專利名稱：一種馬弗爐加熱能力計算及預(yù)測仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于熱處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種馬弗爐加熱能力計算及預(yù)測仿真方法。
背景技術(shù)：
金屬帶連續(xù)熱處理用的立式光亮退火爐適用于不銹鋼帶、銅帶或鋁帶的連續(xù)退火，同時保證退火后金屬帶的表面光亮度。通常，金屬帶連續(xù)熱處理用的立式光亮退火爐是由以下部分組成的①入口密封部件加熱段，金屬帶在加熱段被加熱到預(yù)定溫度緩冷段，緩冷段緩慢降低該金屬帶的溫度快冷段，快冷段快速降低該金屬帶的溫度；⑤頂部轉(zhuǎn)向輥裝置，轉(zhuǎn)變金屬帶運(yùn)行方向，使得冷卻后的金屬帶向下傳送；⑥出口密封部件，防止氣體泄漏和外面的氣體進(jìn)入爐內(nèi)。
其中，加熱段結(jié)構(gòu)可使用馬弗爐。馬弗爐內(nèi)有一個圓柱形馬弗，馬弗外有電阻帶或燒嘴，通過加熱馬弗來加熱在馬弗中運(yùn)行的金屬帶。馬弗爐加熱段的最大長度約為28米，最高溫度可達(dá)1150°C。馬弗爐作為立式光亮退火爐的加熱段，其加熱能力需要在工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程中根據(jù)帶鋼規(guī)格(帶厚)、帶鋼運(yùn)行速度以及鋼材熱處理工藝的需要做出相應(yīng)精確調(diào)整，以保證獲得高質(zhì)量的光亮退火板。然而，到目前為止，工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對馬弗爐加熱能力作調(diào)整存在調(diào)整周期長，生產(chǎn)成本高且難以獲得高質(zhì)量的光亮退火板的問題。因此，通過馬弗爐加熱能力計算及預(yù)測仿真方法，根據(jù)工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程中帶鋼規(guī)格(帶厚)、帶鋼運(yùn)行速度以及鋼材熱處理工藝的變化做出相應(yīng)加熱能力的精確調(diào)整就顯得尤為重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種馬弗爐加熱能力計算及預(yù)測仿真方法，可以根據(jù)工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程中帶鋼規(guī)格(帶厚)、帶鋼運(yùn)行速度以及鋼材熱處理工藝的變化，對馬弗爐的加熱能力作出相應(yīng)的精確調(diào)整。為了實(shí)現(xiàn)上述目的本發(fā)明包括以下步驟
(I)建立馬弗工作溫度計算的有限元模型；
建立模型的步驟如下
(I. I)通過CAE軟件建立馬弗加熱能力計算的幾何模型，其中幾何模型中有馬弗和帶鋼兩個對象；
(I. 2)對幾何模型劃分網(wǎng)格；由于帶鋼較薄，為保證傳熱計算質(zhì)量，厚度方向網(wǎng)格應(yīng)細(xì)些；對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，厚度方向可劃分為八層網(wǎng)格；
(I. 3)對有限元模型中的對象施加熱物性參數(shù)；包括密度、比熱、熱導(dǎo)率和黑度等；
(I. 4)設(shè)置帶鋼的初始溫度將馬弗入口處的帶鋼溫度作為帶鋼初始溫度；
(I. 5)施加熱輻射邊界條件，其中輻射換熱角系數(shù)通過軟件提供的Monte-Carlo方法計算得到；(I. 6)設(shè)置分析類型和分析時間采用瞬態(tài)傳熱分析方式，分析時間為帶鋼在馬弗爐內(nèi)的總的加熱時間；
(1.7)提交作業(yè)程序進(jìn)行計算，若計算收斂，則認(rèn)為模型計算可靠，若不收斂，則需返回到步驟(I. I )，修改模型，直至計算收斂為止。(2)計算馬弗邊界溫度(Tm)tl條件下帶鋼的平均溫度(Ts)tl ；
