（钢铁冶金专业论文）连铸坯热送直轧工艺优化及其控制模型开发.pdf

摘要摘要根据电磁感应和热传导理论，利用大型工程软件a n s y s 对连铸坯在感应补热过程多物理场的耦合问题进行了有限元解析与模拟，通过模拟得出工艺参数不同时铸坯断面温度的分布情况；以提高电热效率和满足铸坯开轧温度为目标，优化热送直轧的相关工艺参数；提出并开发满足开轧温度及其温度分布的控制模型。通过研究得到如下结果：利用a n s y s 模拟计算1 6 5 2 铸坯在补热过程中的温度场，其表面温度及边角温度的计算与实测吻合得很好，从而验证了研究思路和计算方法用于连铸方坯在感应补热过程中多物理场耦合问题的模拟具有较高的可靠性。针对线圈壁厚对系统效率的影响，利用a n s y s 有限元解析与模拟，定量化地得到线圈壁厚对热效率的影响规律，发现感应线圈壁厚为3 m m 时，感应器的热效率最高；感应线圈壁厚对铸坯补热后的断面温度及其分布基本无影响。其它因素( 例如电流、频率、热送时间等) 对热效率均影响不大。但是，线圈中通过的电流及频率对铸坯补热时吸收功率有一定影响，进而影响铸坯补热后断面温度的高低；铸坯与线圈间隙对补热时吸收功率影响不大。这对感应补热装置的设计及热送宜轧工艺的实旄提供了重要的参考依据。在初始条件相同时，铸坯尺寸越大，其补热效果越好。因为铸坯表面积越大，在电流不变情况下，吸收热量越多，所以温度相对升高值越大。同时采用大断面的铸坯还可以提高产量。另外，在感应器功率允许范围内，应尽量减少感应器组数，这样有利于提高补热效率，从而提高经济效益。热送直轧工艺最适合于短流程热送过程，出结晶器后的热送时间对铸坯能否经过补热达到开轧温度起决定作用。在满足开轧温度及其温度分布的条件下，铸坯初始温度x 与补热前最长热送时间y 的控制模型为：y = 一1 8 9 2 2 1 0 + 1 9 1 0 x ( x 铸坯的开轧温度) ：铸坯开轧温度f 而，屯，墨) 的控制模型为：f “，工2 ，z 3 ) = 8 4 1 6 2 2 3 1 2 5 6 3 x l 一3 5 8 8 9 0 x 2 + 1 1 7 5 而+ 5 2 7 5 l o 。x ? + o 3 3 9 一x 23 6 8 0 l o _ 3 z l x 3 + 3 4 6 9 工；+ o 3 4 9 2 2 x 3 + 6 0 3 5 l o 一3 x ；( 墨# 中：x l 为入感应器温度，；x ，为感应器内电流，千安；黾为补热时间，秒) 。图4 8 表1 8 参5 6关键词：连铸坯；热送直轧；感应补热；工艺参数；控制模型分类号：t f7 7 7 2河北理r 人学硕士学位论文a b s t r a c tt h i sp 印e ra n a l y s e s 柚ds i m u l a t e st h ep h y s i c sc o u p l i n gf i e l d so ft h ei n d u c t i o nh e a t i n g口r o c e s so ft h ec o m i n u o u sc a s t i n gs l a ba c c o r d i n g 诚m l ee l e c t r d m a g n e t i ci n d l l c t i o na n dh e a tc 1 1 a n g et 1 1 e o r yi na n s y s a c c o r d i n gt ot 1 1 es i m u l a l i o n ，w eo b t a i nt l l et e m p e r a t u r ed i s 仃i b u t i o no n 曲l cc r o s s s e c d o no fs l a b sw t l c nt h et e c l l i l o l o g i c a lp a r 锄e t e rc t 璩n g e s t h ei m p r o v e d 恤e 瑚a le m c i e n c ya n dt l l et e m p e 碰吡l f ea tr o l i i n ga 糟a so b i c c t 。a n dt 1 1 et e c l l l l o l o g i c a lp a r 锄酏e r so fd h c ra r eo p t i m i z 甜1 kc o i m o lm o d e lo ft e m p e r a t u r ea n di t sd i s m b u t i o na tt 1 1 er o l l i n gi sb m u g h tf o 九v a r da i l de x p l o i t e d t h er e s e a r c hg e t st l l er e s m t sa sl - 0 l l o 州s ：s i m m a t e dt l l et e m p e r a t u i ef i e l do ft h e1 6 5 c 捌n gs l a bo nt 量l ep f 0 c e s so fi n d l 岭t i o nh e a t i n gb ya n s y s ，t l l ec a l c l