表層溫度與內部溫度不一致的現象，因此這時不能把鋼板的表面溫度和內部溫度作為一致來處理。如圖2所示，本發明沿鋼板的厚度方向自上而下將鋼板劃分為N層，具體N的數值根據鋼板的厚度大小，以及鋼板要求的終軋溫度精確度進行確定。其中第I層和第N層是鋼板的上下表層，因此存在熱輻射散熱、空氣對流換熱、水對流換熱；同時，第I層和第N層還存在與鋼板內部相鄰層的熱傳導換熱。內部各層第2層到第η-1層存在向上向下兩個方向的熱傳導。
[0037]層流冷卻生產條件不能保證層流冷卻初始溫度穩定輸入，而且由於鋼板再生產過程中採用的是加速運行的方式，為了減少帶鋼溫度和速度的波動對溫度場模型的影響，如圖3所示，本發明將長度方向劃分為等長度的M段，每段的長度等於冷卻區單個閥門區的長度。
[0038]經過長度和厚度方向的劃分得到網格令，網格中第i段第j層的鋼塊表示為(i, j), i = I, 「.，Μ, j = I,…，N, M表示總段數，N表示總層數。在每一鋼塊內每一點的溫度一致，這樣經過帶鋼分段處理帶鋼的溫度模型就轉換為每段的溫度模型。
[0039](2)鋼段冷卻模式確定步驟:
[0040]當鋼板在空冷區運行的時候，鋼板表面的散熱方式為空氣對流散熱、熱輻射散熱以及與鋼板內部層熱傳導。當鋼板運行到水冷區的下方時，鋼板的散熱方式轉換為水對流散熱、熱輻射散熱以及與鋼板內部層熱傳導。僅空氣對流散熱和水對流散熱兩者進行的切換。由於鋼板運行時每個結點都在運動，而且速度隨時間的變化而變化計算每個模塊的運行軌跡非常複雜，因此本發明將帶鋼運動轉換為冷水閥門的反向同速運動，替代計算確定鋼段是否處於水冷散熱位置。
[0041]將帶鋼運動轉換為冷水閥門的反向同速運動，計算當前時刻冷水閥門相對帶鋼的位置；若帶鋼的第i段鋼正對應冷水閥門處，則判定第i段鋼處於水冷散熱模式，否則，判定第i段鋼處於空冷散熱模式。
[0042]圖4所示為鋼板運行位置計算示意圖。結合圖3所示，本模型是運用水對流散熱工作位置的相對運動來模擬鋼板的運行。鋼板運行位置計算法計算出鋼板是否運行到水冷區域。如圖所示當冷卻閥門運行到鋼板第i_2塊和第1-Ι塊的下方，閥門開啟對本塊進行噴水，此兩塊的水對流散熱進行工作，而第i塊、第i+Ι塊、第i+2等各塊則進行空氣對流散熱工作。鋼板運行位置計算法實時採集鋼板第i塊的相對於閥門的運行速度V並對其進行積分，得到的結果就是閥門相對鋼板的位置S，同時，每個時刻的s與設定開啟的閥門區域L1、L2、L3等進行對比，如果s在閥門區第i塊的水對流散熱就開始工作，當s離開閥門區空氣對流散熱工作，第1-Ι塊的`水對流散熱開始工作。隨著時間的變化，水冷換熱與空冷換熱不斷切換，閥門工作的位置相對鋼板發生移動，以此來模擬鋼板在層流冷卻區域的運動。
[0043](3)鋼塊溫度計算步驟:
[0044]各鋼段的第I層和第N層發生熱輻射散熱、空氣對流散熱、水對流散熱、熱傳導散熱；第2層到第N-1層僅發生熱傳導散熱。當帶鋼運行到冷水閥門下方，閥門開啟對下方的鋼塊進行噴水，該鋼塊的就進行水對流散熱；否則，進行空氣對流換熱。
[0045](31)計算表面鋼塊溫度
