热处理过程的离线研究

热处理过程的离线研究

　热处理工艺一般包括升温、保温及降温三个基本阶段。各阶段的炉内传热形式有所不同，其被控制量有两种形式。控制中涉及反作用回路，且要实现各阶段间的平稳过渡。对于如此复杂的过程，采用数值方法对控制过程进行模拟研究有重要的意义文建立了热处理炉的动态数学模型，可作为热处理过程离线研究的基础，结合PID算法，可实现DDC系统的离线闭环模拟和PID参数的离线预调试。

　　1热处理过程数学模型关于辐射的主要假定：炉壁表面、台车和工件表面均为灰表面，炉气为灰气体，以上四部分的温度各自均匀；工作和台车表面为不可自见面。

　　用直接交换面积表示的四元体系辐射网络。对热处理炉完整的数学描述应包括空炉、工件加热、保温和降温等四个阶段，各阶段的炉内传热形式不同。在空炉阶段，炉中没有工件，辐射网络可简化为虚线aa左边的三元体系。降温阶段还可分为供给燃料和只吹冷风两个子阶段，当吹冷风时，辐射网络也为三元体系，它不包括图中虚线圆内部分。此外的加热和保温阶段，以及降温中有燃料供给的子阶段，辐射网络均为四元体系。体系中的辐射直接交换面积可分为两类，一类是固体表面间的交换面积，如另一类是气体和固体表面间的交换面积.

　　在本例中，它们的简化算式分别为式中E――黑度；U――角系数。

　　1.1辐射全交换面积在辐射热交换的求解中使用辐射全交换面积，可避免大量的重复运算。计算全交换面积关键是求解反射热流密度矩阵：确定了反射热流密度矩阵之后，便可确定辐射全交换面积，例如式中――炉气对工件的辐射全交换面积，――中的一个元素，表示炉气g为惟一辐射源时工件的反射热流密度，Q――反射率。

　　1.2炉膛能量平衡方程式中B――燃料消耗量，m――燃料的低发热量，kJ/m――空气实际需要量，m――炉气实际生成量，m――燃料、空气和炉气的平均比热，――燃料和空气的预热温度，℃；――烟气传给工件、炉墙和台车表面的总热量；R――史蒂芬―玻尔兹曼常数；GW，GS，GB――炉气与炉墙、工件、台车表面之间的辐射全交换面积，m――炉气与炉墙、工件和台车表面的对流换热系数，为炉膛能量平衡方程的基本形式，可采用牛顿迭代法求解，得到炉气温度。在不同的阶段，由于传热特点不同，能量方程的定解条件和形式会有所不同。例如，吹冷风时能量平衡方程为式中t――热交换中空气的计算温度，℃；――空气流量，m1.3工件的导热微分方程及其离散化有不少热处理工件为棒材，通常其长度较半径大得多，假定边界热流均匀，则工件在炉内的过程可简化为沿径向的一维传热问题，其导热偏微分方程为初始条件：边界条件：式中Q――密度，kgmK――导热系数，Wm――初始温度，℃。

　　1.4炉墙和台车的导热微分方程及其离散化炉墙的导热微分方程为初始条件：边界条件：q――炉墙的内表面和外表面热流，下标表示环境。台车的差分方程与炉墙的类似。分别求解炉墙和台车的差分方程，可得炉墙和台车的温度分布。

　　1.5数学模型的求解在热处理过程的某一阶段内，以炉膛能量平衡方程和热传导差分方程为基础，对炉气温度、工件温度分布、炉墙和台车温度分布进行跟踪计算，具体步骤如下：（1）确定全交换面积和对流换热系数；（2）建立炉膛能量平衡方程，求解炉气温度；（3）计算工件、炉墙和台车的表面热流；（4）求解三组差分方程，分别计算工件、炉墙和台车的断面温度分布；（5）进行下一时刻的计算，直至本阶段结束。

　　模型的输出是工件、炉壁和台车的动态温度场，这对于热处理工艺的研究有重要意义。如果模型与控制算法联合运行，则可为控制系统提供模拟采样，实现离线闭环。而控制系统的输出，可为炉子模型提供输入条件，如动态的燃料供给量等。

　　2直接数字控制系统（DDC系统）PID控制是过程控制系统中应用最广泛的一种控制规律.它利用相对于控制误差的比例等三种动作来决定控制对象的操作量。

　　控制规律不但适用于简单控制系统，也适用于复杂的，如串级控制系统等。热处理炉的DDC系统通常也采用热处理控制的特点是，保温阶段控制工件表面温度，升温、降温阶段分别控制工件表面升温和降温速度。需要指出的是，对于降温中有燃料供给的子阶段，调节器的作用与其余控制作用相反，此时定义e而在其余情况下，e=SP-PV.其中，SP为设定值；PV为采样值；e为偏差。为了使控制算法具有普遍适用性，对过程变量SP（包括PV）、输出M和偏置M都作了无因次化处理。PID的主要算式为实际输出，在失控状态下冻结偏置，取Mx，n-1，以避免积分饱和。