l l a t i o ni n o s c u l a t e sm e 踟r e dv a l u ew e l i t h e 趾a l y s i sr c 辄l t ss h o wi t sr e l i a b t l i 哆a n d 瑚瞳o n a l i t yl - o r 也ec a l c m a ：c i o nm e t h o dw i 也也es i m u l a ：t i o no ft e m p e r a t u r ea tt 1 1 ei l l d u c t i o nh e 眦i n g a i i n i n ga tt l l ei n n u e n c e o ft l l e l i c k n e s so fc o i lw a l lo nt h ee m c i e n c y ，q i k m t i 丘c a t i o n a l l y ，w eo b t a i l lm em l eo fm e 砌u c t i o nc o i lw a l lt h i c l 【1 1 髓sw i mt l l e 廿l e r i n a le 衢c i 锄c ya t l df i n dw h e l li ti s3 删鸭t 量1 e 协e n i i a i 确c i e n c yo f i n d u c t o ri s 也eh i g l l e s t mi n d l 埘o nc o i lw a l lm i c k n e s si s n ti n 丑u e n c eo nt l l et c 皿联翻i u r eo ft l l ec a s t i gs la _ ba n di t sd i s 哦b u t i o na r e r 让屺岫c t i o nb e a t i n g b u tn l ec u n e n ta n d6 _ e q u e n c ye f 蕾b c tt l l ec o n s 岫e dp o w e ra tt 1 1 ei n d u c t i o nh e 砒i i l g ，t l l e ni 1 1 n u e i l c em ec r o s s s 廿o n 把m p e 聪l n | r eo ft h es l a b t h e 脚b e t 、v c e nt h es l a ba n dc o j li l l n u e n c eo nt l l ec o n s 啪e dp o w e rs l i g h u y 1 1 1 i sp m v i d e si m l 脚胁tr e f e r e n c ef o rt h ed 鼯i 弘o fi 删h 朗6 n g 印p a ：r a h l s 髓dp 蛐gt 1 1 et e c h l o g yo f d h c ri np m c t i c e a tm es 锄e “d a lc o n d i t i 0 i l t l l eb i g g e rs i z eo fs l a b s ，t 1 1 eb e t t e ro fi n d u c 6 0 ne f r e c t b e c a u s ea tt l l ec o n s t a n tc u n _ e n t ，t l l e 孵a t e rs u r f a c ea r c a ，t 圭l em o r ec o n s u m e dp o w e r s i 埘【u l t a l l e o u s l y ，a d o 硼n gt h eb i gc r o s s s e c t i o ns l a b sc 如en ：h 趾c et l l ep r o d t l c t i o n i na d d m o n ，a tt l l er a 】1 9 eo f i l l d u c t o r sp o w 也e 驴呷so f i n d u c t o rs h o m db e 鹊l i n l ea sp o s s i b l e t h i si si nf a v o ro f 也ei 玳腿a s e dt l l e r m a le 历c i e i l c y 缸de c o n o m i cb e n e f i t t h ei n d u c t i o nh e a t i n ge q u i p m e n tf i t s 血cs h o nf l o wr o l l i l l g n ea j fc o o l i n gt i m eo fe x m n gc i y s t a l l i z c r i n e st l l e 妇n p e r a c i | r co fm l l i n gw t l i c ht h es l a bc 姐咒ht h f o u g hi n d u c t i o nh e a t i n g 、! h e m e ro rn o t a tt h ec o n d i t i o no fs a t i s f i e dw i t l lr