[0046]計算第i段鋼表面鋼塊(i，I)和(i，N)的熱含量變化率dQai) = dQ(i；N) = dQ_+收_對流+卯內節點傳a，dQ福射表示鋼塊(i, I)或(i，N)表面輻射的熱量變化率，dQ麵對流表示鋼塊(i，O或(i，N)在水冷散熱模式下或空冷散熱的對流散熱變化率，示鋼塊(i，I)或(i，N)與其同段鋼內相鄰節點的傳熱變化率；對第i段鋼表面鋼塊(i，I)和(i，N)的熱含量變化率積分運算得到鋼塊(i，I)和(i，N)在當前時刻的熱量，進而根據熱量計算鋼塊(i，I)和(i，N)在當前時刻的溫度。
[0047]水對流換熱與空氣對流換熱的不同在於兩者的對流換熱係數不同，因此採用同一個公式進行計算。所述鋼塊(i，I)或(i，N)在水冷散熱模式下或空冷散熱的對流散熱變化率dQ_^的計算方法為:
[0048]dQ 表面對流=F.α.(T, -T0).d τ[0049]F為鋼塊(i，I)或(i，N)的表面積，α為水冷散熱模式下或空冷散熱的對流散熱係數，T'為鋼塊(i，I)或(i，N)在前一時刻的溫度值，Ttl為帶鋼的初始溫度，τ表示時間，d表不微分。
[0050]定義時間段Λ τ內，表面積為F的鋼板在水流冷卻作用下由溫度T1降到T2，表面積為F的鋼板在時間段Λ τ內的散熱量Qwws，計算溫度(T1-T2)/2處的對流散熱係數α=* (T「T2).Λ τ O通過建立表格的方法建立起不同溫度處對應的對流散熱係數α數值，在兩個溫度值中間對應的對流散熱係數α採用插值法進行計算，實際應用中通過查表法即可快速獲取α值。空冷散熱模式下的散熱係數的確定與上述方法相同。
[0051]鋼塊(i，I)或(i，N)表面輻射的熱量變化率算是根據高溫熱軋件單位面積和單位時間熱福射能量遵循Stefen-Boltzman定律,其具體描述如下:
[0052]
【權利要求】
1.一種熱軋帶鋼層流冷卻溫度場建模方法，包括以下步驟: (1)帶鋼網格劃分步驟: 將帶鋼沿長度和厚度方向劃分為網格，令第i段第j層的鋼塊表示為(i，j)，i =I,…，M, j = I,…，N, M表示總段數，N表示總層數； (2)鋼段冷卻模式確定步驟: 將帶鋼運動轉換為冷水閥門的反向同速運動，計算當前時刻冷水閥門相對帶鋼的位置；若帶鋼的第i段鋼正對冷水閥門處，則判定第i段鋼處於水冷散熱模式，否則，判定第i段鋼處於空冷散熱模式； (3)鋼塊溫度計算步驟，包括表面鋼塊溫度計算子步驟和內部鋼塊溫度溫度計算子步驟，具體為: 表面鋼塊溫度計算子步驟:計算第i段鋼上表面鋼塊(i，O和下表面鋼塊(i，N)的熱含量變化dQ(i，D = dQ(i』N) = dQ福射+dQ.；^流+dQ內節點傳熱，dQ福射表不鋼塊(i, I)或(i, N)表面輻射的熱量變化率，dQ#Β5--表示鋼塊(i，I)或(i，N)在水冷散熱模式下或空冷散熱模式下的對流散熱變化率，表示鋼塊(i，I)或(i，N)與其同段鋼內相鄰節點的傳熱變化率；對第i段鋼表面鋼塊(i，I)和(i，N)的熱含量變化率積分運算得到鋼塊(i，I)和(i，N)在當前時刻的熱量，進而確定鋼塊(i，I)和(i，N)在當前時刻的溫度； 內部鋼塊溫度溫度計算子步驟:計算第i段鋼內的鋼塊(i，j)，j = 1，-,N-1的熱含量變化率dQaj) = (%#)+(%#);對第i段鋼內部鋼塊(i，j), j = I, - ,N-1的熱含量變化率積分運算得到鋼塊(i, j), j = I, *.., N-1在當前時刻的熱量,進而確定鋼塊(i, j), j =1，- ,N-1在當前時刻的溫度。
