一种单方向加热圆钢二维温度场模型建模方法技术

本发明专利技术属于钢坯加热生产工艺中的智能控制技术领域，公开了一种单方向加热圆钢二维温度场模型建模方法。通过对加热炉内圆柱形钢坯的温度场进行实时计算，确定钢坯的芯部温度，并根据计算结果调整加热炉内各加热段的空燃比，使钢坯加热在满足生产工艺要求的前提下节约燃气的消耗。约燃气的消耗。

【技术实现步骤摘要】
一种单方向加热圆钢二维温度场模型建模方法


[0001]本专利技术属于钢坯加热生产工艺中的相关应用方法
，本专利技术涉及一种单方向加热圆钢二维温度场模型建模方法。具体应用在加热炉钢坯加热生产工艺中。

技术介绍

[0002]由加热炉的工艺设计可知，钢坯从入炉到正常出炉是一个钢坯缓慢升温过程。如果升温速度过慢，将影响钢坯出炉温度和钢温的均匀性，无法满足轧钢要求；如果升温速度过快，即过早进入高温状态，将降低加热炉中钢坯的换热效率，引起炉温过高和烟气温度过高，造成不必要的燃气过度消耗，同时也增大了氧化烧损和氮氧化物形成机率。
[0003]在加热炉中，钢坯从初始温度(入炉温度)加热到目标工艺温度值需要很长时间，在加热过程中存在诸多不确定因素，如生产节奏异常波动、燃气热值波动等，使钢坯升温过程不可避免地偏离目标轨迹，钢坯欠烧或过度加热等现象时常出现，甚至导致轧钢生产的质量和成本目标难以实现。为此，加热炉的自主控制任务归结为对钢坯升温过程的有效控制，而控制的关键在于利用圆柱形钢坯温度场模型计算得到的钢坯芯部温度。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种单方向加热圆钢二维温度场模型建模方法，通过对加热炉内圆柱形钢坯的温度场进行实时计算，确定钢坯的芯部温度，并根据计算结果调整加热炉内各加热段的空燃比，使钢坯加热在满足生产工艺要求的前提下节约燃气的消耗。
[0005]本专利技术的上述目的是通过以下技术方案实现的：
[0006]一种单方向加热圆钢二维温度场模型建模方法，具体应用在加热炉钢坯加热生产工艺中；方法包括建立方形钢坯温度场预报模型和建立圆柱形钢坯温度场预报模型，所述建立圆柱形钢坯温度场预报模型表达式为：
[0007][0008]其中，λ是钢板的导热系数，λ
w
和λ
e
分别是微元钢坯前表面和后表面的导热系数；x是钢坯微元长度，ρ是钢坯密度，c是钢坯比热容，t是时间，T
i
是钢板在i时刻的温度场。将钢坯的圆截面划分为31*31的方形钢坯网络，在钢坯的边界条件确定后，通过先逐列进行热流密度的迭代计算，再逐行进行热流密度的迭代计算，得到圆柱形钢坯完整的温度场数据；
[0009]所述建立圆柱形钢坯温度场预报模型的依据为：
[0010]1)将钢坯的圆截面划分为31*31的方形钢坯网络；
[0011]2)先逐列，再逐行进行热流密度的迭代计算；
[0012]3)方形钢坯网络每次迭代完成，形成热流密度的三对角矩阵，使用TDMA算法对该矩阵进行求解计算；
[0013]4)根据圆的对称性，每个方向的扫描只需计算半圆的温度场，另一半圆的温度场
数据与已计算的半圆温度场完全一致；
[0014]通过计算热量在相邻模块之间的传递，对所有圆截面包含进去的模块进行计算，形成三对角矩阵，对该矩阵求解从而计算出整个圆柱形钢坯的内部温度；矩阵如下式
[0015][0016]进一步地，所述依据1)中将钢坯的圆截面划分为方形钢坯网络，用方形钢坯的温度场模型近似模拟圆柱形钢坯的温度场模型；依据2)中分别进行纵向和横向的热流密度迭代计算；依据3)在完成一次圆截面的迭代计算后形成方形钢坯网络的热流密度三对角矩阵，运用TDMA(托马斯算法)进行求解；依据4)利用圆的对称性，简化计算量。
[0017]本专利技术与现有技术相比的有益效果是：
[0018]本专利技术提供的一种单方向加热圆钢二维温度场模型建模方法通过对加热炉内圆柱形钢坯的温度场进行实时计算，确定钢坯的芯部温度，并根据计算结果调整加热炉内各加热段的空燃比，使钢坯加热在满足生产工艺要求的前提下节约燃气的消耗。
附图说明
[0019]图1为本专利技术的方形钢坯网络示意图。