o l l i n gt e m p e r a 帆l r c 趾d“sd i 矧b l n i o n ，n l ec o n t r o lm o d e lo fi n “i a l 劬p e 船船工a 1 1 dl l i em a x i m u mh o tc h a r 咖gt i t n e r b e f b r ei n d u c t i o nh e a l i n gi s 】，= 一1 8 9 2 2 1 0 + 1 9 1 0 x ( x t l l et e m p e r a n 鹏o fr o l l i n 曲，a i l dt h e n 们lm o d e lo ft e m p e r a t i i o fc 髂t i n gs l a ba tr o l l i n gi sf ( x i ，x 2 ，x 3 ) = 8 4 1 6 2 2 3 1 2 5 6 3 x i 一3 5 8 8 9 0 x 2 + 1 1 7 5 x 3 + 5 2 7 5 x l o q x ；+ o 3 3 9 一x 23 6 8 0 l o 叫工3 + 3 4 6 9 x ；+ o 3 4 9 2 2 b + 6 0 3 5 l o - j ( i st h et 锄p e r a t u r eo fc 髂t i l l gs l a ba te n t e r i n gt h ei 1 1 山i c t o r ，；屯i s 也ec u r 化m ，k i l a m p e r e ；屯i st 1 1 et i m eo fi n d l l c d o nh e a t i n g ，s ) f i g u r c4 8 ；t a b l el8 ；r e f 咖n c e5 6k e y w o r d s ：c o n 血u o u sc 鹊t i n gs l a b ；d h c r ；i n d u c t i ( mh e a t i t l g ；t e c h n o l o g yp a 舢e t e rc l l i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t f7 7 7 2i i 独创性说明本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。签名：奎垂丝日期：) 丝l 年皇月堡日关于论文使用授权的说明本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文在解密后应遵循此规定)日期：绝6 年竺月垄日引言引言企业要在市场竞争中保持优势，节约能源，降低生产成本，提高生产率是决定生存发展的关键。连铸坯热送直轧新工艺已成为节能降耗的一条重要途径。热轧钢坯在轧制过程中由于边角部热量容易散失，使其温度明显低于中问部位，致使边角部的温度不能达到热轧所要求的温度。因此，对边角部进行局部补偿加热，使坯料在正常的轧制节奏下就能快速加热到所要求的温度。热送直轧的感应补热方法同其它补热方法相比，具有加热时间短，效率高，便于控制温度，保证加热质量，改善劳动条件，易于实现自动化等优势。通过对感应补热技术潜在用途的分析表明，感应补热既具有技术优势，又具有经济效益。铸坯加热质量的好坏及感应装置效率的高低是衡量感应补热是否可行的关键因素。根据电磁学及传热学基本理论，感应加热主要依据“电磁感应”、“集肤效应”和“热传导”三项基本原理。尽管感应补热的基础理论己较为成熟，但迄今感应补热技术在连铸方坯热送直轧工艺中的成功应用国内还没有先例。其主要原因是将感应补热用于大规模工业化生产的方坯热送直轧工艺上，影响感应补热效果的因素十分复杂，无论在理论方面还是在实际应用方面缺乏深入的研究。因此，如何提高感应补热的电热效率并对影响电热效率的工艺参数进行优化，将成为热送直轧新工艺亟待解决的问题。感应补热是热送直轧过程中的重要环，而补热效率的高低又是衡量感应透热装置是否可行的关键因素。本研究利用大型工程软件a n s y s 对连铸方坯在整个热送直轧过程中进行有限元模拟，以提高电热效率和满足铸坯开轧温度为目标，优化热送直轧的相关工艺参数；提出并开发满足开轧温度及其温度分布的控制模型。迄今，这方面的公开报道很少，故硕士课题的研究工作具有一定的创新性和突破性。河北理工大学硕十学位论文l 绪论1 1 概述热送直轧是连铸送到轧钢炉前的高温铸坯，不经加热炉加热，通过电感应快速加热后，进行直接轧制。这种方法与常规的将铸坯冷却到室温经清理再加热后轧制的方法相比有许多优点：1 节约能源【1 】；2 缩短生产周期；3 提高生产率；4 避免冷装在加热到直接轧制温度所产生的氧化损失，提高成材率；5 对多数珠光体型铸坯，可以避免空冷过程中产生白点，无需附加缓冷；6 对于马氏体合金铸坯，可以避免空冷过程中产生淬裂，无需附加热处理；7 多方面的经济效益，使产品成本大大降低。正是由于以上优点，铸坯热送直乾技术不仅对于普钢厂，而且对特钢厂也有重要的应用价值。