根據(jù)帶鋼熱處理工藝溫度T，預(yù)估馬弗工作溫度(Tm)n的初始值(Tm)tl，并將其代入馬弗工作溫度計算的有限元模型，得到此馬弗邊界溫度(Tm)tl條件下帶鋼的平均溫度(Ts)tl;
進(jìn)一步的，馬弗邊界溫度初始值根據(jù)帶鋼的熱處理工藝溫度確定，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可以設(shè)置(Tm)。= T + 20°C。(3)根據(jù)帶鋼熱處理工藝溫度T和帶鋼的平均溫度(Ts)tl，計算馬弗工作溫度區(qū)間；
具體步驟如下
(3. I)判斷I T— (Ts\ I彡A e是否成立，若成立，則跳到步驟(6)將馬弗工作溫度值設(shè)置為(Tm\ ;其中A e為溫度容差；
(3.2)若丨T — (Ts)q丨彡A e不成立，當(dāng)(Ts)tl < T，則按公式
￠. =KL + IrHU對馬弗工作溫度CTnOn進(jìn)行調(diào)節(jié)，將調(diào)節(jié)后的馬弗工作溫度(TnO
n作為馬弗邊界溫度，代入馬弗工作溫度計算模型繼續(xù)進(jìn)行計算，得到相應(yīng)的帶鋼溫度(Ts)n，每次計算結(jié)束后都按式(Ts)n < T進(jìn)行判斷，計算一直進(jìn)行到馬弗工作溫度(Ts)n >T為止，記錄此時的(Tm)jPn值，記錄(Tm)lri值，其中n的初始值為0，每重新計算一次，n增加I ;
(3. 3)當(dāng)(Ts)0 > T，則將則將馬弗工作溫度(Tm) n按公式冗= (Tm)“^_
行調(diào)節(jié)，將調(diào)節(jié)后的馬弗工作溫度(Tm)n作為馬弗邊界溫度，代入馬弗工作溫度計算模型繼續(xù)進(jìn)行計算，得到相應(yīng)的帶鋼溫度(Ts)n，每次計算結(jié)束后都按式(Ts)n>T進(jìn)行判斷，計算將一直進(jìn)行到馬弗工作溫度(Ts)n < T為止，記錄此時的(Tm)n和11值，記錄(Tm)lri值；其中n初始值為0，每重新計算一次，n增加I。(4)輸出馬弗工作溫度區(qū)間[(Tm)lri, (Tm)n]。(5)根據(jù)馬弗工作溫度區(qū)間及其對應(yīng)的帶鋼的平均溫度，利用線性插值和有限元仿真計算馬弗工作溫度；
具體采取以下步驟
(5. I)對[(Tm)lri, (Ts)nJ和[(Tm)n，(Ts)n]溫度區(qū)間進(jìn)行線性插值，計算(Ts)n = T時對應(yīng)的馬弗工作溫度Tm(q)，將Tm(q)作為馬弗的邊界溫度代入馬弗工作溫度計算的有限元模型中，得到相應(yīng)的帶鋼溫度Ts(q)，若滿足I T — Ts(q) |彡A e，則表示實(shí)際馬弗工作溫度為Tm(q)，跳到步驟(6)將馬弗工作溫度值設(shè)置為Tm(q)；
(5. 2)若 I T-Ts (q) | 彡 A e 關(guān)系式不成立，當(dāng) Ts (q) < T，按區(qū)間[Tm(q)，Ts (q)]和[(Tm)n, (Ts) n]重新進(jìn)行插值；而當(dāng) Ts (q) >T,按區(qū)間[(Tm) n-1, (Ts)n-l]和[Tm(q),Ts (q)]重新進(jìn)行插值，每次插值完成之后都需將插值得到的馬弗工作溫度Tm(q)代入馬弗工作溫度計算的有限元模型重新進(jìn)行計算，再根據(jù)計算結(jié)果判斷I T — Ts(q) I彡A e關(guān)系式是否成立，插值和馬弗工作溫度的有限元計算將繼續(xù)進(jìn)行至滿足條件I T 一Ts (q) I彡A e為止，此時的Ts (q)對應(yīng)的Tm(q)即為實(shí)際馬弗工作溫度；其中q表示插值次數(shù)，初始值為I，插值每增加一次，q增加I。進(jìn)一步的，為提聞計算精度，取A e為0. 5。(6)輸出馬弗工作溫度，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，根據(jù)計算得到的馬弗工作溫度Ts(q)，調(diào)整馬弗實(shí)際工作溫度。本發(fā)明的有益效果是
