中厚板軋后冷卻過程溫度場解析解研究與應(yīng)用.pdf

1、中厚板軋后冷卻過程自動控制是控冷技術(shù)得到有效、穩(wěn)定、精確實施的重要保障，其中冷卻過程溫度模型是提高溫度控制精度的核心和關(guān)鍵。隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值解法得到了廣泛的應(yīng)用，目前溫度場有限差分計算模型已成功實現(xiàn)了在線應(yīng)用，溫度控制精度有了明顯提高。溫度場解析解法由于只能用于求解比較簡單的問題，對于實際冷卻過程的復(fù)雜情況無能為力，因而在工程實際中極少應(yīng)用。但是解析解具有不可替代的理論價值，在認(rèn)識問題本質(zhì)，分析不同變量之間的物理關(guān)系，以及

2、作為標(biāo)準(zhǔn)解用于檢驗和發(fā)展數(shù)值解法等方面都起到至關(guān)重要的作用。為此，本文以中厚板軋后冷卻過程為研究對象，從簡化條件下的溫度場解析解研究入手，對解析解描述的溫度分布規(guī)律進(jìn)行了深入研究，結(jié)合實際重點(diǎn)探討表面溫度、心層溫度與平均溫度之間的對應(yīng)關(guān)系，并基于此，對在線溫度模型及離線模擬優(yōu)化模型提出了改進(jìn)方案。主要研究進(jìn)展如下：
　　 (1)針對中厚板軋后冷卻過程的特點(diǎn)，詳細(xì)研究冷卻過程溫度場各種解法，包括：一維、二維、三維解析解法和一維顯式

3、、隱式、C-N格式，二維顯式、ADI格式以及三維顯式格式的有限差分解法。調(diào)試開發(fā)這些解法的計算程序，在統(tǒng)一計算條件下，解析與差分程序的計算結(jié)果具有很好的一致性。在此基礎(chǔ)上，以解析解為基準(zhǔn)，研究不同差分格式的穩(wěn)定性和計算誤差，并進(jìn)一步通過程序運(yùn)行時間的分析，探討適于在線應(yīng)用的差分格式及步長。研究結(jié)果對于在線溫度模型差分方法的選定以及模型精度與實時性的分析有重要的參考價值。
　　 (2)研究非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)過程正規(guī)階段的溫度分布規(guī)律，提

4、出正規(guī)解概念。正規(guī)解的溫度分布、心表溫差及平均溫度由表面溫度和Bi數(shù)綜合確定，在正規(guī)階段，可通過正規(guī)解法來求解溫度分布。給出正規(guī)階段的判定方法：當(dāng)正規(guī)解的計算偏差減小到工程誤差允許范圍以內(nèi)時，標(biāo)志導(dǎo)熱過程進(jìn)入正規(guī)階段，并定義相應(yīng)的無量綱時間Fom作為非正規(guī)階段和正規(guī)階段的分界點(diǎn)。分析表明，F(xiàn)om并不是某一定值，具體根據(jù)偏差要求、正規(guī)解計算偏差初值和Bi值共同確定。
　　 (3)針對邊界條件和物性條件變化的實際情況，提出近似正規(guī)階

5、段概念。同樣通過分析正規(guī)解計算偏差確定Fom值來判定近似正規(guī)階段，在近似正規(guī)階段，可應(yīng)用正規(guī)解近似描述鋼板的溫度分布。經(jīng)分析證實，鋼板在水冷階段前后的空冷過程中存在近似正規(guī)階段，并且該階段里的正規(guī)解溫度分布是每一時刻實際溫度分布的可能下限。特別得出，返紅結(jié)束時刻可代替Fom值作為判定到達(dá)近似正規(guī)階段的標(biāo)志。
　　 (4)結(jié)合解析解描述的溫度分布規(guī)律，研究鋼板水冷后返紅過程發(fā)生機(jī)理，模擬計算出不同鋼種規(guī)格鋼板在不同冷卻條件下的返紅

6、結(jié)束位置，為終冷溫度控制及測溫儀位置確定提供參考依據(jù)；同時得出較厚鋼板需在矯直之前停留時間的參考值。進(jìn)一步針對實際的返紅過程，研究鋼板內(nèi)部溫度值等于平均溫度的位置變化情況，得出返紅發(fā)生的明顯區(qū)域為溫度值等于平均溫度的穩(wěn)定位置至表面，即無量綱位置X=0.57～1部分，這一結(jié)果為分析返紅過程溫度回復(fù)對鋼板組織性能的影響提供了參考數(shù)據(jù)。此外，研究鋼板在水冷及之后返紅過程心表溫差和均表溫差的變化規(guī)律，為合理制定冷卻策略以及返紅結(jié)束后心表溫差和均

7、表溫差的估算提供理論指導(dǎo)。
　　 (5)提出改進(jìn)中厚板軋后冷卻過程控制系統(tǒng)的思路和方法。確定返紅結(jié)束后就近測溫儀的實測表面溫度作為終冷溫度控制依據(jù)；將正規(guī)解計算嵌入到在線模型中，為模型設(shè)定計算和自學(xué)習(xí)計算提供較可信的溫度分布和平均溫度，可提高模型預(yù)報精度；離線模型擴(kuò)展三個新的功能：返紅過程分析、心表溫差和均表溫差分析以及正規(guī)解偏差分析，為在線模型控制精度提高起到促進(jìn)作用。
　　 本文基于溫度場解析解所做的研究工作，對于中