但是要实现连铸坯的热送直轧，必须满足几个条件：1 提高连铸机的铸造速度，并且铸出高温的连铸坯，与直接轧制的轧制时间相适应，以满足连铸直接轧制不间断的生产工艺流程；2 连铸坯无缺陷；3 用于赢接轧制的铸坯其温度不仅要满足开轧温度，而且断面温度要均匀；4 利用连铸板坯时，板宽应与板厚相适应；5 避免铸坯在高温停留时间长而导致晶粒粗大，影响轧材性能；6 要求生产管理和运输上能保证直接轧制的连续化；7 合理的总体布置是实现连铸坯热送直轧工艺的前提。1 2 研究目的和意义目前，能源紧张严重制约了世界各国经济的发展，面向2 l 世纪中国钢铁工业的主要课题是集中精力，充分利用存量资产，提高市场竞争力和适应国际化的挑战。对企业来说，要在市场竞争中保持优势，节约能源，降低生产成本，提高生产率是决定企业生存发展的关键。连铸坯热送直轧新工艺已成为节能降耗的一条重要途径【2 】。迄今，世界各国都不同程度上实施了这一新工艺，其中日本最早，发展最快，2 1 绪论并在圆坯的热送直轧工艺中得到成功的应用。在我国不少企业也实现了热装热送，但方坯的连铸坯热送直轧新工艺还没有在大规模的生产中得到成功应用，目前无论在的设备和工艺诸方面都需要进一步试验和研究。例如：铸坯从结晶器拉出后，热送的最低温度为多少方可通过感应补热方式使铸坯满足丌轧温度的要求? 当铸坯的热送温度一定时，从结晶器到第一个感应补热装置之间的热送时间最长为多少可以通过这种补热使铸坯的温度满足开轧的要求? 若热送的铸坯温度偏低应如何处理?热送直轧过程中各工艺、设备参数对瞬时补热的影响规律如何? 怎样选择一组能使补热效率最高的设备工艺参数用电最省? 等等系列的问题的解决对热送直轧工艺的成功应用、提高企业的经济效益及可持续发展都是至关重要的。本课题针对唐钢棒材热连轧的“长流程”( 一线) 及“短流程”( 二线) 的热送1 6 5 2 m m 方坯作为研究对象，作为本硕士论文的研究课题进行了以下研究工作：1 在保证铸坯开轧温度及其断面温度分布的前提下，最大程度地提高感应加热装黄的电热效率；2 对电热装置的工艺参数进行优化，使热送直轧新工艺更合理；3 建立并开发适合现场应用的工业控制模型。本文以唐锅棒材厂的“长流程”的试验条件：1 6 5 l l 啦1 6 5 m m 1 2 0 0 0 n n 规格的连铸方坯为研究对象。钢种为2 0 s i ，其化学成分是：c ：0 1 7 o 2 5 ；s i ：o ，4 0 8 ：m n ：o 2 1 6 ：p ：s 0 0 4 5 ：s ：o 0 4 5 。研究热送直轧新工艺高效实施的可行性，以及实现这一过程的具体措施。1 3 研究内容热送直轧的感应补热过程是电磁场和温度场的耦合过程删，二者交叉作用、相互影响。本文通过a n s y s 平台对耦合场进行模拟，以满足开轧温度和铸坯断面温度梯度为目标，分析感应补热过程中工艺参数的影响以及控制模型的开发。本课题的研究内容主要分成三部分：1 在a n s y s 平台上对电热多物理耦合场进行有限元解析与计算，并利用试验来验证该方法的正确性；对感应补热过程进行有限元模拟时，最为复杂的是感应线圈内耦合场的求解。在这一过程中采用a n s y s 的“物理环境”方法来实现。铸坯在感应线圈内补热时，无论是温度场还是电磁场分析都必须考虑材料物性参数随温度变化对计算结果的影响。本研究对该问题的处理是采用“顺序求解法【4 l ”，即首先进行电磁谐波分- 3 -河北理工人学硕十学位论文析，再进行瞬态热分析，可在不同时间间隔内重复电磁分析以考虑材料属性随温度变化对计算结果的影响，由此来得到铸坯的热载荷。再次进行电磁场分析，以尽量减少物性参数变化对模拟结果的影响。通过与实测值相比较，进而来验证该方法的准确性与可靠性。2 以提高电热效率和满足铸坯开轧温度为目标，对热送直轧设备参数( 如线圈壁厚、电流大小和频率等) 和工艺参数( 如热送温度、坯料规格等) 进行优化；从提高感应补热设备的效率以及节能方面考虑，以1 6 5 2 铸坯为研究对象，研究各因素对系统电热效率的影响及铸坯断面的温度梯度是否满足实际开轧的要求。3 在有限元模拟的基础上，开发满足开轧温度的工业应用控制模型。根据a n s y s 给出的模拟结果，寻求各设备工艺参数对电热效率的影响规律，找出影响的主要因素，并将其作为模型的控制参数，而后构思并建立模型的形式，通过试验对模型进行验证和修正，以满足开轧温度( 及其温度梯度) 为目标，对不同来料温度的铸坯在感应补热过程中进行在线控制。影响电热效率和铸坯补热后温度分布的因素众多、关系复杂，迄今为止还没有符合热送直轧工艺要求且又考虑了电热耦合问题的预报控制模型。本研究在上述工作基础上，开发既能高效发挥感应透热装置的设备潜能，又能控制铸坯温度及温度梯度的预报模型。该模型应能在允许温度范围内，对于来料温度的波动，能通过调节有关的设备、工艺参数使铸坯温度及温度梯度分布符合大规模连续化生产对铸坯加热质量的要求。4 一2 文献综述2 文献综述2 1 概述连铸坯热送热装技术的应用程度已成为衡量钢铁生产的技术水平的新技术指标，它推动了炼钢一连铸一轧钢生产的一体化，加速了钢铁生产向连续化、低成本和高质量方向发展【5 】。随着7 0 年代出现的石油燃料价格急剧上涨，使感应加热与油、气燃料炉的经济性对比成为人们集中关心的问题。对钢坯加热设备来说，虽然感应加热所用的能源价格和设备的一次投资也许要高一些，但金属氧化皮和其它损失却要低得多。大量实例表明在使用期一年或二年以上的情况下感应加热法更为经济，从单位工件的加热费用来看，也是相当有利的。