一种板坯时空传热性能获取方法与流程

1.本发明涉及金属冶炼技术领域，更具体地说，涉及一种板坯时空传热性能获取方法。


背景技术：

2.钢铁产品是建设现代化社会的基础材料，随着社会经济的高质量发展，对钢铁产品等金属需求量逐渐增大，为了提高钢铁产品的质量与数量，需针对钢铁冶炼过程进行精细化管理。目前，市场上的钢铁通过加热炉冶炼而来，钢铁企业中的加热炉耗能高、结构大以及参数变化快，但是随着环保的高标准、钢铁企业的去产能以及原料的高价位发展，钢铁企业亟需生产高质量的钢铁产品，并降低企业能耗和生产成本。因此，如何提高钢铁产品质量，降低企业能耗以及生产成本，对确保钢铁企业可持续绿色发展具有十分重要的现实意义。
3.钢铁的传热特性对钢铁的质量起决定性作用。钢铁的传热特性主要为温度水平、热力学能增量和热效率。目前针对钢铁传热特性研究主要采用数值模拟方法：一种是以钢铁为研究对象，以加热炉设备内部和钢坯接触界面为边界，将钢铁板坯进行微元体划分，实现温度场模拟，该方法难以实现钢铁热力学能、热效率等传热特性参数采集，无法进行加热炉内钢铁局部传热调控，从而达到加热效果优化的目的；另一种是以加热炉与外界环境的接触界面为边界，以钢铁板坯为研究对象，进行钢铁板坯的温度场模拟，该方法由于加热炉设备复杂，模拟计算量大、收敛性差、误差大。因此，如何在满足钢铁产品高质量发展的前提下，设计一种简单易操作的适用于板坯时空传热性能获取方法是亟需解决的问题。
4.经检索，公开号为cn106906351a的专利公开了一种板坯温度预报模型及炉温优化方法，该方法以坯料表面温度和炉长所围面积最小作为炉温优化控制的目标函数，以坯料的最大断面温差、最大升温速度、坯料出炉温度和目标出炉温度的最大差值以及炉温上下限作为约束条件，利用启发式权遗传算法进行寻优，输出炉温最优分布曲线，使得加热炉的能耗达到最低。该方法成功的获取了某一时空位置板坯表面平均温度，但无法获取每个微元体的温度以及热力学性能。因此，无法分析当板坯内金属组织存在差异时，所带来的传热性能以及热力学性能差异。
5.如公开号为cn109609751a的专利公开了一种基于炉内校核的温度自适应钢坯生产方法。其先获取坯料的截面参数、尺寸、材质密度，其次获取坯料支点以及支点间间距，根据当前分段的坯料长度，获取多个支撑力数据，继而得到坯料的均布载荷数据，然后在获取连续梁和悬臂梁的最大弯矩和最大扰度，得到坯料的最大弯矩数据和最大挠度数据，校核当前坯料的强度和刚度，实时获取坯料的当前加热温度，并根据获取的坯料强度数据和刚度数据，调节加热温度，最终获得产品。该方法得到了某一时空位置板坯表面平均温度，提高了坯料布置的精准度，降低了生产成本，但无法分析板坯表面温度变化规律以及热力学性能。
6.如公开号为cn106906350a的专利公开了一种h型钢坯加热过程温度分布计算方
法，该方法根据初始炉温设定值，确定炉内钢坯所在位置处的炉温，选取包含水梁在内的计算区域，进行网格划分，计算钢坯表面的热流密度，达到加热时间并满足加热要求后输出钢坯温度，并绘制钢坯升温曲线。该发明绘制的钢坯升温曲线与实测值更为接近，降低了在线生产能耗，但无法获取钢坯内每个微元体热力学性能和热效率。
7.综上所述，目前设计一种板坯时空传热性能获取方法，对板坯高质量生产，加热炉的局部传热调控以及区域热效率与设备热效率对应关系的发现，仍是至关重要的，行业内对此技术的研究亦从未停止。


技术实现要素：

8.1.发明要解决的技术问题
9.本发明的目的在于克服现有技术中无法获取板坯传热性能，从而无法采取加热炉局部传热调控的问题，拟提供一种板坯时空传热性能获取方法，有助于加热炉精细化操作，降低板坯生产成本，提高板坯质量，获取区域热效率和设备热效率对应关系，为高质量、低成本、严要求的板坯生产提供一种良好的的思路。
10.2.技术方案
11.为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
12.本发明的一种板坯时空传热性能获取方法，包括以下步骤：
13.s1、制备板坯标准样品，并根据板坯标准样品的规格、参数，进行介尺度划分；并获取与介尺度相对应的各区域烟气温度；
14.s2、获取模式边界：利用采集的烟气温度进行分类、滤波处理获取间断边界，采用系统辨识方法得到连续边界函数；