[0020]图2为使用本专利技术的方法应用后设计的程序计算出的钢坯芯部温度画面。
[0021]图3为控制容积积分微元定义示意图。
[0022]图4位积分路径(型线)示意图。
[0023]图5是应用例1应用本算法的操作页面示意图A。
[0024]图6是应用例1应用本算法的操作页面示意图B。
[0025]图7是钢坯内部微元长方体概念图。
[0026]图8是钢板分层结构图。
[0027]图9是热量在方形钢坯中的传递示意图。
[0028]图10是横向迭代计算示意图。
[0029]图11是纵向迭代计算示意图。
具体实施方式
[0030]下面通过具体实施例详述本专利技术，但不限制本专利技术的保护范围。如无特殊说明，本专利技术所采用的实验方法均为常规方法，所用实验器材、材料、试剂等均可从商业途径获得。
[0031]实施例1
[0032]一种单方向加热圆钢二维温度场模型建模方法，具体应用在加热炉钢坯加热生产工艺中；方法包括建立方形钢坯温度场预报模型和建立圆柱形钢坯温度场预报模型，所述建立圆柱形钢坯温度场预报模型表达式为：
[0033][0034]其中，λ是钢板的导热系数，λ
w
和λ
e
分别是微元钢坯前表面和后表面的导热系数；x是钢坯微元长度，ρ是钢坯密度，c是钢坯比热容，t是时间，T
i
是钢板在i时刻的温度场。将钢坯的圆截面划分为31*31的方形钢坯网络，在钢坯的边界条件确定后，通过先逐列进行热流密度的迭代计算，再逐行进行热流密度的迭代计算，得到圆柱形钢坯完整的温度场数据；
[0035]表达式推出具体步骤为：
[0036]本专利技术采用控制容积积分法对温度场模型的偏微分方程进行离散化处理，即对微元在空间和时间上积分处理。图3描述了采用控制容积积分法定义的微元，及相关变量定义。
[0037]在对热传递相关问题的求解计算中，需要知道物体的温度分布情况，温度的分布情况反映了热流密度在钢坯内的传递情况。要对方形钢坯的温度场进行建模，首先要确立用于描述热传递过程的传热微分方程，依据傅里叶定律，假设能量在钢坯内部传递时不发生损失，钢坯内部一个微元长方体(图7)
[0038]用q
x
,q
y
,q
z
来表示热流密度在x,y,z三个坐标轴方向上的投影分量，令x＝x,y＝y,z＝z，热流密度从微元体表面进入的量可写为：
[0039][0040][0041][0042]由式(2.21)知，任意时刻从微元长方体x方向进入的热量为：
[0043][0044]在x方向，微元长方体右表面的温度变化为右表面温度现值为微元长方体右表面的热量为：
[0045][0046]化简为：
[0047][0048]则微元长方体通过x方向获得的热量为：
[0049][0050]即：
[0051][0052]和x方向一样，在任意时刻从y方向和z方向进入微元长方体的热量可以分别写为：
[0053][0054][0055]同时，微元长方体从y方向和z方向获得的热量分别为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单方向加热圆钢二维温度场模型建模方法，具体应用在加热炉钢坯加热生产工艺中；方法包括建立方形钢坯温度场预报模型和建立圆柱形钢坯温度场预报模型，所述建立圆柱形钢坯温度场预报模型表达式为：其中，λ是钢板的导热系数，λ
w
和λ
e
分别是微元钢坯前表面和后表面的导热系数；x是钢坯微元长度，ρ是钢坯密度，c是钢坯比热容，t是时间，T
i
是钢板在i时刻的温度场；将钢坯的圆截面划分为31*31的方形钢坯网络，在钢坯的边界条件确定后，通过先逐列进行热流密度的迭代计算，再逐行进行热流密度的迭代计算，得到圆柱形钢坯完整的温度场数据；所述建立圆柱形钢坯温度场预报模型的依据为：1)将钢坯的圆截面划分为31*31的方形钢坯网络；2)先逐列，再逐行进行热流密度的迭代计算；3)方形钢坯网络每次迭代完成，形成热流密...

【专利技术属性】
技术研发人员：于政军，王广胜，杨超，李梅娟，陈雪波，董建新，柳昊彤，
申请(专利权)人：大连新瑞晨自动化科技有限公司，
类型：发明
国别省市：