在第二次世界大战期间，进一步的发展表明感应加热法有以下的优点：1 具有极其精确的加热深度和加热表面；2 不需要外部热源，因而热损耗低、工作环境清洁；3 被加热的物体不需同感应器接触并且易于实现高功率密集，因而加热时间很短：上述因素的综合能理想地适合于生产过程的自动化。连铸坯热送直轧是充分利用连铸坯的物理热，不经加热炉，而只是经过感应加热装置的补热和均热，使铸坯达到轧制所要求的温度。它使钢铁联合企业进一步大幅度节能降耗，是提高生产和质量的重大新工艺技术嘲。感应补热装置的特点【刀：1 节约能源。一般燃料炉的效率为5 q o ，而感应补热可达6 0 7 0 。2 可实现少、无氧化补热。以碳钢为例，燃料炉损量为2 3 ，而感应补热下降到o 0 5 一o 1 。装置的效率比一般燃料炉的效率高。这除可节省大量钢材外，也大大提高了轧件尺寸精度及改善其内在质量，且提高了轧辊的使用寿命。3 易于实现机械化、自动化操作，工艺重复性好、劳动强度小。4 设备体积小，占地面积小，故便于设在生产线( 流水线或自动线) 上使用。5 无高温、少污染、劳动环境好。一5 一河北理i ：入学硕士学位论文2 2 国内外热送直轧概况及发展趋势2 2 1 国外情况概述连铸坯热送直轧新工艺，不仅节约能源，而且可以提高成材率。世界各地都不同程度上实施了这一新工艺，其中日本晟早，发展最快，水平最高。1 9 8 1 年新同铁某厂在世界上率先实现了板带钢的连铸直接轧制( c c d r ) 工艺，该工艺提高了过程连续化程度，简化了生产工艺流程和生产周期，节能、节材及节约生产费用，其优越性是显而易见的。到1 9 8 4 年7 月，累计轧钢超过2 0 0 万吨，直轧率7 0 ，能耗8 1 9 3 k w h a ，仅为传统法的六分之一。目前，日本的大芬、室兰、名古屋、和歌山、鹿岛及加古川等厂的热带轧机都已基本实现直轧生产，有些厂的赢轧率已达1 0 0 。鹿岛厂厚板、扇岛厂厚板及大分厂厚板等直轧率也达到3 0 9 0 以上。美国n u c o rc o r p 公司的诺福克钢厂是实现连铸直轧的世界首批先进工厂，有两个分厂【s 】。一分厂用天然气的加热炉加热，铸坯可热装也可冷装。二分厂用感应加热装置加热，实现在线生产的连铸直轧。钢坯入感应加热器时温度为9 1 5 ，加热终了温度为1 2 5 0 ，加热时间为5 0 s ：电耗6 0 k w h a ：感应加热器产能2 0 6 0 讹，设备利用率8 5 ，直轧率8 5 ，扣9 0 ，成材率大于9 3 ；氧化铁皮厚0 5 6 m m 。一分厂用火焰炉加热。热装率4 5 2 ，冷坯和热坯都装的平均热耗1 6 8 8 5 7 1 0 3 k j t ：平均氧化皮厚度o 8 6 m m ，两厂对比，二分厂由于采用直轧工艺，生产成本可下降￥4 0 t 。国外钢铁企业，无论老厂改造还是新厂建设，普遍都采用了利用感应炉进行补热的直接轧制技术阻n 】。8 0 年代后期，铸坯直接轧制技术已经成熟( 4 】a 目前这一技术的应用程度已成为衡量钢铁生产技术水平的新技术指标，它推动了炼钢一连铸一轧钢车间的一体化，加速了钢铁生产向连续化、低成本和高质量方向发展，其优越性是显而易见的。热送直轧感应补热技术在工业先进国家已得到普及，特别是在精锻领域，有取代燃料炉的趋势i l “。2 2 - 2 国内情况概述在我国，直轧工艺于1 9 7 8 年在攀钢轨梁厂采用，1 9 8 0 年7 1 2 月轧制6 5 2 万吨，吨钢节能为1 6 8 g j 。如果型材也采用直接轧制，吨钢节能可达3 g j ，而成材率一6 2 文献综述可提高1 6 9 ，经济效益将更加显著f 1 3 】。但现在由于与连铸配合不当，我国绝大多数轧机还不能实现直接轧制，甚至实现热送热装工艺的也还很少，大部分连铸坯冷下来，在冷装加热炉内加热，不能有效利用坯料余能，浪费了大量燃料。出于此项技术在我国起步较晚，时至今 ；= ；j 仍不为许多用户所了解。近年来出现一些小厂也试图生产感应透热炉，但或无设计能力，或在设计中缺乏足够的理论指导，使产品远离最佳或良好的工作状态，发挥不出感应补热装置的固有优点。因此，对此项技术进行深入的研究，建立一套行之有效的数学模型并加以推广，无论对于国民经济的提高还是企业的发展，都具有深远的意义。2 3 感应补热技术的应用热轧铸坯在热送过程中由于边角部热量的损失，使其温度较中间部位有明显的降落。若能设法使铸坯边角部温度再加热回升，使整个铸坯里外温度一致，且都达到轧制工艺要求的温度，将产生巨大的经济效益。研究表明，采用感应加热技术能较好的达到这一目的。电磁波在导电媒质中传播时，电磁能将转化成热能，这一感应加热原理早在一个世纪前就被利用，制成电磁感应加热器，至今在许多方面有了很好应用，感应加热这一技术也得到了很好发展。但是，将感应加热技术应用于连铸坯边角部的补热仅始于前些年，在这方面起步比较早的有法国、日本和美国的些公司【14 1 。感应加热装置设在连铸和连轧两个工序的中间，作用是进一步提高铸坯的温度，以补偿铸坯在输送过程中的温降，满足轧制要求，所以称其为中间补偿加热装置。感应透热流程如图l 所示。为保证铸坯的稳定运行，拟安装数个感应器，每两段感应器间用导辊输送铸坯。