一种板带热轧过程表面换热系数的预测方法技术

本发明专利技术公开了一种板带热轧过程表面换热系数的预测方法，包括利用有限元模型和换热修正公式来预测板带表面换热系数，依据板带的实测温度和计算温度的比较值，来确定板带表面的换热系数。本发明专利技术针对板带热轧过程预测热轧板带表面换热系数，可以获得整个轧制过程板带表面换热系数变化，信息详尽准确，能够获得很高的板带表面换热系数预测精度，为轧制过程提供设定和优化参数；应用性强，计算效率高；本发明专利技术适用于热连轧过程的粗轧机和精轧机。

【技术实现步骤摘要】
一种板带热轧过程表面换热系数的预测方法
本专利技术属于轧制
，特别涉及一种板带热轧过程表面换热系数的预测方法。
技术介绍
板带热轧过程板带表面换热系数预测是实现工艺参数优化、冷却装置特性研究、温度场精确控制和提高产品质量的重要参数。热轧过程板带经历空冷过程、水冷过程和轧制接触过程，因而表面换热系数与环境温度、冷却介质特性、冷却方式、钢板状态和工艺参数等均密切相关，增加了表面换热系数预测和测量难度。目前热轧过程换热系数的获得主要依赖现场测量和反向热传导法。现场测量虽然便捷，但是受主、客观因素影响较大，不能得到全面准确的换热系数信息；反向热传导法主要依靠依靠现场温度测量数据，利用传热学原理进行系数回归，该方法依赖于现场试验条件和实验数据，计算方法不够灵活，计算精度往往较低。另外，目前反向热传导法主要应用于轧辊表面换热系数和轧后层流冷却过程板带表面对流换热系数预测。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术的目的是针对现有技术中预测热轧过程板带表面换热系数的各种方法精度低和专业性不强等缺点，提供一种预测热轧过程板带表面换热系数的方法。(二)技术方案为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种板带热轧过程表面换热系数的预测方法，包括：步骤1:在热轧板带宽度方向和厚度方向上进行单元划分，建立有限元分析模型；步骤2：采集板带热轧过程的参数，包括：控制参数，包括阶段数、每一阶段最大迭代次数、设定误差；材料热物性参数，包括热传导系数、比热、密度；单元划分信息，包括板带宽度单元数和厚度单元数；板带初始信息，包括宽度、厚度及表面温度；轧制过程的轧制参数，包括初始板坯厚度，道次轧制的出口厚度，轧制压力，除磷水流量；温度及时间信息，包括轧辊温度，除鳞水温度，环境温度，板带表面阶段温度，每一阶段经历时间；步骤3：确定初始换热系数h热轧过程包括空冷阶段、除磷或者水冷阶段和轧制阶段，轧制过程不同阶段的换热系数初始值如下：(1)热轧板带在空冷阶段，换热系数初始值通过式(1)计算：HCA，0＝1.1×[(T-Tair)/b]0.25+σ·ε·(T+Tair)(T2+Tair2)(W/m2K)(1)其中：σ＝5.67×10-8W/(m2·K4)；ε为黑度系数，T为板带表面温度，Tair为环境温度，b为板带宽度；(2)热轧板带在除磷或者水冷阶段，换热系数初始值通过式(2)计算：HCW,0＝124.7×w0.663×10-0.00147(T-273.16)(W/m2K)(2)其中，w为水流密度，T为板带表面温度；(3)热轧板带在轧制阶段，换热系数初始值通过式(3)计算：HCR,0＝695pm-34400(W/m2K)(3)式中：pm为轧制压力；步骤4：利用有限元计算基本原理，计算四边形等参单元的型函数；步骤5:建立温度场有限元求解的线性方程组(1)建立热传导微分方程，二维热传导的基本方程为：其中：T板带表面瞬时温度；ρ材料密度；c材料比热；t时间；k热传导系数；(2)利用欧拉方程在步骤1给定边界条件和初始条件下将二维热传导方程变为等效泛涵表达式：每个单元的等效泛函表达式表示为：S为换热边界面积，l为换热边界长度，h为换热系数，e表示每个单元；根据热传导问题的变分原理，对泛函式(5)求一阶偏导数并置零，对离散单元进行组装，把单元的刚度矩阵装配成整体刚度矩阵，得到二维有限元法求解温度场的系统方程：其中：[KT]-温度刚度矩阵，[K3]-变温矩阵，{p}-常数项列式，{T}-温度列式；E-单元总数；上标e表示每个单元；对每个单元来说，刚度矩阵、变温矩阵和常数项可以通过式(7)求解：其中：N型函数；i，j节点编号；(3)利用二点向后差分格式，将系统方程转化为瞬态温度场求解的线性方程组，将系统方程(6)中的温度对时间偏导数表示为二点向后差分格式：将时间向后差分格式(8)与温度场的系统方程式(6)联解，得到温度场求解的线性方程组：步骤6：对形成的线性方程组(9)进行求解，获得第n时间段板带表面温度，将计算获得第n时间段板带表面温度与该时刻板带表面温度实测值Tm,t进行比较，如果误差小于设定误差值，则输出板带表面换热系数；如果不满足设定值并且迭代次数小于最大迭代次数，根据温度误差修正换热系数，重新计算温度；其中，不同阶段换热系数具体修正公式见(10)、(11)和(12)：(1)空冷阶段板带表面换热系数计算通过公式(10)计算：其中：TA,n为空冷阶段第n时间段结束时温度计算值，TAm,n为空冷阶段第n时间段结束时温度测量值；(2)水冷或除鳞阶段板带表面换热系数计算通过公式(11)计算：其中：TW,n为水冷或除鳞阶段第n时间段结束时温度计算值，TWm,n为水冷或除鳞过程第n时间段结束时温度测量值；(3)轧制过程板带表面换热系数计算通过公式(12)计算：其中：TR,n为轧制过程第n时间段结束时温度计算值，TRm,n为轧制过程第n时间段结束时温度测量值。