[发明专利]一种预测热轧过程板带温度场的二维交替差分方法

说明书

本发明提供一种预测热轧过程板带温度场的二维交替差分方法，属于轧制技术领域。该方法通过(1)收集板坯来料参数和轧制过程数据；(2)对板带横截面进行差分网格的划分，并为网格节点编号，建立有限差分模型；(3)根据不同轧制过程的工艺参数，确定边界条件和内热源；(4)采用显隐交替差分格式，将导热微分方程转化为差分方程格式；(5)采用追赶法快速求解差分方程组，得到板带的瞬态温度场；完成预测。该方法综合考虑了热轧过程的现场工况和边界条件，通用性好；能够预测整个热轧过程各阶段的板带温度场及整个热轧线板带温度场，信息详细准确，预测精度高；计算热轧板带温度场时间短、效率高，可离线使用，也可在线使用。

技术领域

本发明涉及轧制技术领域，特别是指一种预测热轧过程板带温度场的二维交替差分方法。

背景技术

温度是热连轧生产过程中几个最重要的工艺参数之一，由于温度将直接影响到热轧带钢的产品尺寸精度和力学性能，因此精确预报和控制热轧板带各点在轧制过程中的温度是保证板带质量的重要前提。

目前，预测热轧板带温度场的方法主要包括数学模型、有限元法、有限差分法等。数学模型主要通过简化的经验公式计算温度场，忽略了带钢内部的热传导，因此无法得到带钢在各个方向上的温度分布，掩盖了带钢在热连轧过程中温度变化的复杂性，计算精度不高。有限元法需要全域离散，导致问题的自由度和原始信息量大，计算时间长，因此大多数有限元模型只能用于离线计算，难以满足实时控制的要求。

有限差分法是计算速度快，计算精度高，是预测热轧板带温度场的理想选择，现有利用有限差分法计算板带温度场的方法主要是二维显示差分、二维全隐式差分。二维显式差分虽然计算速度快，但是不满足绝对稳定性。二维全隐式差分，虽然可以保证绝对稳定，但由于差分格式中所含有的未知量的个数多，计算工作量很大。

发明内容

本发明针对现有预测热轧板带温度场的各种方法精度低、速度慢、收敛稳定性差、计算量大等缺点，提供一种预测热轧过程板带温度场的二维交替差分方法。

该方法包括如下步骤：

(1)收集板坯来料参数和轧制过程数据；其中，板坯来料参数包括板坯厚度、板坯宽度、板坯温度；轧制过程数据包括轧制参数、材料的热物性参数、差分网格划分信息和控制参数，其中，轧制参数包括粗轧每道次的压下量、精轧各机架的压下量、轧制力、轧制功率、辊道速度、除鳞水流量、机架间冷却水流量、轧辊温度、轧辊半径，材料的热物性参数包括材料的热导率、比热容、密度，差分网格划分信息包括板带二维模型的厚度网格数和宽度网格数，控制参数为热轧各阶段的迭代计算步长；

(2)对板带横截面进行差分网格的划分，并为网格节点编号，建立有限差分模型；

(3)根据轧制过程的工艺参数，确定边界条件和内热源；具体步骤如下：

a)确定空冷过程换热系数，其中，换热系数包括辐射传热系数和对流传热系数；

辐射传热系数h_r为：

h_r＝σε(T_Su²+T_f²)(T_Su+T_f)

式中：ε为辐射率，T_Su为带钢表面温度，T_f为环境温度，σ为斯忒藩-玻耳兹曼常数；

对流传热系数h_c为：

式中，v_s为带钢速度；

b)确定除鳞阶段换热系数；

除鳞阶段换热系数为：