一、與單一的有限元計算相比，本方法采用有限元仿真與數(shù)學(xué)插值計算相結(jié)合的方法，既保證了計算結(jié)果的精度，又縮短了馬弗工作溫度計算的時間。 二、與簡單的熱平衡計算相比，本方法通過有限元軟件合理劃分網(wǎng)格，采用軟件自帶的Monte-Carlo法精確計算馬弗/帶鋼模型單元邊之間的福射換熱，并考慮帶鋼內(nèi)部的熱傳導(dǎo)，大幅度提高了馬弗和帶鋼之間傳熱計算的精度。三、與人工經(jīng)驗(yàn)設(shè)定馬弗工作溫度相比，本方法可以根據(jù)帶鋼寬度、厚度、帶鋼熱處理工藝溫和加熱時間等對馬弗工作溫度做出精確調(diào)整，縮短生產(chǎn)周期，減小生產(chǎn)成本。


圖I為本發(fā)明實(shí)施方式的馬弗加熱能力計算流程圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施方式的馬弗工作溫度有限元模型計算帶鋼溫度的流程圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施方式的馬弗工作溫度區(qū)間計算的流程圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施方式的馬弗工作溫度計算的有限元模型幾何圖。圖5為本發(fā)明實(shí)施方式的帶鋼溫度場有限元模型的計算結(jié)果。
具體實(shí)施例方式以厚1_、寬1200_的奧氏體不銹鋼為研究對象對本發(fā)明的馬弗爐加熱能力計算及預(yù)測仿真方法進(jìn)行說明，該奧氏體不銹鋼的熱處理工藝溫度為1110°c。本實(shí)施方式的實(shí)施流程如圖I所示。建立馬弗工作溫度計算的有限元模型。流程如圖2所示，主要包括
首先獲取馬弗和帶鋼的幾何尺寸參數(shù)，利用CAE軟件建立馬弗和帶鋼輻射換熱的二維模型，考慮到馬弗截面結(jié)構(gòu)的對稱性，為了減小計算量，本實(shí)施方式建立1/4的截面幾何模型進(jìn)行分析，如圖4所示。本實(shí)施方式中應(yīng)用的軟件為MSC. MARC軟件。其次對有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于帶鋼較薄，為保證傳熱計算質(zhì)量，厚度方向劃分為八層網(wǎng)格。施加輻射邊界條件和溫度邊界條件，馬弗和帶鋼之間的輻射換熱通過MARC軟件自動計算獲得，馬弗邊界溫度根據(jù)帶鋼的熱處理工藝溫度確定，(Tmh = T +200C，帶鋼初始溫度為馬弗入口處的帶鋼溫度。接著設(shè)置模型的熱物性參數(shù)，包括熱輻射率，密度和比熱。然后設(shè)置分析時間和參數(shù)，分析時間為馬弗加熱帶鋼的總時間，對有限元模型進(jìn)行瞬態(tài)傳熱分析，得到帶鋼溫度的計算結(jié)果，如圖5所示。將帶鋼溫度場的有限元計算結(jié)果導(dǎo)入ORIGIN 7. 5數(shù)據(jù)處理軟件中，對帶溫數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，可得到帶鋼的平均溫度。
計算馬弗工作溫度區(qū)間并最終計算馬弗工作溫度。計算馬弗工作溫度區(qū)間過程如圖3所示。取A e =0.5°C，可保證計算結(jié)果有足夠的精度，表I中給出的是馬弗工作溫度計算過程中的各個結(jié)果，計算得到馬弗工作溫度區(qū)間為1130 1248°C，通過馬弗工作溫度有限元仿真計算及插值計算確定實(shí)際馬弗工作溫度，具體過程為對溫度區(qū)間[1130，992]和[1248，1213. 4]進(jìn)行內(nèi)插值，可得到帶鋼平均溫度為1110°C時對應(yīng)的馬弗工作溫度Tm(I)為1193°C。將Tm(I)作為馬弗邊界溫度，代入馬弗工作溫度有限元模型中進(jìn)行計算，得到馬弗邊界溫度Tm(I)條件下帶鋼的平均溫度Ts(I)為1112. 9°C，不滿足判別式| T 一Ts(I) I彡0.5，并且Ts (I) > T，需要進(jìn)行第二次插值；對溫度區(qū)間[1130，992]和[1193，1112. 