热镀锌连续退火炉的数学模型研究.docx

工 业 炉第 33 卷第 6 期 2011 年 11 月Vol.33 No.6Industrial Furnace Nov. 2011 热镀锌连续退火炉的数学模型研究郭英 1,2，董 斌 1,2，叶波 3，李志 1,2，杨柏松 1，2（1.国家钢铁冶炼装备系统集成工程技术研究中心，重庆 401122；2.赛迪工业炉有限公司， 重庆400013；3.中冶赛迪集团有限公司，重庆 400013）摘要：针对大型冷轧带钢连续热镀锌退火过程模型化这一实际工业难题，基于离线仿真和在线控制两种模式，开发出一种两用型热镀锌连续退火炉数学模型，该模型简单，反应快，能同时满足温度跟踪和全炉分布两种模式，且仿真和实际控制结果比较吻合。 该研究为优化控制提供依据。关键词：热镀锌；连续退火炉；冷轧带钢；数学模型；在线控制中图分类号：TG156.2文献标识码：A文章编号：1001- 6988（2011）06- 0004- 03Study on Mathematical Model of Hot-Dip GalvanizingContinuous Annealing FurnaceGUO Ying1,2, DONG Bin1,2, YE Bo3, LI Zhi1，2, YANG Bai-song1，2（1. National Steel & Iron Smelting Equipment System Integration Engineering Technology Research Center, Chongqing 401122, China; 2. CISDI Industry Furnace Co., Ltd, Chongqing 400013, China；3. CISDI Group Co., Ltd, Chongqing 400013, China）Abstract: Aiming at the practical industrial problem of the large cold strip continuous hot-dipgalvanized annealing process model, and based on the two models of off-line simulation and on-line control, a dual-type mathematical model of hot-dip galvanizing continuous annealing furnace was developed. The model was simple, fast-response, and could satisfy the temperature tracking and all the furnace distribution two patterns. The simulation result coincided well with the actual control result. The study provided basis for the optimal control.Key words: hot-dip galvanizing; continuous annealing furnace; cold rolled strip steel; mathematicalmodel; on-line control在大型钢铁企业冷轧带钢热处理剂涂镀生产中广泛采用连续热镀生产技术1。 自 1931 年世界上第一条 连续热镀锌退火生产线建成以来， 连续热镀锌退火生械加工性能以及热处理工艺要求，同时满足带钢镀锌的温度要求，因此研究计算简单、结果准确的热镀锌 连续退火炉内带钢的温度模型是非常必要的3。本文研究的立式连续退火炉按照带钢在炉内运 行方向，可以分为预热段、辐射管加热段、均热段、喷 射冷却段、均衡段、出口段及炉鼻子等炉段，其中，预 热段、冷却段传热方式以对流换热为主，其他炉段以 辐射换热为主，因此，根据不同炉段建立相应数学模 型，对不同的边界热流条件分别进行计算。产在工艺、设备和控制技术等方面迅速发展2。热镀锌连续退火炉是冷轧带钢热处理生产线上最重要的设备之一，其热处理工艺制度是决定整个带钢工艺性能的 主要因素，带钢在退火炉内通过加热和冷却，消除轧 制应力，改善内部晶相结构，达到所要求的深冲等机收稿日期：2011- 06- 03基金项目：重庆市科委资助科技攻关项目，项目编号 CSTC,2010AC3093作者简介：郭 英（1983），女，助理工程师，工学硕士，主要从 事冶金炉窑模型、控制技术开发及应用工作.数学模型11.1控制方程根据带钢在热处理炉内的传热特性， 进行如下4工业 炉第 33 卷 第 6 期 2011 年 11 月假设：（1）各炉段分区温度独立；（2）忽略炉辊(出口段 热张辊除外)对带钢温度的影响；（3）辐射管温度表 面均匀； （4） 忽略带钢之间的热辐射 ； （5） 炉内衬表 面、带钢表面和辐射管表面黑度恒定；（6）忽略带钢 截面内的温差。