2.根據權利要求1所述的熱軋帶鋼層流冷卻溫度場建模方法，其特徵在於，所述鋼塊(i，I)或(i，N)在水冷散熱模式下或空冷散熱的對流散熱變化率ClQwws的計算方法為:
dQ表面對流=F.α.(T' -T0).d τ F為鋼塊(i, I)或(i，N)的表面積，α為水冷散熱模式下或空冷散熱的對流散熱係數，Ti為鋼塊(i，I)或(i，N)在前一時刻的溫度值，Ttl為帶鋼的初始溫度，τ表示時間。
3.根據權利要求2所述的熱軋帶鋼層流冷卻溫度場建模方法，其特徵在於，所述對水冷散熱模式或空冷散熱模式下的流散熱係數α按照如下方式確定: 定義時間段Λ τ內，表面積為F的鋼板在水流冷卻或者空氣冷卻作用下由溫度T1降到T2,表面積為F的鋼板在時間段Λ τ內的散熱量計算溫度(T1-T2) /2處的對流散熱係數a = Q表面對流/F.(T1-T2).Δ τ。
4.一種熱軋帶鋼層流冷卻溫度場建模系統，包括 帶鋼網格劃分模塊，用於將帶鋼沿長度和厚度方向劃分為網格，令第i段第j層的鋼塊表示為(i，j )，i = 1，…，M, j = I,…，N, M表示總段數，N表示總層數； 鋼段冷卻模式確定模塊，用於將帶鋼運動轉換為冷水閥門的反向同速運動，計算當前時刻冷水閥門相對帶鋼的位置；若帶鋼的第i段鋼正對冷水閥門處，則判定第i段鋼處於水冷散熱模式，否則，判定第i段鋼處於空冷散熱模式； 鋼塊溫度計算模塊，包括表面鋼塊溫度計算子模塊和內部鋼塊溫度溫度計算子模塊； 表面鋼塊溫度計算子模塊，用於計算第i段鋼上表面鋼塊(i，I)和下表面鋼塊(i，N)的熱含量變化dQ(i，D = dQ(i』N) = dQ福射+dQ.；^流+dQ內節點傳熱，dQ福射表不鋼塊(i, I)或(i，N)表面輻射的熱量變化率，示鋼塊(i，I)或(i，N)在水冷散熱模式下或空冷散熱模式下的對流散熱變化率，表示鋼塊(i，I)或(i，N)與其同段鋼內相鄰節點的傳熱變化率；對第i段鋼表面鋼塊(i，I)和(i，N)的熱含量變化率積分運算得到鋼塊(i，I)和(i，N)在當前時刻的熱量，進而確定鋼塊(i，I)和(i，N)在當前時刻的溫度； 內部鋼塊溫度溫度計算子模塊，用於計算第i段鋼內的鋼塊(i，j), j = 1，-,N-1的熱含量變化率dQ(i，j) = (%#)+(%，j+1);對第i段鋼內部鋼塊(i，j), j = 1，-,N-1的熱含量變化率積分運算得到鋼塊(i，j), j = 1，-,N-1在當前時刻的熱量，進而確定鋼塊(i，j), j=1，…，N-1在當前時刻的溫度。
【文檔編號】G06F17/50GK103559334SQ201310479981
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月15日 優先權日:2013年10月15日
【發明者】李曦, 李雙宏, 楊傑, 王奕, 張琳 申請人:華中科技大學