9]進(jìn)行內(nèi)插值，計算方法同上，可得到Tm(2)為1192°C，而后通過仿真計算得到Ts(2) 為1110. 4°C，滿足判別式I T —Ts(I) I彡0.5，由此可知實(shí)際馬弗工作溫度為1192°C。表I馬弗工作溫度的計算過程及中間結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種馬弗爐加熱能力計算及預(yù)測仿真方法，其特征在于包括以下步驟 (1)建立馬弗工作溫度計算的有限元模型； (2)計算馬弗邊界溫度為初始值(T111)tl條件下帶鋼的平均溫度(Ts)tl;其中初始值(Tm)tl是根據(jù)帶鋼熱處理工藝溫度T預(yù)估馬弗工作溫度得到，將(Tm)0代入馬弗工作溫度計算的有限元模型計算得到帶鋼的平均溫度(Ts\ ; (3)根據(jù)帶鋼熱處理工藝溫度T和帶鋼的平均溫度(Ts)tl，計算馬弗工作溫度區(qū)間； (4)輸出馬弗工作溫度區(qū)間； (5)根據(jù)馬弗工作溫度區(qū)間及其對應(yīng)的帶鋼的平均溫度，利用線性插值和有限元仿真計算馬弗工作溫度； (6)輸出馬弗工作溫度，根據(jù)計算得到的馬弗工作溫度Ts(q)，調(diào)整馬弗實(shí)際工作溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的馬弗爐加熱能力計算及預(yù)測仿真方法，其特征在于步驟(I)建立馬弗工作溫度計算的有限元模型包括以下步驟 (I. I)通過CAE軟件建立馬弗加熱能力計算的幾何模型，其中幾何模型中有馬弗和帶鋼兩個對象； (I. 2)對幾何模型劃分網(wǎng)格； (I. 3)對有限元模型中的對象施加熱物性參數(shù)； (I. 4)設(shè)置帶鋼的初始溫度將馬弗入口處的帶鋼溫度作為帶鋼初始溫度； (1.5)施加熱輻射邊界條件，其中輻射換熱角系數(shù)通過軟件提供的Monte-Carlo方法計算得到； (I. 6)設(shè)置分析類型和分析時間采用瞬態(tài)傳熱分析方式，分析時間為帶鋼在馬弗爐內(nèi)的總的加熱時間； (1.7)提交作業(yè)程序進(jìn)行計算，若計算收斂，則認(rèn)為模型計算可靠，若不收斂，則需返回到步驟(I. I )，修改模型，直至計算收斂為止。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的馬弗爐加熱能力計算及預(yù)測仿真方法，其特征在于在步驟(1.2)中，對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，厚度方向劃分為八層網(wǎng)格。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的馬弗爐加熱能力計算及預(yù)測仿真方法，其特征在于在步驟(I. 3)中，對有限元模型中的對象施加熱物性參數(shù)包括密度、比熱、熱導(dǎo)率和黑度。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的馬弗爐加熱能力計算及預(yù)測仿真方法，其特征在于步驟(2)中，馬弗邊界溫度初始值根據(jù)帶鋼的熱處理工藝溫度確定，(Tmh = T + 20°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的馬弗爐加熱能力計算及預(yù)測仿真方法，其特征在于步驟(3)計算馬弗工作溫度區(qū)間包括以下步驟 (3. I)判斷I T— (Ts\ I彡A e是否成立，若成立，則跳到步驟(6)將馬弗工作溫度值設(shè)置為(Tm\ ;其中A e為溫度容差； (3.2)若丨T — (Ts)q丨彡A e不成立，當(dāng)(Ts)tl < T，則按公式!(寸馬弗工作溫度(Tm)n進(jìn)行調(diào)節(jié)，將調(diào)節(jié)后的馬弗工作溫度(Tm)n作為馬弗邊界溫度，代入馬弗工作溫度計算模型繼續(xù)進(jìn)行計算，得到相應(yīng)的帶鋼溫度(Ts)n，每次計算結(jié)束后都按式(Ts)n < T進(jìn)行判斷，計算一直進(jìn)行到馬弗工作溫度(Ts)n >T為止，記錄此時的(Tm)jPn值，記錄(Tm)lri值，其中n的初始值為0，每重新計算一次，n增加I ; (3. 