　　3算例与分析台车式热处理炉，炉墙为全纤维结构，厚250mm；台车结构为厚230mm的粘土砖。燃料为高―焦混合煤气，低发热量为7530kJ/m3，环境温度和工件初温均为20℃，空气预热温度350℃，燃料不预热。工件尺寸<800mm×3600mm，材质为铸铁，对其进行退火处理。根据退火工艺要求，取升温速率为80℃/h，保温温度为900℃，保温时间为4h，降温速炉子数学模型与算法联合运行，整定了各阶段的PID参数，并模拟了受控的热处理过程。热处理过程中工件断面温度分布和断面温差随时间变化的规律，可以看出，其表面温度能够按工艺的要求实现升温、保温和降温，直到出炉。进入保温阶段一定时间以后，工件的断面温度分布才基本达到均匀。在实际生产中，在加热阶段，工件尺寸越大，断面温差也越大，温度达到均匀所需要的保温时间也越长。对于不同尺寸工件的模拟，可以为确定合理的保温时间提供定量的依据，这对于热处理工艺的研究是有意义的。

　　表面和炉墙内表面温度，以及炉气温度随时间的变化。开始为空炉阶段，燃料流量等是给定的，不进行控制。在升温阶段，温度从高至低的排列顺序为：炉气温度、炉墙温度、台车温度和工件温度，即t1―外表面温度；2―r=0.5R处温度；3―中心温度；4―表面与中心的温差1―工件外表面温度；2―台车温度；3―炉墙温度；4―炉气温度s.保温阶段的特点是tb，且四者逐渐趋于一致。在降温阶段中，t此规律与实际情况相符。这也说明，本文模型还可用于对影响热处理质量的有关因素进行研究。

　　炉温与工件表面温度的变化曲线，可以看出，在升温阶段前期，炉温与工件的表面温度差值较大，但此差值逐渐变小，到了保温阶段末期，两者相当接近，而且在保温和降温阶段，这两个温度差别也不大。这说明工件的表面温度与热电偶的温度差值是变化的。采用本文的模型可以确定不同工况（不同工件尺寸、材质和不同热处理制度）下炉温和工件表面温度差别的规律。

　　以看出，在整个热处理过程中，燃料的流量总体上趋于减少直至为零。在升温与保温的过渡点，燃料量有一个阶跃下降，然后逐渐减少，这个阶跃的幅度是通过改变偏置来确定的，这是一种控制策略，其依据是保温所需的燃料要比升温时少得多。该策略可有效避免振荡，从而改善控制质量，实现从加热到保温的平稳过渡。

　　4结论（1）根据热处理炉的工作特点，分别描述空炉加热、工件升温、保温和降温有关阶段的炉内传热。通过能量平衡方程和热传导方程的耦合求解，得到炉气温度、工件、炉墙和台车的温度场。辐射换热的描述采用了全交换面积的概念。这有效减少了求解中的重复运算，并便于实现热偶温度的模拟计算。

　　（2）以建立的炉子模型为软件平台，为DDC系统提供动态采样，实现控制系统的离线参数整定和闭环模拟。通过本文的模拟可以获得各阶段炉温与工件表面温度之差及其变化、保温阶段工件内部温度均匀化等方面的定量规律。

　　（3）DDC系统在保温阶段以温度为过程变量，采用该项技术，需要在每个电解槽配备有一个能力超过30kg/h的非自耗阳极装置，同时安装具有最佳效率并可大幅度降低锡溶解量的溶锡设备。这些措施使得电解泥产生量大大减少。采用非自耗阳极后，锡的总收得率与采用自耗阳极的传统镀锡线的收得率相当。但是却大大降低了运送阳极的人员成本，因具有更好的过程控制和带钢与阳极之间恒定的间隙使镀层质量提高，并由于采用适当的镀槽罩消除了苯酚蒸汽的挥发而减小了对环境的污染。新的非自耗阳极技术既可以用于新建生产线，也可以用于现有生产线。

　　为了使热轧带钢的材质和形状均匀或生产特殊带材时的操作稳定，在热轧过程中需要进行高精度的温度管理。提高温度管理能力的关键是提高轧材温度。而提高轧材温度的方法例如有提高板坯温度、提高粗轧速度、精轧进行加速轧制、增加精轧机的轧机功率、采用带卷箱、无头轧制或在线加热方法等。在这些方法中，有几种方法已经采用。另外，必须投入新的设备投资。在线加热方法，以比较小的设备投资就可采用。在精轧机入口侧，若使轧件升温100℃，则可取得相当好的效果。

　　进行在线加热的技术有气体加热、通电加热及感应加热，各有特点。经比较，选择感应加热。加热金属板的感应加热方式一般有二种：横向通量型和螺线管型。从宽度方向的温度分布和加热效率等考虑，螺线管型感应加热方式较好。若采用20MW级的螺线管型感应加热装置，在精轧机入口侧以40m/min输送板厚为30mm的轧材，

　　日本川崎钢铁公司开发供电磁用途构件用、具有优良高频磁特性的电磁线材（细线），具有此特性线材目前尚属世界首创。新型线材在电器变换器回路中变压器和电抗器上使用，可使铁芯小型化。由此，缩短卷绕铁芯的铜线，从而实现节能。

　　新型线材的外径可达0.1mm.所采用的主要技术：1降低碳、氮、硫等含量，提高钢的纯度；使晶粒细化。硅含量和普通电磁钢板同水平为3%～3.5%.新型线材具有高的拉拔加工性，可制造形状复杂构件，并具有优良的高频性能。传统变换器回路上用6.5%硅钢板等全是板状的形状，因此不能适应小型化和异形化的需求。此次开发的电磁线材虽然铁损值比迄今使用厚0.1、硅6.5%的硅钢板高，但由于铜线缩短，可实现节能，降低环境负荷。