15.s3、构建介尺度微元体传热模型；
16.s4、获取温度变化规律；
17.s5、获取热力学能增量；
18.s6、获取热效率；
19.s7、根据得到的微元体热力学能增量和热效率分布规律，判断整个板坯加热过程的稳定性，获得提高板坯热效率的方法。
20.更进一步地，s3中构建介尺度微元体传热模型，具体过程包括：利用获取的连续边界条件，建立介尺度微元体传热模型，求解出介尺度微元体温度水平t
i,j
，即第i个微元体在第j位置板坯温度，结合样品板坯检测温度t
i,j
′
，验证建立的介尺度微元体传热模型的正确性，若二者计算误差|ε|≤10
‑6，则记录下介尺度微元体温度t
i,j
，若二者计算误差|ε|>10
‑6，则通过调整间断边界形式，继续完善间断边界，从而改进连续边界，重新进行介尺度微元体温度水平求解，直至介尺度微元体温度水平和样品板坯检测温度二者计算误差达到要求为止。
21.更进一步地，s4中获取温度变化规律，求解过程为：以第i个微元体为例，其温度水平取决于它前一位置的温度和停留这一位置的时间，其温度水平为t
i,j
＝f
i,j 1
(t
i,j
,τ
i,j 1
)，按照此方法依次得到整个钢坯温度水平变化过程，其中j为钢坯运动位置，τ为钢坯运动时间，式中t
i,j 1
为第i个微元体在第j 1位置上板坯温度，τ
i,j 1
为第i个微元体在第j 1位置上停留的时间。
22.更进一步地，s5中获取热力学能增量，热力学能增量变化规律求解过程为：以第i个微元体为例，其热力学的计算取决于前后两个时空域温差，其热力学增量为δu
i,j 1
＝c
i
m
i
(t
i,j 1
‑
t
i,j
)，按照此方法依次得到整个钢坯热力学增量变化规律，其中：δu
i,j 1
为第i个微元体在第j 1位置上的热力学能增量，c
i
为第i个微元体比热，m
i
为第i个微元体的质量。
23.更进一步地，s6中获取热效率，获取热效率的变化规律求解过程为：以第i个微元体为例，第i个微元体收入热量为：q
i,j
＝f
i,j 1
((t
i,j 1,f
‑
t
i,j 1
),v
i,j 1
,ζ)，第i个微元体热效率为η
i,j
＝δu
i,j 1
/q
i,j 1
，按照此方法依次得到在整个钢坯热效率变化过程，第i个微元体在不同位置上的热效率变化规律，其中：t
i,j 1，f
为第i个微元体在j 1位置上的加热炉炉温，v
i,j 1
为第i个微元体在j 1位置上的加热炉炉内流速，ζ为金属热物性数值。
24.更进一步地，s3中介尺度微元体传热模型构建过程中，传热对流边界条件是第三类边界条件，边界上不同时空位置的板坯与烟气之间的对流换热系数其中nu
i,j
＝0.023re
i,j0.8
pr
0.4
，式中nu
i，j
为第i个微元体在第j个位置上的努赛尔数，k为烟气的导热系数，d
i
为第i个微元体的特征长度，re
i,j
为第i个微元体在第j个位置上的雷诺数，pr为普朗特数，这里取定值0.7，ρ1为烟气密度，v
i，j
为第i个微元体在第j个位置上的流体外掠第i个微元体时的速度，μ
i，j
为第i个微元体在第j个位置上的动力黏度。
25.更进一步地，s3中介尺度微元体传热模型构建过程中，传热辐射边界条件规则为，辐射边界按照加热炉的四个区间：预热段、加热i段、加热ii段、均热段的变化进行改变，加热炉在预热段到均热段变化过程中，钢坯的辐射发射率在0.9～0.75范围内，钢坯表面的辐射发射率随着入炉时间的增加逐渐降低，将钢坯在各个加热炉区间的辐射发射率设定为一个定值，得到不同时空加热炉辐射发射率公式ε1＝f
i,j
(τ
i,j
)，τ
i,j
为第i个微元体在第j位置上停留的时间。
26.3.有益效果
27.采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
28.(1)本发明的板坯时空传热性能获取方法，通过获得微元体在不同位置的热效率，判定出微元体在不同位置热效率变化，从而获得提高板坯热效率的方法。
29.(2)本发明的板坯时空传热性能获取方法，通过获得微元体在不同位置的热性能，可以判定板坯加热过程的稳定性。