l 一连铸坯2 一感应器图1 感应补热工艺流程示意图f i g 1t e c h n o l o g i ca ln o ws h e e to f j n d u c t j o nh e a t j n g7 河北理i ：大学硕士学位论文2 4 唐钢棒材厂工艺概述唐钢棒材厂于1 9 9 6 年投产，是具有九十年代水平的全连续棒材生产线，主要设备由意大利达涅利公司和美国g e 公司引进，产品为中1 2 4 0 m m 的螺纹钢和由1 4 5 0 m m 的圆钢，年设计生产能力为6 0 万吨，现已达到9 0 万吨年。棒材厂使用的钢坯是由唐钢二炼钢提供的连铸坯，规格为1 6 5 1 6 5 】2 0 0 0 h n 的连铸方坯。九九年底已实现辊道热送热装，装钢前的钢坯温度达到8 0 0 左右。在现有热装实际情况的基础上，又进行了直送改造，即连铸坯不经过加热炉加热，通过感应补热的方式使铸坯的温度达到开轧的要求，进而进行轧制。2 4 1 工艺布置l 一铸坯切割机2 一输送辊道3 一提升机4 一转盘5 一感应补热装置6 一第一架轧机图2 唐钢棒材广连铸坯热送直轧工艺布置示意图f i g 2d h c rp r o c e s s1 a y o u to f t l l ec o n t i n l l 0 惦c a s t i n gs l a bi nt b n g g a n gs t e e lb a r图2 是唐钢棒材厂连铸坯热送直轧工艺布置示意图。其基本工艺过程为：连铸坯从结晶器拉出，经切割定尺后由输送辊道、提升机送至第二个转盘，旋转9 0 度，进入感应补热装置( 共有两组) ，补热后经炉前出钢辊道送到第一架轧机进行轧制。经实测，切割后的铸坯表面温度约1 1 0 0 左右，热送到感应器前需5 6 0 s 。8 2 文献综述2 4 2 主要设备输送辊道：分组传动式，辊道直径3 0 嘶l n l ，辊身长4 0 0 m m ，辊距1 0 0 0 m m ，辊道线速度1 2 2 m s 。旋转盘：转盘上设有辊道，其辊道直径3 0 0 m m ，辊身长4 0 0 m m ，辊距l0 0 0 m m ，辊道线速度1 2 2 m s ，旋转盘最大线速度o 5 m s 。电感应加热设备包括：整流变压机：2 台，功率为1 5 0 0 k w 2 ，频率为l o o o h z ，分别为两组四台感应加热器提供能源。启动方式为零压启动，整流用数学触发方式，用c m 0 s 集成电路。变频电源：2 套。感应透热炉：炉体分为感应器、电热电容器、上下水集成器、汇流排、水压保护装置等部件的载体，其中感应器由2 组共计四台组成，每台长度为l1 9 0 m m ，坯料在感应器内的运行速度为o 2 i l l s 。水冷装景：l 套，水压为0 2 加3 m p a ，流量是8 5 m 3 m ，其进水温度为5 3 5 ，出口温度5 5 。9 河北理i ：大学硕士学位论文3 1 温度场分析3 1 1 温度场控制方程3 温度场及电磁场基础理论温度场控制方程可出能量守恒定律建立。即在单位时间内，物体内任意微元体由于温度升高所需要的热量等于外部传入的热量与内部热源提供的热量之和。由此得到控制方程为【1 5 j昙e t 争+ 茜一号) + 昙( t 署) + 窖= c 詈c ，式中：g 热源强度，j ( s 一) 。c 材料的比热，j ( k m 3 ) 。詈温度随时间的变化率，即单位时间的温升，s 。对于各向同性导热材料，丸= 女，= t = k ，( 1 ) 变为k ( 窘+ 窘+ 窘卜= c 詈c 2 ，k 【矿+ 矿+ 可卜“百心3 1 2 初始条件和边界条件要求解瞬态温度场不仅要给边界条件，还要给初始条件，这样才能在通解中找出具体问题的特解【1 6 1 。1 初始条件初始条件是初始时刻温度场的分布状况，一般情况下丁i 。= 丁b ，y ，z ) ( 3 )若在初始时刻，温度场内温度处处相等，则初始条件为丁h = 瓦( 4 )2 边界条件边界条件描述的是温度场在边界上的状况。边界条件通常分为以下三种类型。1 ) 第一类边界条件( 刚性边界条件)1 0 3 温度场与电磁场基础理论若温度场某部分边界s l 上的任意点处各个时刻的温度已知，则这样的边界条件日q 做第一类边界条件，可表示为，似，) i 。6 = 妒，) ( 5 )式中：，( m ，) 时刻t 点m 的温度，；妒( m ，) 边界上给定的已知函数；m 边界s l 上的点，s l 是边界的一部分。这种边界条件相当于弹性力学中已知位移边界，所以叫刚性边界。2 ) 第二类边界条件( 自然边界条件传导边界)若温度场的某部分边界s 2 上任一点处，各个时刻的传导热流强度( m ，r ) 己知，则由傅立叶假设k 。鼍k 科。( 6 )式中：k 。沿边界法线方向的导热系数，w ，m 2 ；娑温度场沿边界法线方向的梯度值：m 边界s 2 上的点，s 2 是边界的一部分。在绝热边界上，强，f ) = o ，有娶i 雌：o ( 7 )，l m e s ，一。- 、，3 ) 第三类边界条件( 自然边界条件一对流和辐射边界)( 1 ) 对流边界条件若温度场的某部分边界s 。上任一点处，各个时刻的对流条件已知( 如对流系数矗，流体温度t 等) ，则由牛顿公式，从周围介质导入温度场的热流强度为呱似，f ) = h k 一强j ( 8 )式中：9 ，似，f ) 从周围介质导入温度场内的热流强度，w ，m 2 ；h 对流系数，w 肺2 ：t 周围流体的温度，；& 温度场边界部分的温度，。