熱處理過程的離線研究

　熱處理工藝一般包括升溫、保溫及降溫三個(gè)基本階段。各階段的爐內(nèi)傳熱形式有所不同，其被控制量有兩種形式�？刂浦猩婕胺醋饔没芈罚�且要��(shí)現(xiàn)各階段間的平穩(wěn)過渡。對(duì)于如此復(fù)雜的過程，采用數(shù)值方法對(duì)控制過程進(jìn)行模擬研究有重要的意義文建立了熱處理爐的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，可作為熱處理過程離線研究的基礎(chǔ)，結(jié)合PID算法，可實(shí)現(xiàn)DDC系統(tǒng)的離線閉環(huán)模擬和PID參數(shù)的離線預(yù)調(diào)試。

　　1熱處理過程數(shù)學(xué)模型關(guān)于輻射的主要假定：爐壁表面、臺(tái)車和工件表面均為灰表面，爐氣為灰氣體，以上四部分的溫度各自均勻；工作和臺(tái)車表面為不可自見面。

　　用直接交換面積表示的四元體系輻射網(wǎng)絡(luò)。對(duì)熱處理爐完整的數(shù)學(xué)描述應(yīng)包括空爐、工件加熱、保溫和降溫等四個(gè)階段，各階段的爐內(nèi)傳熱形式不同。在空爐階段，爐中沒有工件，輻射網(wǎng)絡(luò)可簡(jiǎn)化為虛線aa左邊的三元體系。降溫階段還可分為供給燃料和只吹冷風(fēng)兩個(gè)子階段，當(dāng)吹冷風(fēng)時(shí)，輻射網(wǎng)絡(luò)也為三元體系，它不包括圖中虛線圓內(nèi)部分。此外的加熱和保溫階段，以及降溫中有燃料供給的子階段，輻射網(wǎng)絡(luò)均為四元體系。體系中的輻射直接交換面積可分為兩類，一類是固體表面間的交換面積，如另一類是氣體和固體表面間的交換面積.

　　在本例中，它們的簡(jiǎn)化算式分別為式中E――黑度；U――角系數(shù)。

　　1.1輻射全交換面積在輻射熱交換的求解中使用輻射全交換面積，可避免大量的重復(fù)運(yùn)算。計(jì)算全交換面積關(guān)鍵是求解反射熱流密度矩陣：確定了反射熱流密度矩陣之后，便可確定輻射全交換面積，例如式中――爐氣對(duì)工件的輻射全交換面積，――中的一個(gè)元素，表示爐氣g為惟一輻射源時(shí)工件的反射熱流密度，Q――反射率。

　　1.2爐膛能量平衡方程式中B――燃料消耗量，m――燃料的低發(fā)熱量，kJ/m――空氣實(shí)際需要量，m――爐氣實(shí)際生成量，m――燃料、空氣和爐氣的平均比熱，――燃料和空氣的預(yù)熱溫度，℃；――煙氣傳給工件、爐墻和臺(tái)車表面的總熱量；R――史蒂芬―玻爾茲曼常數(shù)；GW，GS，GB――爐氣與爐墻、工件、臺(tái)車表面之間的輻射全交換面積，m――爐氣與爐墻、工件和臺(tái)車表面的對(duì)流換熱系數(shù)，為爐膛能量平衡方程的基本形式，可采用牛頓迭代法求解，得到爐氣溫度。在不同的階段，由于傳熱特點(diǎn)不同，能量方程的定解條件和形式會(huì)有所不同。例如，吹冷風(fēng)時(shí)能量平衡方程為式中t――熱交換中空氣的計(jì)算溫度，℃；――空氣流量，m1.3工件的導(dǎo)熱微分方程及其離散化有不少熱處理工件為棒材，通常其長(zhǎng)度較半徑大得多，假定邊界熱流均勻，則工件在爐內(nèi)的過程可簡(jiǎn)化為沿徑向的一維傳熱問題，其導(dǎo)熱偏微分方程為初始條件：邊界條件：式中Q――密度，kgmK――導(dǎo)熱系數(shù)，Wm――初始溫度，℃。

　　1.4爐墻和臺(tái)車的導(dǎo)熱微分方程及其離散化爐墻的導(dǎo)熱微分方程為初始條件：邊界條件：q――爐墻的內(nèi)表面和外表面熱流，下標(biāo)表示環(huán)境。臺(tái)車的差分方程與爐墻的類似。分別求解爐墻和臺(tái)車的差分方程，可得爐墻和臺(tái)車的溫度分布。