30.(3)本发明的板坯时空传热性能获取方法，能够得到板坯在不同时空域下的的热力学能增量和热效率分布规律。
附图说明
31.图1为本发明的板坯时空传热性能获取方法技术路线示意图。
具体实施方式
32.为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。
33.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、
“
水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
34.下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
35.实施例1
36.如图1所示，本实施例的一种板坯时空传热性能获取方法，包括以下步骤：
37.s1、制备板坯标准样品，并根据板坯标准样品的规格、参数，进行介尺度划分；并获取与介尺度相对应的各区域烟气温度；其中介尺度划分即介尺度微元体划分，是指将板坯划分为一个个类似于网格形状的空间体，介尺度微元体划分的数量可依据实际需求而定。
38.s2、获取模式边界：利用采集的各介尺度相对应的各区域烟气温度进行分类、滤波处理获取间断边界，并补充、完善间断边界，然后采用系统辨识方法得到连续边界函数；
39.s2中间断边界的调整主要指间断边界形式，例如：依据s1中得到的各介尺度微元体相对应的烟气温度参数，第一次判定的间断边界为正弦函数形式，但误差较大；所以进行间断边界调整，第二次边界条件判定为矩形波形式，依次类推进行间断边界的调整。
40.本实施例中的系统辨识方法采用两种方法进行对比分析，第一种方法是基于最小二乘法，依据得到的s1中得到的各介尺度微元体相对应的烟气温度参数寻求出模式边界1；第二种方法是基于神经网络法，依据s1中得到的各介尺度微元体相对应的烟气温度参数寻优出模式边界2；最后将两种模式边界与预留的用于验证的各介尺度微元体相对应的部分烟气温度参数对比，得到最优的模式边界。更准确地说，本实施例中将前期采集的各介尺度相对应的各区域烟气温度参数，部分数据用于前期构建间断边界，预留部分剩余数据用于后期验证对比构建得到的模式边界，从而不断调整得到最优的模式边界。
41.s3、构建介尺度微元体传热模型；
42.具体过程包括：利用获取的连续边界条件，建立介尺度微元体传热模型，求解出介尺度微元体温度水平t
i,j
，即第i个微元体在第j位置板坯温度，结合样品板坯检测温度t
i,j
′
，验证建立的介尺度微元体传热模型的正确性，若二者计算误差|ε|≤10
‑6，则记录下介尺度微元体温度t
i,j
，若二者计算误差|ε|>10
‑6，则通过调整间断边界形式，继续完善间断边界，从而改进连续边界，重新进行介尺度微元体温度水平求解，直至介尺度微元体温度水平和样品板坯检测温度二者计算误差达到要求为止。
43.本实施例中介尺度微元体传热方程有以下公式(1
‑
1)～(1
‑
6)建立。
44.(1)建立板坯内部导热微分方程为：
[0045][0046]
式中，x、y为板坯宽度、厚度方向坐标；ρ为板坯的密度；λ(t
i,j
)为第i个微元体在第j个位置上的板坯导热系数；c
p
(t
i,j
)为第i个微元体在第j个位置上所拥有的温度下的比热；τ为时间。
[0047]
板坯的导热系数受温度影响，计算如式(1
‑
2)所示：
[0048][0049]
式中：t
i,j
为第i个微元体在第j个位置上的温度，ch表示双曲余弦函数。
[0050]
板坯的比热同样受温度影响，当t
i,j
<768℃时，用式(1
‑
3)计算；当t
i,j
>768℃时，用式(1
‑
4)计算：
[0051][0052][0053]
式中：c
p
(t
i,j
)为第i个微元体在第j个位置上所拥有的温度下的比热。
[0054]
(2)边界条件
[0055]
不同区域分别如式(1
‑
5)～式(1
‑
6)所示：
[0056][0057][0058]
式中h
i,j,f,top
、h
i,j,f,dow
为第i个微元体在第j个位置的上、下表面对流换热系数；ε
s
为加热炉内板坯发热率；t
i,j,g,top
、t
i,j,g,dow
为第i个微元体在第j个位置的上炉气、下炉气温度；t
i,j,s,f,top