3)當(dāng)(Ts)0 > T，則將則將馬弗工作溫度(Tm)n按公式Ojj(I；Lj進(jìn)行調(diào)節(jié)，將調(diào)節(jié)后的馬弗工作溫度(Tm)n作為馬弗邊界溫度，代入馬弗工作溫度計算模型繼續(xù)進(jìn)行計算，得到相應(yīng)的帶鋼溫度(Ts)n，每次計算結(jié)束后都按式(Ts)n>T進(jìn)行判斷，計算將一直進(jìn)行到馬弗工作溫度(Ts)n < T為止，記錄此時的(Tm)n和11值，記錄(Tm)lri值；其中n初始值為0，每重新計算一次，n增加I。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的馬弗爐加熱能力計算及預(yù)測仿真方法，其特征在于溫度容差A(yù) e為0. 5。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的馬弗爐加熱能力計算及預(yù)測仿真方法，其特征在于在步驟(5)計算馬弗工作溫度時，采取以下步驟 (5. I)對[(Tm)lri, (Ts)nJ和[(Tm)n，(Ts)n]溫度區(qū)間進(jìn)行線性插值，計算(Ts)n = T時對應(yīng)的馬弗工作溫度Tm(q)，將Tm(q)作為馬弗的邊界溫度代入馬弗工作溫度計算的有限元模型中，得到相應(yīng)的帶鋼溫度Ts(q)，若滿足I T — Ts(q) |彡A e，則表示實(shí)際馬弗工作溫度為Tm(q)，跳到步驟(6)將馬弗工作溫度設(shè)置為Tm(q)； (5. 2)若 I T-Ts (q) | 彡 A e 關(guān)系式不成立，當(dāng) Ts (q) < T，按區(qū)間[Tm(q)，Ts (q)]和[(Tm)n, (Ts) n]重新進(jìn)行插值；而當(dāng) Ts (q) >T,按區(qū)間[(Tm) n-1, (Ts)n-l]和[Tm(q),Ts (q)]重新進(jìn)行插值，每次插值完成之后都需將插值得到的馬弗工作溫度Tm(q)代入馬弗工作溫度計算的有限元模型重新進(jìn)行計算，再根據(jù)計算結(jié)果判斷I T — Ts(q) I彡A e關(guān)系式是否成立，插值和馬弗工作溫度的有限元計算將繼續(xù)進(jìn)行至滿足條件I T 一Ts (q) I彡A e為止，此時的Ts (q)對應(yīng)的Tm(q)即為實(shí)際馬弗工作溫度；其中q表示插值次數(shù)，初始值為I，插值每增加一次，q增加I。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種馬弗爐加熱能力計算及預(yù)測仿真方法，包括以下步驟建立馬弗工作溫度計算的有限元模型；計算馬弗邊界溫度為初始值條件下帶鋼的平均溫度；根據(jù)帶鋼熱處理工藝溫度和帶鋼的平均溫度，計算馬弗工作溫度區(qū)間；根據(jù)馬弗工作溫度區(qū)間及其對應(yīng)的帶鋼的平均溫度，利用線性插值和有限元仿真計算馬弗工作溫度；輸出馬弗工作溫度，根據(jù)計算得到的馬弗工作溫度，調(diào)整馬弗實(shí)際工作溫度。本發(fā)明的提出了一種馬弗爐加熱能力計算和預(yù)測仿真方法，可以根據(jù)工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程中帶鋼規(guī)格、帶鋼運(yùn)行速度以及鋼材熱處理工藝的變化，對馬弗爐的加熱能力作出相應(yīng)的精確調(diào)整。
文檔編號G06F17/50GK102799723SQ20121023207
公開日2012年11月28日 申請日期2012年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月6日
發(fā)明者楊靜, 李衛(wèi)杰, 楊謙 申請人:中冶南方(武漢)威仕工業(yè)爐有限公司