河北理t 人学硕士学位论文掘傅立叶假设，热流强度又与温度梯度成正比，所以，在边界s 上应有k 。鼍k 眠_ h 阮一n ( 9 )( 2 ) 辐射边界条件若温度场某部分边界s ，上任一点处，各个时刻的辐射条件已知( 如两物体的黑度毛，s ：、形状因子，、斯蒂芬一波尔兹曼常量盯、辐射温度r 等等) ，则由斯蒂芬一波尔兹曼定律，温度场边界s ，上所受的辐射热流强度为弛，f ) = 8 f 婀一矗) ( 1 0 )式中：弘，) 周围物体向温度场辐射的热流强度，w m 2 ；s = 占，s ，辐射物体表面黑度，s 。，为计算温度场的物体s ，边界处的黑度：f 形状因子，由辐射物体和计算温度场的物体的形状和尺寸而定；o 斯蒂芬一波尔兹曼常量，查表而得；t 辐射物体的温度，：强计算温度场的物体边界墨处的温度，。根据傅立叶假设，在边界s ，上应有k 。詈j 。= 如，f ) = 如霜) ( 1 1 )上式也可写成如下形式，即k 。罢k 艽一墨) ( 1 2 )式中：羌= 咖孵+ 瑶+ 毛) ( 1 3 )3 1 3 温度场的有限元分析1 温度场的泛函表达式为了用变分法去推导有限元公式，首先必须人为地去创造一个温度场的泛函表达式。该泛函表达式必须包括控制方程、初始条件和边界条件的全部内容。为了创造这个泛函，首先将控制方程、初始条件和边界条件规范化，即- 1 2 一3 温度场与电磁场基础理论昙( k 。罢) + 导( k ，詈 + 鲁( k ：警) = 一q 。k 。飘喝强，丁| i - t 0 = 丁仁乃= )当求解瞬态场时，舻州詈。根据上式，现造一个泛函如下：( 对流边界墨上)( 辐射边界s 上)( 传导边界s ：上)( 初始条件)妒= f 斟k 。( 罢) 2 诎，( 孑 2 诎：噔) 2 卜矿一l c h i 五一兰霹卜一d f 瓦一；巧声一b 布一f 功。d 矿( 5 式中：，物体内部的温度，；c 物体表面边界温度，它们都是待求的量，。2 温度场的变分表达式对( 1 5 ) 式进行交分运算并取极值，有却= o ( 1 6 )即f 恤篆罢) + k ，孑倍 + k ：詈詈) 卜y一h 亿一t ) s 瓦积一x 仍一瓦胃瓦豳一g 品b 舔一f g 。删矿- o ( 1 7 )将( 1 7 ) 式第一项用矩阵形式表示，变为p 7 茁r w 一量h 亿一五瓦舔1 3 强艮一一杌eh羌=| l&卯一加 一锄kk河北理i 人学硕十学位论文式中一茏n 疋p 不舔一g s ：d 瓦搬一f g e 6 喇y = o ( 1 8 )k 称为传热系数矩阵。丁，：f 塑塑堡1 。( 1 9 )l 缸咖出j3 推导有限元方程1 ) 离散求解域设有图3 所示的一温度场域，将它离散成九个单元，此时变分式( 1 6 ) 变为却= 娩= o ( 2 1 )i式中娩是单元的交分式。x图3 温度场及划分的各类单元f i g 3t e m p e n n u r ef j e l da n da nk i n d so f e l e m e n t2 ) 选取单元的温度函数( 插值函数)现设温度函数为丁= 丁。( 2 2 )式中：- 1 4 、，oo=，行o0or女0o，。l=k3 温度场与电磁场基础理论丁单兀内任一点的温度，对瞬态温度场，r = 丁扛，儿z ，f ) ，：n 形函数矩阵；7 1 。单元节点温度列阵，。3 ) 推导有限元方程式出式( 2 2 ) ，得丁= 艿r 。( 2 3 )式中，b = ( q j ：) r 。将( 2 2 ) ，( 2 3 ) 式代入( 1 8 ) 式，有辜弦”p 7 坳丁8 d 矿一d r 量( h t 一7 h 肘。一j r “( 7 天一) l r 一卯“7 眠杰一j r ”蔓7 d 矿j = o ( 2 4 )将( 2 4 ) 式按已知温度项和未知温度项加以整理，有辜j 丁”曰7 脚d 矿丁。+ 李j r ”f 。7 - w 您r 。+ 孝巧丁“l ，7 羌舔r 。= 车卯”飞t 舔+ 辜积”7 尢c 峦+ 辜j r ”7 您+ 孝占r ”妒7 ( 2 5 )对式( 2 5 ) 式说明如下：( 1 ) 式( 2 5 ) 式等号的左边各项都含有欲求的温度项。左边第一项，表示温度场内全部( 个) 单元进行积分后的和：每个单元的节点温度列阵，8 总和起来将构成整个温度场的节点温度列阵乃体积分d y 是单元热传导矩阵k ；，全部单元的霹总和起来构成整个温度场的热传导矩阵巧。群和丁。分别相当于弹性力学中的单元刚度矩阵足。和单元节点位移列阵d 8 ；而局，r 则分别相当于弹性力学有限元法中的整体刚度矩阵k 和整体节点位移列阵d 。一1 5 一河北理i 人学硕+ 学位论文左边第二项，表示对温度场的r 个对流边界条件求和：这晕的r 。仅是对流边界单元的节点温度列阵；裙仅在对流边界单元上进行积分运算，构成单元对流矩阵k ：。左边第三项，表示对温度场的p 个辐射边界单元求和；这里r 。仅是辐射边界单元的节点温度列阵：1 勰仅在辐射边界单元的边界面上进行积分运算，构成单元辐射矩阵k ：。和群相当于弹性力学有限元法中的弹性支承，它们对整体热传导矩阵k ，将起修正作用。