、t
i,j,s,f,dow
为第i个微元体在第j个位置的上炉膛、下炉膛钢坯表面温度。
[0059]
本实施例s3中介尺度微元体传热模型构建的传热对流边界条件是第三类边界条件，边界上不同时空位置的板坯与烟气之间的对流换热系数其中nu
i,j
＝0.023re
i,j0.8
pr
0.4
，式中nu
i，j
为第i个微元体在第j个位置上的努赛尔数，k为烟气的导热系数，d
i
为第i个微元体的特征长度，re
i,j
为第i个微元体在第j个位置上的雷诺数，pr为普朗特数，这里取定值0.7，ρ1为烟气密度，v
i，j
为第i个微元体在第j个位置上的流体外掠第i个微元体时的速度，μ
i，j
为第i个微元体在第j个位置上的动力黏度。
[0060]
s3中介尺度微元体传热模型构建过程中辐射边界条件规则为，辐射边界按照加热炉的四个区间：预热段、加热i段、加热ii段、均热段的变化进行改变，加热炉在预热段到均热段变化过程中，钢坯的辐射发射率一般在0.9～0.75范围内，钢坯表面的辐射发射率随着入炉时间的增加逐渐降低，因此可将钢坯在各个加热炉区间的辐射发射率设定为一个定值，如钢坯辐射发射率在预热段为0.9、加热i段为0.84、加热二段为0.78、均热段为0.7，得到不同时空加热炉辐射发射率公式ε1＝f
i,j
(τ
i,j
)，τ
i,j
为第i个微元体在第j位置上停留的时间。
[0061]
s4、获取温度变化规律；
[0062]
计算介尺度微元体不同时空的温度水平t
i,j 1
＝f
i,j 1
(t
i,j
,τ
i,j 1
)，并分析介尺度微元体不同时空分布变化规律，获取温度变化规律求解过程为：以第i个微元体为例，其温度水平取决于它前一位置的温度和停留这一位置的时间，其温度水平为t
i,j
＝f
i,j 1
(t
i,j
,
τ
i,j 1
)，按照此方法依次得到整个钢坯温度水平变化过程，其中j为钢坯运动位置，τ为钢坯运动时间。式中t
i,j 1
为第i个微元体在第j 1位置上板坯温度，τ
i,j 1
为第i个微元体在第j 1位置上停留的时间，板坯在各个位置上停留的时间受人员控制。
[0063]
s5、获取热力学能增量；
[0064]
求解介尺度微元体不同时空的热力学能增量δu
i,j 1
＝c
i
m
i
(t
i,j 1
‑
t
i,j
)，并分析介尺度微元体不同时空分布变化规律，获取的热力学能增量变化规律求解过程为：以第i个微元体为例，其热力学的计算取决于前后两个时空域温差，其热力学增量为δu
i,j 1
＝c
i
m
i
(t
i,j 1
‑
t
i,j
)，按照此方法依次得到整个钢坯热力学增量变化规律，其中：δu
i,j 1
为第i个微元体在第j 1位置上的热力学能增量，c
i
为第i个微元体比热，m
i
为第i个微元体的质量
[0065]
s6、获取热效率；
[0066]
具体过程包括：首先基于边界温度函数t
i,j 1
得到微元体收入的热量q
i,j 1
,其次根据η
i,j
＝δu
i,j 1
/q
i,j 1
得到介尺度微元体热效率，并分析介尺度微元体热效率时空分布变化规律，获取热效率的变化规律求解过程为：以第i个微元体为例，微元体热量收入来源于分摊的燃料的燃烧热，其与加热炉温度水平、加热炉炉温和微元体的温差、炉内流速、钢坯金属热物性有关，则第i个微元体收入热量为：q
i,j
＝f
i,j 1
((t
i,j 1,f
‑
t
i,j 1
),v
i,j 1
,ζ)，那么可得第i个微元体热效率为η
i,j
＝δu
i,j 1
/q
i,j 1
，按照此方法依次得到在整个钢坯热效率变化过程，第i个微元体在不同位置上的热效率变化规律，其中：t
i,j 1，f
为第i个微元体在j 1位置上的加热炉炉温，v
i,j 1
为第i个微元体在j 1位置上的加热炉炉内流速，ζ为金属热物性数值。η
i,j
为第i个微元体在第j位置热效率，q
i,j 1
为第i个微元体在第j 1位置上其表面上部空间收入的热量。
[0067]
s7、根据得到的微元体热力学能增量和热效率分布规律，判断整个板坯加热过程的稳定性，获得提高板坯热效率的方法。
[0068]
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。