(三)有益效果本专利技术的最大效果是：本专利技术针对板带热轧过程预测热轧板带表面换热系数，基于迭代求解和有限元技术预测板带轧制过程在各个阶段表面换热系数，可以获得整个轧制过程板带表面换热系数变化，信息详尽准确，能够获得很高的板带表面换热系数预测精度，为轧制过程提供设定和优化参数；开发专用程序，应用性强，计算效率高；本专利技术适用于热连轧过程的粗轧机和精轧机，从而优化轧制工艺及提高冷却控制精度、轧制效率和产品质量。附图说明图1为本专利技术一种实施例的有限元模型图；图2为本专利技术一种实施例的板带热轧过程表面换热系数预测方法的流程图；图3为板带粗轧过程各阶段换热系数预测值变化图；图4为板带精轧过程换热系数预测值变化图。图1中：i为单元编号，j为节点编号，H为厚度，W为宽度，AB和AD边界绝热，BC和CD边界换热。图3和图4中：R1-1、R1-2、R1-3为粗轧过程第一机架轧制第、一、二、三道次；R2-1、R2-2、R2-3、R2-4、R2-5分别为粗轧过程第二机架轧制第一、二、三、四、五道次；F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7分别为精轧过程七个机架轧制过程。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。下面结合附图和实施例对本专利技术予以进一步说明。本专利技术提供了一种板带热轧过程表面换热系数预测方法，如图1所述，具体步骤如下：1.根据热轧板带宽度和厚度尺寸，划分单元数据，建立有限元分析模型:①求解热轧板带表面换热系数时进行如下假设：轧向尺寸远远大于宽度和厚度方向尺寸，因此忽略轧制方向热传导；宽度方向上边界换热条件和几何形状对称，考虑二分之一断面；轧制过程中板带侧面和上下表面换热系数相同；塑性变形和摩擦对轧制过程温升影响忽略不计；②根据板带宽度和厚度尺寸，对横端面进行单元划分,即在宽度方向和厚度方向上单元均匀划分，建立有限元分析模型，并对单元节点进行编号，计算节点坐标；单元和节点编号沿厚度方向和宽度方向逐渐增加，其中i为单元编号，j为节点编号，H为厚度，W为宽度，AB和AD边界绝热，BC和CD边界换热；以A点坐标为零，计算各节点坐标；2.采集板带热轧过程的参数,包括控制参数，材料热物性参数，单元划分信息，温度及时间信息，初始信息和不同轧制过程的轧制参数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种板带热轧过程表面换热系数的预测方法，其特征在于，包括：步骤1:在热轧板带宽度方向和厚度方向上进行单元划分，建立有限元分析模型；步骤2：采集板带热轧过程的参数，包括：控制参数，包括阶段数、每一阶段最大迭代次数、设定误差；材料热物性参数，包括热传导系数、比热、密度；单元划分信息，包括板带宽度单元数和厚度单元数；板带初始信息，包括宽度、厚度及表面温度；轧制过程的轧制参数，包括初始板坯厚度，道次轧制的出口厚度，轧制压力，除磷水流量；温度及时间信息，包括轧辊温度，除鳞水温度，环境温度，板带表面阶段温度，每一阶段经历时间；步骤3：确定初始换热系数h热轧过程包括空冷阶段、除磷或者水冷阶段和轧制阶段，轧制过程不同阶段的换热系数初始值如下：(1)热轧板带在空冷阶段，换热系数初始值通过式(1)计算：HCA,0＝1.1×[(T-Tair)/b]0.25+σ·ε·(T+Tair)(T2+Tair2)(W/m2K)(1)其中：σ＝5.67×10-8W/(m2·K4)；ε为黑度系数，T为板带表面温度，Tair为环境温度，b为板带宽度；(2)热轧板带在除磷或者水冷阶段，换热系数初始值通过式(2)计算：HCW,0＝124.7×w0.663×10-0.00147(T-273.16)(W/m2K)(2)其中，w为水流密度；(3)热轧板带在轧制阶段，换热系数初始值通过式(3)计算：HCR,0＝695pm-34400(W/m2K)(3)式中：pm为轧制压力；步骤4：利用有限元计算基本原理，计算四边形等参单元的型函数；步骤5:建立温度场有限元求解的线性方程组(1)建立热传导微分方程，二维热传导的基本方程为：其中：T板带表面瞬时温度；ρ材料密度；c材料比热；t时间；k热传导系数；x，y为坐标；(2)利用欧拉方程在步骤1给定边界条件和初始条件下将二维热传导方程变为等效泛涵表达式：每个单元的等效泛函表达式表示为：S为换热边界面积，l为换热边界长度，h为换热系数，e表示每个单元；根据热传导问题的变分原理，对泛函式(5)求一阶偏导数并置零，对离散单元进行组装，把单元的刚度矩阵装配成整体刚度矩阵，得到二维有限元法求解温度场的系统方程：其中：[KT]-温度刚度矩阵，[K3]-变温矩阵，{p}-常数项列式，{T}-温度列式；E-单元总数；上标e表示每个单元；对每个单元来说，刚度矩阵、变温矩阵和常数项可以通过式(7)求解：

【专利技术属性】
技术研发人员：梅瑞斌，李长生，刘相华，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：