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《推鋼式板坯加熱爐鋼坯加熱過程數(shù)值模擬.doc》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在應(yīng)用文檔-天天文庫。
1、推鋼式板坯加熱爐鋼坯加熱過程數(shù)值模擬加熱爐的作用是加熱鋼坯，其出鋼速度、加熱溫度和斷面溫差必須滿足軋制工藝要求，并力求爐子單耗最低。所以，鋼坯在爐內(nèi)加熱過程中的溫度分布對優(yōu)化控制十分重要。但是，由于爐內(nèi)鋼坯斷面溫度目前還無法在線直接測量，所以只能根據(jù)加熱爐可測變量并借助爐內(nèi)鋼坯溫度分布模型來預(yù)示。1鋼坯加熱數(shù)學模型的建立鋼坯在連續(xù)加熱爐內(nèi)的加熱過程，除了鋼坯的入爐、出爐及在爐時間不同外，所經(jīng)歷的加熱過程都是相同的。所以，在建模中首先取爐內(nèi)任意位置的一條鋼坯來建立其溫度分布與加熱條件之間的數(shù)學關(guān)系式，然后再將其應(yīng)用到爐內(nèi)的其它鋼坯。實際加熱過程中的鋼坯是不斷前移的，為了描述方便
2、起見，采用移動坐標系法(坐標原點與鋼坯同步移動)，即將鋼坯在爐內(nèi)的移動等效地看作爐內(nèi)的溫度場在移動。影響爐內(nèi)鋼坯溫度分布的因素很多，建模時必須作如下假設(shè)：(1)爐膛上下為對稱加熱；(2)忽略鋼坯與爐筋管之間傳熱的影響；(3)推鋼過程是瞬間完成的；(4)爐溫沿爐寬方向具有相同的分布而沿爐長方向為分段線性分布；(5)不考慮金屬表面的氧化對傳熱的影響。鋼坯在加熱爐內(nèi)加熱，表面受到爐氣、爐墻的輻射傳熱及爐氣的對流傳熱，內(nèi)部以熱傳導(dǎo)的方式傳遞熱量。根據(jù)以上假設(shè)條件，爐內(nèi)鋼坯的受熱狀態(tài)，由傅立葉定律可得出鋼坯的不穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱偏微分方程：式中：——爐料導(dǎo)熱系數(shù)，；——爐料比熱，。定解條件：由于
3、加熱爐燃燒的是煤氣，爐氣輻射與火焰輻射對坯料加熱的區(qū)別不大，因此，不需要單獨考慮火焰輻射，統(tǒng)一的按爐氣輻射計算，爐內(nèi)的傳熱如圖1所示。圖1爐內(nèi)傳熱模型（1）初始條件：，（2）邊界條件：在火焰爐爐膛中，單位時間內(nèi)傳給爐料的熱流密度為：式中：，爐氣、爐膛對爐料的導(dǎo)來輻射系數(shù)，；——系統(tǒng)發(fā)射率；——Stefan-Boltzmann常數(shù)，；——爐氣對爐料的對流給熱系數(shù)，；，——爐氣和爐料表面溫度，。并且假設(shè)與爐氣接觸的各面的熱流密度都一樣。2鋼坯加熱過程ANSYS模擬連續(xù)加熱爐的爐溫是指爐氣、爐壁和被加熱鋼坯三者溫度的均衡溫度。爐溫分布模型是指沿加熱爐爐長方向的爐溫水平及其變化規(guī)律，
4、連續(xù)加熱爐的爐溫分布是連續(xù)分布規(guī)律，其溫度可采用熱電偶在線檢測獲得。但是，由于加熱爐各段安裝的熱電偶僅為2支，所以沿爐長方向的爐溫水平及分布只能根據(jù)安裝有限數(shù)量熱電偶的在線測量值，采用分段線形的方法來描述。以上模型中爐氣溫度則根據(jù)爐溫做一定的修正得出。因加熱爐爐內(nèi)熱輻射在較短距離內(nèi)被吸收以及段之間設(shè)有壓下或隔墻，因此在所計算分段間的輻射可忽略。實際爐內(nèi)的傳熱過程相當復(fù)雜，要想準確的計算難度很大，模擬最大的難點就是如何準確的計算單位時間內(nèi)傳給爐料的熱流密度，即式中導(dǎo)來輻射系數(shù)C（系統(tǒng)發(fā)射率ε）和對流給熱系數(shù)h的確定。本模擬根據(jù)2#爐統(tǒng)計結(jié)果作為參考，即根據(jù)爐溫控制統(tǒng)計以及除鱗后
5、的鋼溫測量結(jié)果作為參考，以確定待定的系數(shù)ε、h，然后再做進一步的分析。爐子分20段計算，其中，預(yù)熱段分9段，二加分3段，一加和均熱都是4段，如圖2示：圖2模擬計算分段示意圖參考數(shù)據(jù)列于表1中，根據(jù)關(guān)系，當取預(yù)熱段系統(tǒng)發(fā)射率ε=0.42、加熱段和均熱段ε=0.39，此時，模擬得到的出爐鋼溫為1174℃，認為滿足符合了參考結(jié)果。模擬結(jié)果如圖3所示。表1模擬參考數(shù)據(jù)預(yù)熱段爐溫/℃二加段爐溫/℃一加段爐溫/℃均熱段爐溫/℃出爐鋼溫/℃7601154123212211172（a）統(tǒng)計加熱條件下加熱溫升曲線（b）統(tǒng)計加熱條件下出爐鋼溫分布圖3根據(jù)參考得出的模擬結(jié)果2.1ANSYS簡介AN
6、SYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEM——FiniteElementMethod）軟件，在30多年的發(fā)展過程中，ANSYS軟件不斷改進提高，功能也不斷增強。能夠進行包括結(jié)構(gòu)、熱、聲、流體、以及電磁場等學科的研究。在機械、航空航天、能源、交通運輸、土木建筑、水利、電子、生物、醫(yī)學和教學科研等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前，中國100多所理工院校采用ANSYS軟件進行有限元分析或者作為標準教學軟件。有限元法有限元法(FiniteElementMethod，簡稱FEM)是求解數(shù)理方程的一種數(shù)值解法，是解決工程實際問題的一種有力的數(shù)值計算工具。有限元法是把物理
7、系統(tǒng)劃分成若干個子區(qū)域組成的網(wǎng)格，并在網(wǎng)格系統(tǒng)內(nèi)尋求近似解。這些子區(qū)域就成為有限元，與此有關(guān)的數(shù)值方法則稱為有限元法。以求解物體溫度場為例，有限元法的步驟可歸納如下：首先對求解域進行離散化，通常是剖分成一系列的三角形或四角形網(wǎng)格，并對所有的單元與節(jié)點進行編號；根據(jù)原微分方程及其邊界條件建立單元的泛函表達式，再建立單元內(nèi)部的溫度插值函數(shù)；對單元進行變分計算，求得單元上泛函極值條件的代數(shù)方程表達式；將各單元的方程進行總體合成，構(gòu)成代數(shù)方程組，再求解代數(shù)方程組，算出各離散點的溫度近似函數(shù)值，得到區(qū)域內(nèi)的溫度場