　　1.5數(shù)學(xué)模型的求解在熱處理過程的某一階段內(nèi)，以爐膛能量平衡方程和熱傳導(dǎo)差分方程為基礎(chǔ)，對(duì)爐氣溫度、工件溫度分布、爐墻和臺(tái)車溫度分布進(jìn)行跟蹤計(jì)算，具體步驟如下：（1）確定全交換面積和對(duì)流換熱系數(shù)；（2）建立爐膛能量平衡方程，求解爐氣溫度；（3）計(jì)算工件、爐墻和臺(tái)車的表面熱流；（4）求解三組差分方程，分別計(jì)算工件、爐墻和臺(tái)車的斷面溫度分布；（5）進(jìn)行下一時(shí)刻的計(jì)算，直至本階段結(jié)束。

　　模型的輸出是工件、爐壁和臺(tái)車的動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)，這對(duì)于熱處理工藝的研究有重要意義。如果模型與控制算法聯(lián)合運(yùn)行，則可為控制系統(tǒng)提供模擬采樣，實(shí)現(xiàn)離線閉環(huán)。而控制系統(tǒng)的輸出，可為爐子模型提供輸入條件，如動(dòng)態(tài)的燃料供給量等。

　　2直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC系統(tǒng)）PID控制是過程控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律.它利用相對(duì)于控制誤差的比例等三種動(dòng)作來決定控制對(duì)象的操作量。

　　控制規(guī)律不但適用于簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，也適用于復(fù)雜的，如串級(jí)控制系統(tǒng)等。熱處理爐的DDC系統(tǒng)通常也采用熱處理控制的特點(diǎn)是，保溫階段控制工件表面溫度，升溫、降溫階段分別控制工件表面升溫和降溫速度。需要指出的是，對(duì)于降溫中有燃料供給的子階段，調(diào)節(jié)器的作用與其余控制作用相反，此時(shí)定義e而在其余情況下，e=SP-PV.其中，SP為設(shè)定值；PV為采樣值；e為偏差。為了使控制算法具有普遍適用性，對(duì)過程變量SP（包括PV）、輸出M和偏置M都作了無因次化處理。PID的主要算式為實(shí)際輸出，在失控狀態(tài)下凍結(jié)偏置，取Mx，n-1，以避免積分飽和。

　　3算例與分析臺(tái)車式熱處理爐，爐墻為全纖維結(jié)構(gòu)，厚250mm；臺(tái)車結(jié)構(gòu)為厚230mm的粘土磚。燃料為高―焦混合煤氣，低發(fā)熱量為7530kJ/m3，環(huán)境溫度和工件初溫均為20℃，空氣預(yù)熱溫度350℃，燃料不預(yù)熱。工件尺寸<800mm×3600mm，材質(zhì)為鑄鐵，對(duì)其進(jìn)行退火處理。根據(jù)退火工藝要求，取升溫速率為80℃/h，保溫溫度為900℃，保溫時(shí)間為4h，降溫速爐子數(shù)學(xué)模型與算法聯(lián)合運(yùn)行，整定了各階段的PID參數(shù)，并模擬了受控的熱處理過程。熱處理過程中工件斷面溫度分布和斷面溫差隨時(shí)間變化的規(guī)律，可以看出，其表面溫度能夠按工藝的要求實(shí)現(xiàn)升溫、保溫和降溫，直到出爐。進(jìn)入保溫階段一定時(shí)間以后，工件的斷面溫度分布才基本達(dá)到均勻。在實(shí)際生產(chǎn)中，在加熱階段，工件尺寸越大，斷面溫差也越大，溫度達(dá)到均勻所需要的保溫時(shí)間也越長(zhǎng)。對(duì)于不同尺寸工件的模擬，可以為確定合理的保溫時(shí)間提供定量的依據(jù)，這對(duì)于熱處理工藝的研究是有意義的。

　　表面和爐墻內(nèi)表面溫度，以及爐氣溫度隨時(shí)間的變化。開始為空爐階段，燃料流量等是給定的，不進(jìn)行控制。在升溫階段，溫度從高至低的排列順序?yàn)椋籂t氣溫度、爐墻溫度、臺(tái)車溫度和工件溫度，即t1―外表面溫度；2―r=0.5R處溫度；3―中心溫度；4―表面與中心的溫差1―工件外表面溫度；2―臺(tái)車溫度；3―爐墻溫度；4―爐氣溫度s.保溫階段的特點(diǎn)是tb，且四者逐漸趨于一致。在降溫階段中，t此規(guī)律與實(shí)際情況相符。這也說明，本文模型還可用于對(duì)影響熱處理質(zhì)量的有關(guān)因素進(jìn)行研究。

　　爐溫與工件表面溫度的變化曲線，可以看出，在升溫階段前期，爐溫與工件的表面溫度差值較大，但此差值逐漸變小，到了保溫階段末期，兩者相當(dāng)接近，而且在保溫和降溫階段，這兩個(gè)溫度差別也不大。這說明工件的表面溫度與熱電偶的溫度差值是變化的。采用本文的模型可以確定不同工況（不同工件尺寸、材質(zhì)和不同熱處理制度）下爐溫和工件表面溫度差別的規(guī)律。