根据假设条件，建立如下控制方程：j=0:iif0T -Ti+1Qif0f1Tf0 =t c（）+T（6）x2cvj=1，N-1:ii iiTfj+1 -Tfj Tfj-1 -Tfji+1Tfj Q i=t c （+）+ cv +Tfj（7）x2x2j=N:鄣 鄣x鄣鄣+cv鄣t = c 鄣鄣x鄣Tf鄣鄣Tf1Qi i（1） T -T Qi+1ifN-1fNTfN =t c （）+ cv +TfN（8）x2式中：x带钢长度展开坐标，mt时间，s Tf带钢温度，K 带钢导热系数，W/(mK) V（t）带钢速度，m/sQx 长度上带钢吸收的热量，W带钢密度，kg/m3 c带钢比热，kJ/(kgK) 带钢体积，m3，=hwx h带钢厚度，m w带钢宽度，m其中时间步长的取值取决于空间步长与速度的比值，即：热流计算1.21.2.1加热段和均热段、均衡段44Q=A（Tf -Tf ）+A（Tl -Tq）（9）= Nu （10）w式中：黑度波尔兹曼常数A单位节点的对流辐射面积，mTl 辐射管温度，KTf当前节点的表面温度，K 对流换热系数，W/(m2K) Tq保护气体温度，K Nu努塞尔数w带钢宽度，m2dt=dx/V（t）（2）在炉内把带钢沿行进方向分成若干节点，每个节点都采用一维跟踪模型，即跟踪带钢某一点的温 度在炉内随时间变化情况，同时把所有点沿带钢行 进方向连接起来，就能得到任意时刻全炉模型，从而 使用一个模型可以实现追踪和全炉分布两个模型计 算，并且在非稳态情况下，可以保证差分方程组计算 的收敛性，缩短计算时间，而计算时间短是模型投入 在线控制的重要前提条件。初始条件：0在辐射管加热段，主要的传热方式是辐射换热，但是由于炉气温度与带钢温度相差较大， 特别是带 钢初入炉时温差最大，因此，热流计算需考虑对流换 热。 本文采用圆管内紊流充分发展区的对流换热公式计算炉内带钢的对流换热系数，宽、带钢行程间距的函数。其中:Nu=5+0.015ReaPrb特征尺寸取为炉（11）冷却段1.2.2q=-A（T1-Tq）（12）（13）Tfj =tf，p +273式中：tf，p 带钢入预热段时的温度，K边界条件：（3）= Nuw式中：对流换热系数，W/(m2K)A带钢单位节点面积，m2 鄣Tf x=0 =0（4）T 保护气体温度，K鄣x 鄣Tf qNu努塞尔数w带钢宽度，mNu 的求法主要依靠于前人的经验公式4，再根 据实际情况加以修正，圆形喷嘴的喷箱公式为：x=L =0（5）鄣x式中：L带钢沿炉长方向展开后的长度，m差分方程：5第 33 卷第 6 期 工 业 炉Vol.33 No.62011 年 11 月 Industrial FurnaceNov. 2011730/ 725温带 720口 RTF 实 际 出 口 温 度出 715RTF 出 口 带 温 设 定7100100200300400500600时间/10 s图 1 RTF 出口带温随切换时间的变化图实验研究：热镀锌连续退火炉的数学模型研究-0.0521+ 姨0.6/ 姨 f H/D 姨2在线应用Nu2/33Pr0.42 = 姨 f Re6在实际生产中， 稳态热工控制主要是通过控制RTF 段的辐射管功率和 SF 段炉温来使 RTF 出口带 温达到设定值，主要控制情况如下：图 1 是 CQ，0.75 mm 规 格 下 RTF 实 际 出 口 带 温和设定目标值在控制期间随时间的变化情况，CQ 规格的出口带温设定为 725 ，在切换的短时间内， 由于一级与二级的温度模型切换需要一定的时间，入口部分辐射管功率需要逐渐增加， 出口部分辐射 1-2.2 姨 f （14）1+0.2（H/D-6） 姨 f上式 的 适 用 范 围 ：2 000Re105；0.004 f0.04；2H/D12。对于平行狭缝喷嘴的喷箱公式为：2/3姨 22f +f2Reff0Nu23/4Pr0.42 = 3 f0（15）0该式的适用范围为：1 500Re4104；0.008f2.5 f0（H/D）；1H/D40。式中：H喷孔与带钢表面的垂直距离，mD喷孔直径，mf相对喷孔面积管功率需要逐渐减小，此时带钢出口带温通常RTF会有一定的下降，等辐射管二级设定功率稳定后，带钢温度才会逐渐上升到稳定状态，最终使 RTF 出口 温度稳定在设定值的附近。2 姨D；对于对于圆形喷孔，三角孔阵，f=LD2姨 3-1/2= 260+4H -222平行狭缝喷嘴组，f= B ，f0 姨H姨。SLTSPr 是气体的物理参数，Pr= cp = v。 a离线验证2结论4下表为带钢温度实际测量值和模型计算值的对比分析结果。 以某厂实际生产数据作为已知条件代（1）采用一个数学模型实现跟踪和全炉分布两种模式，精简计算模型和时间；（2）离线测试中，计算结果和实测数据很吻合，表明数学模型可以在线使用；（3）实际在线使用中，切换前期带钢温度波动，但是不会超过带钢极限温度， 后期稳定在设定值附 近，并且能保持在5 左右，稳定性较好。入模型,比较带钢在各段出口温度的计算值和实测值,以考察模型的适用性,同样计算条件下的计算结果与实测数据列入表 1 中。表 1 DQ 模型计算结果与实际测量值对比结果PHF出口带温PTF出口带温JCSES出口带温 出口带温带钢规格 DQ；宽度 1 004 mm；厚度 1.2 mm；速度 70.6 m/s参考文献：实际测量值模型计算结果267271.4799801.4504506.7460460.8李九岭.带钢连续热镀锌M.北京：冶金工业出版社，1981.潘继庆.连续热浸锌线技术的发展J.钢铁，1990，25(4)：70-74