当温度场具有对流或辐射边界条件时，一定要注意计算出这些边界单元的或k ；，加到足，的位置上。( 2 ) ( 2 5 ) 式等号的右边各项都是已知的，他们都相当于弹性力学有限元中的等效节点载荷。在这里称为节电热流矢量。为了简练，下面对求和( ) 不再解释，只说明各项积分的意义。右边第一项，落是由对流给温度场的节点热流矢量群，它们只作用在对流边界节点上。右边第二项，嚣是由辐射给温度场的节点热流矢量群，它们只作用在辐射边界节点上。右边第三项，勰是由辐射给温度场的节点热流矢量，它们只作用在传导边界节点上。右边第四项分两种情况：当t 为稳态场时，g e = g ，7 9 a d 矿= 7 9 d y 是由内部热源产生的节点热流矢量聪。当t 为瞬态场时，g 。：g c 娶，优一1 6 -3 温度场与电磁场基础理论f 7 州矿= p 7 9 d 矿一7 c d 灯。( 2 6 ) 式中右边第一项就是群。而第二项构成单元热容矩阵c ；升速率列阵。c ；于。是由温升产生的节点热流矢量，。对全域求和，别构成整个温度场的整体热容矩阵c ，和整体温升速率矩阵于。( 2 6 )于。是节点温c 与于。就分彰，彤，胄：相当于弹性力学有限元法中的外加等效节点载荷。根据上面的说明，可以把( 2 4 ) 式按稳态场和瞬态场写成如下两种形式：稳念场；r = r ( x ，y ，z ) ，有限元方程为k r = p ( 2 7 )式中鬈由k ，加，祥修正项构成。若没有对流和辐射边界，则k = 坼。p 由群，彤，群，聪构成。到底有哪几项节点热流矢量，视具体边界条件而定。瞬态场：丁= r ( x ，y ，：， ) ，有限元方程为c r r + 灯= p ( 2 8 )式中c ，由c ；构成。其余两项除了r ，p 与时间有关外，与( 2 7 ) 式无异。4 ) 式( 2 7 ) 中各项计算公式汇总式( 2 7 ) 中各项计算公式汇总：传导矩阵对流矩阵辐射矩阵热容矩阵群= 口7 肋d y ( 2 9 )群= p 7 懈( 3 0 )群= p 7 籼( 3 1 )c ；= p 7 c 删n ( 3 2 )内部热源产生的节点热流矢量胄；= 飞t 劣( 3 3 )对流产生的节点热流矢量群= 飞己嬲( 3 4 )辐射产生的节点热流矢量群= 量7 羌耳d 矿( 3 5 )1 7 河北理人学硕十学位论文传导产生的节点热流矢量= l ：7 9 岛嬲( 3 6 )4 求解求解方程式( 2 7 ) ，只需要引入第一类边界条件以后，用高斯消去法求解即可。求解方程式( 2 8 ) ，引入第一类边界条件以后，可采用解振动响应的直接积分法求解。3 2 电磁场分析3 2 1 电磁场的基本理论1 麦克斯韦方程组电磁场理论由一套麦克斯韦方程组描述，分析和研究电磁场的出发点就是对麦克斯韦方程组的研究，包括这个方程的求解与实验验证。这组方程既可以写成微分形式，又可以写成积分形式，在此只写出它们的微分形式，因为它们可以给出有限元方程法处理电磁问题的微分形式【1 7 】。v 。重+ 塑：o ( 法拉第定律) ( 3 7 )研v 青一罢：了( 麦克斯韦一安培定律) ( 3 8 )删v 西= 口( 高斯定律) ( 3 9 )v 西= o ( 磁场高斯定律) ( 4 0 )式中：e 电场强度，v m ；驴一电通量密度，a h 2 ；卜磁场强度，m ；卜磁通量密度，w b m 2 ；。，_ 一电流密度，a ，m 2 ；口电荷密度，c r n j 。另一个基本方程是连续性方程，可以写成：1 8 3 温度场与电磁场基础理论v 7 ：一挈( 表示电荷守恒) ( 4 1 )西方程( 3 7 ) ( 4 1 ) 式中只有三个是独立的，称为独立方程。前三个方程( 3 7 )一( 3 9 ) 式，或前两个方程( 3 7 ) 式和( 3 8 ) 式以及( 4 1 ) 式，都可被选作这种独立方程。其它两个方程，( 3 7 ) 式和( 4 1 ) 式或( 4 0 ) 式和( 3 9 ) 式可从独立方程导出，因此被称为辅助方程或相关方程。2 时谐场本课题所研究的电磁场是时谐场，这时麦克斯韦方程组中的场量是单频的谐振函数，用复相位表示法f 1 8 】，( 3 7 ) 、( 3 8 ) 和( 4 1 ) 式可写成简单的形式：v x e + ，衄= o ( 4 2 )v h 一，叻= ，( 4 3 )v ，= 一_ ，印( 4 4 )式中，刃是角频率。在这种情况下，电场和磁场显然同时存在，并发生相互作用。时变电磁场的基本形式是随时间成简谐变化的电磁场，即空间中任一点处的电场和磁场的每一个分量都是时间的简谐函数。为了简化这类场的数学运算，借鉴交流电路中的复数符号法，在此人为地引入复矢量的概念，进而导出复数形式的麦克斯韦方程组。3 本构关系前面描述的五个麦克斯韦方程中只有三个是独立的。因为方程数少于未知量个数，所以，三个独立方程是非定解的形式。当场量间的本构关系确定后，麦克斯韦方程组就变成定解形式。本构关系描述了被考虑谋质的宏观性质。对于简单谋质，它们是西= 如( 4 5 )口= u ( 4 6 )t 7 = 以( 4 7 )式中：谋质的介电常数，f ，m ：u 谋质的磁导率，h m ；o 谋质的电导率，s r n 。1 9 河北理1 ：大学硕+ 学位论文对各向异性谋质，这些参数是张量；对各向同性谋质，它们是标量。对非均匀谋质，它们是