　　以看出，在整個(gè)熱處理過程中，燃料的流量總體上趨于減少直至為零。在升溫與保溫的過渡點(diǎn)，燃料量有一個(gè)階躍下降，然后逐漸減少，這個(gè)階躍的幅度是通過改變偏置來確定的，這是一種控制策略，其依據(jù)是保溫所需的燃料要比升溫時(shí)少得多。該策略可有效避免振蕩，從而改善控制質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)從加熱到保溫的平穩(wěn)過渡。

　　4結(jié)論（1）根據(jù)熱處理爐的工作特點(diǎn)，分別描述空爐加熱、工件升溫、保溫和降溫有關(guān)階段的爐內(nèi)傳熱。通過能量平衡方程和熱傳導(dǎo)方程的耦合求解，得到爐氣溫度、工件、爐墻和臺(tái)車的溫度場(chǎng)。輻射換熱的描述采用了全交換面積的概念。這有效減少了求解中的重復(fù)運(yùn)算，并便于實(shí)現(xiàn)熱偶溫度的模擬計(jì)算。

　　（2）以建立的爐子模型為軟件平臺(tái)，為DDC系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)采樣，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的離線參數(shù)整定和閉環(huán)模擬。通過本文的模擬可以獲得各階段爐溫與工件表面溫度之差及其變化、保溫階段工件內(nèi)部溫度均勻化等方面的定量規(guī)律。

　�。�3）DDC系統(tǒng)在保溫階段以溫度為過程變量，采用該項(xiàng)技術(shù)，需要在每個(gè)電解槽配備有一個(gè)能力超過30kg/h的非自耗陽(yáng)極裝置，同時(shí)安裝具有最佳效率并可大幅度降低錫溶解量的溶錫設(shè)備。這些措施使得電解泥產(chǎn)生量大大減少。采用非自耗陽(yáng)極后，錫的總收得率與采用自耗陽(yáng)極的傳統(tǒng)鍍錫線的收得率相當(dāng)。但是卻大大降低了運(yùn)送陽(yáng)極的人員成本，因具有更好的過程控制和帶鋼與陽(yáng)極之間恒定的間隙使鍍層質(zhì)量提高，并由于采用適當(dāng)?shù)腻儾壅窒�除了苯酚蒸汽的揮發(fā)而減小了對(duì)環(huán)境的污染。新的非自耗陽(yáng)極技術(shù)既可以用于新建生產(chǎn)線，也可以用于現(xiàn)有生產(chǎn)線。

　　為了使熱軋帶鋼的材質(zhì)和形狀均勻或生產(chǎn)特殊帶材時(shí)的操作穩(wěn)定，在熱軋過程中需要進(jìn)行高精度的溫度管理。提高溫度管理能力的關(guān)鍵是提高軋材溫度。而提高軋材溫度的方法例如有提高板坯溫度、提高粗軋速度、精軋進(jìn)行加速軋制、增加精軋機(jī)的軋機(jī)功率、采用帶卷箱、無頭軋制或在線加熱方法等。在這些方法中，有幾種方法已經(jīng)采用。另外，必須投入新的設(shè)備投資。在線加熱方法，以比較小的設(shè)備投資就可采用。在精軋機(jī)入口側(cè)，若使軋件升溫100℃，則可取得相當(dāng)好的效果。

　　進(jìn)行在線加熱的技術(shù)有氣體加熱、通電加熱及感應(yīng)加熱，各有特點(diǎn)。經(jīng)比較，選擇感應(yīng)加熱。加熱金屬板的感應(yīng)加熱方式一般有二種：橫向通量型和螺線管型。從寬度方向的溫度分布和加熱效率等考慮，螺線管型感應(yīng)加熱方式較好。若采用20MW級(jí)的螺線管型感應(yīng)加熱裝置，在精軋機(jī)入口側(cè)以40m/min輸送板厚為30mm的軋材，

　　日本川崎鋼鐵公司開發(fā)供電磁用途構(gòu)件用、具有優(yōu)良高頻磁特性的電磁線材（細(xì)線），具有此特性線材目前尚屬世界首創(chuàng)。新型線材在電器變換器回路中變壓器和電抗器上使用，可使鐵芯小型化。由此，縮短卷繞鐵芯的銅線，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

　　新型線材的外徑可達(dá)0.1mm.所采用的主要技術(shù)：1降低碳、氮、硫等含量，提高鋼的純度；使晶粒細(xì)化。硅含量和普通電磁鋼板同水平為3%～3.5%.新型線材具有高的拉拔加工性，可制造形狀復(fù)雜構(gòu)件，并具有優(yōu)良的高頻性能。傳統(tǒng)變換器回路上用6.5%硅鋼板等全是板狀的形狀，因此不能適應(yīng)小型化和異形化的需求。此次開發(fā)的電磁線材雖然鐵損值比迄今使用厚0.1、硅6.5%的硅鋼板高，但由于銅線縮短，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能，降低環(huán)境負(fù)荷。