建筑工程 20 2019 年 11 月 步进式加热炉板坯温度预报模型及验证 韩 庆 荆丰伟 李立刚 北京科技大学高效轧制国家工程研究中心，北京 100081 摘要 ：提供一种步进式加热炉温度场数学模型系统在线应用的技术思想及实施方案。实现了板坯在加热炉内各位置、各时间段内的温度的实时预报。根据板坯温度“黑匣子”试验结果，验证了模型计算的准确性。通过现场投用表明，该系统优化了加热制度，减少了氧化烧损，为加热炉操作工提供了科学、直观的操作指导。 关键词 ：步进式加热炉；温度场；数学模型；“黑匣子” 中图分类号：TG307；TP273 文献标识码：A Prediction Model an...
建筑工程 20 2019 年 11 月 步进式加热炉板坯温度预报模型及验证 韩 庆 荆丰伟 李立刚 北京科技大学高效轧制国家工程研究中心，北京 100081 摘要 ：提供一种步进式加热炉温度场数学模型系统在线应用的技术思想及实施方案。实现了板坯在加热炉内各位置、各时间段内的温度的实时预报。根据板坯温度“黑匣子”试验结果，验证了模型计算的准确性。通过现场投用表明，该系统优化了加热制度，减少了氧化烧损，为加热炉操作工提供了科学、直观的操作指导。 关键词 ：步进式加热炉；温度场；数学模型；“黑匣子” 中图分类号：TG307；TP273 文献标识码：A Prediction Model and Verification of Slab Temperature in Walking Beam Furnace HAN Qing JING Fengwei Li Ligang National Engineering Research Center of Advanced Rolling, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083 Abstract: An idea and solution of on-line application of temperature field mathematic model system for waling beam heating furnace. Real forecasting of slab temperature was achieved through slab position in heating furnace at different time. By experimentally measuring the temperatures at different positions in the slab during its reheating process, the validity of the numerical simulation is verified. The results prove that with the help of the system, reheating rule was optimized, oxidation rate was decreased, a scientific and objective operation guide was provided for reheating operator. Keywords: walking beam furnace; temperature field; mathematical model; black box 加热炉板坯温度分布是衡量加热质量的重要依据，合理的控制板坯温度，不仅能够降低燃料消耗，而且能够为后续热轧带钢的顺利生产提供保障，甚至能够大幅度改善热轧产品的尺寸控制精度。但是，因加热炉工况的多样化，板坯在加热炉内的温度变化过程无法直接检测，因此，近年来开发加热炉板坯温度场数学模型已经成为各大钢铁企业减排增效的首要目标[1] 。加热炉内板坯的加热过程是一个包含流体流动、化学反应、传热与传质的复杂物理化学过程，为此国内外学者提出了多种形式的加热炉板坯温度场数据模型[2～8] 。 本文从工程实际出发，结合国内某钢铁厂步进式加热炉的自动化系统升级改造的契机，应用了一种基于步进式加热炉温度场数学模型系统，通过现场应用表明，该模型适合于在线运行，板坯出炉温度控制满足精度需要。 1 板坯温度场数学模型 建立了考虑水冷梁黑印的板坯温度预报模型，其中，板坯温度场的计算的主要步骤包括：计算域选取、网格划分、建立数学模型边界条件、初始条件处理、公式推导与求解。 1.1 温度计算域 根据加热炉在预热段、加热 1 段、加热 2 段和均热段的水梁位置，及考虑水冷梁的热传导和遮蔽作用，由现场加热炉水梁错和布料图，选取左右两侧对称区域作为温度计算域。 计算域的边界：在预热段和加热段时，分别为左起第一根活动梁和第二根固定梁中心线；均热段时，左右边界距离第二根固定梁分别为 535mm 和 420mm。 左右边界假设：板坯位于炉子预热段和加热段时，中心线处对称加热，因此可以看作绝热边界条件；位于均热段时，距离活动梁中心线较远，也可以近似认为是对称加热的绝热边界条件。 1.2 网格划分 计算域网格划分如图 1 所示：其中计算域长 955，厚 160。为了重点考虑黑印及遮蔽作用影响，选择 3 个区域划分了较密网格，其余部分成比例疏松。其中，区域 1、3，长度为滑块宽度的一半，设置 3 个网格。位置 2 处长度为滑块宽度全宽，设置 6 个网格；区域 1 右边界和区域 2 左边界之间设置等比例变化的 24 个网格；区域 2 右边界和区域 3 左边界之间设置等比例变化的 18 个网格；厚度方向上设置等高的 16个网格。 图 1 计算域网格划分示意图 1.3 模型假设和基本方程 根据炉子的实际结构和炉内的热交换过程，忽略钢坯宽度方向的温度不均匀性，选取上述计算域，建立钢坯内部导热和温度计算数学模型。为使模型符合在线控制要求江南体育，对加热炉及其生产过程进行如下简化假设： 1）炉气温度是炉长方向函数，依据热电偶所测温度呈分段线）钢坯与炉气对流换热折算为辐射换热； 3）忽略氧化铁皮对传热的影响； 4）加热过程钢坯在炉内匀速运动。 基于上述假设，钢坯内部导热微分方程采用如下形式： TcyTy xTxp) ( ) ( （1） 式中， T 为钢坯的瞬态温度， 为加热时间， 为钢坯的密度，pc为钢坯的比热， 为钢坯的导热系数， x 、 y分别为钢坯长度、厚度方向的坐标。 1.4 边界条件的处理 边界条件的假设和处理如下： 1）钢坯上表面为综合热流密度边界条件，其总括吸收率同一炉段内看作一个常数； 2）钢坯下表面滑块与板坯接触位置和活动梁遮蔽处，假设为热流密度边界条件，具体数值由黑匣子实验反算得到（不需要反算总括吸收率）； 3）钢坯下表面其它位置处为综合热流密度边界条件，总括吸收率大小因距离水梁位置不同遮蔽作用不同； 4）计算域左右两侧皆可以看作对称绝热边界条件；
