[发明专利]一种方坯加热过程温度分布的计算方法

说明书

本发明公开了一种方坯加热过程温度分布的计算方法，属于冶金自动化过程控制领域。所述计算方法包括：选取计算域并进行网格划分，且计算域中包含水梁；确定不同于板坯加热的边界条件，方坯两侧采用上、下炉膛综合换热量；建立方坯内部导热的二维非稳态导热微分方程；求解方程，输出方坯温度分布。本发明解决了由于方坯界面的宽、高比，不同于板坯而使板坯温度分布计算方法不适用于方坯的问题，且在计算中充分考虑了水梁对方坯加热的影响，使计算得到的方坯升温曲线更加接近实测值。

技术领域

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

背景技术

轧制工序是钢铁生产的重要工序，其能耗约占整个钢铁生产流程的10％，而加热炉则是轧钢生产中最主要的能耗设备。在现有技术装备和工艺生产条件下，通过开发加热炉模型，预测在加热炉运行过程中钢坯内部的温度分布变化情况，从而提供优化的炉温设定值，减少燃气消耗，对于降低加热炉能耗，提高生产效率，具有显著意义。

目前热轧加热炉温度模型的研究主要集中在板坯加热炉方面，研究方法主要包括利用计算流体动力学CFD对炉内温度场进行仿真模拟的方法，以及通过对板坯传热的基本数学物理方法进行数值求解的方法。CFD方法主要用于描述板坯炉内温度场、速度场的稳态过程，而数值方法可用于预测板坯在炉内加热过程。

但是，方坯由于界面的宽、高比，炉内布料等特点，在模型开发上与板坯存在明显的不同，主要表现在侧面热流密度的计算上，所以板坯加热炉温度模型的计算方法并不能完全适用于方坯温度分布的计算。

发明内容

鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种方坯加热过程温度分布的计算方法，以解决现有板坯加热炉温度模型计算方法不能完全适用于方坯温度分布计算的问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述方坯加热过程温度分布的计算方法，在加热炉中分布有活动梁，活动梁中设置有水梁，所述计算方法包括以下步骤:

(1)选取计算域并进行网格划分，且计算域中包含水梁；

(2)确定边界条件如下：

方坯上表面采用综合热流密度边界条件：

方坯下表面与水梁接触处采用第三类边界条件：

方坯下表面其他位置采用综合热流密度边界条件：

方坯两侧采用上下炉膛综合换热量：q_L＝αq_T+(1-α)q_B，

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)；为总括热吸收率；h为换热系数，单位W/(m²·K)；T_w为水梁内水温，单位K；T_f为炉温，单位K；T_s为方坯表面温度，单位K；q_L为方坯侧面换热量，单位W；q_T为方坯上表面换热量，单位W；q_B为方坯下表面换热量，单位W；α为系数，且0＜α＜1；

(3)建立二维非稳态导热微分方程；

(4)求解方程，输出方坯温度分布。

优选的，在步骤(1)中，对计算域进行网格划分时，在活动梁中的水梁与方坯表面接触处对网格进行加密处理，其他位置成比例疏松网格划分。

优选的，假设炉温呈分段线性分布，是沿炉长方向分布的函数；热交换过程中，忽略方坯氧化铁皮的影响；加热过程中方坯在炉内匀速运动。