中厚板軋后冷卻過(guò)程溫度場(chǎng)解析解研究與應(yīng)用.pdf

1、中厚板軋后冷卻過(guò)程自動(dòng)控制是控冷技術(shù)得到有效、穩(wěn)定、精確實(shí)施的重要保障，其中冷卻過(guò)程溫度模型是提高溫度控制精度的核心和關(guān)鍵。隨著計(jì)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(chǎng)有限差分計(jì)算模型已成功實(shí)現(xiàn)了在線應(yīng)用，溫度控制精度有了明顯提高。溫度場(chǎng)解析解法由于只能用于求解比較簡(jiǎn)單的問(wèn)題，對(duì)于實(shí)際冷卻過(guò)程的復(fù)雜情況無(wú)能為力，因而在工程實(shí)際中極少應(yīng)用。但是解析解具有不可替代的理論價(jià)值，在認(rèn)識(shí)問(wèn)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(yàn)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(guò)程為研究對(duì)象，從簡(jiǎn)化條件下的溫度場(chǎng)解析解研究入手，對(duì)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(shí)際重點(diǎn)探討表面溫度、心層溫度與平均溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并基于此，對(duì)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(duì)中厚板軋后冷卻過(guò)程的特點(diǎn)，詳細(xì)研究冷卻過(guò)程溫度場(chǎng)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(jì)算程序，在統(tǒng)一計(jì)算條件下，解析與差分程序的計(jì)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(jì)算誤差，并進(jìn)一步通過(guò)程序運(yùn)行時(shí)間的分析，探討適于在線應(yīng)用的差分格式及步長(zhǎng)。研究結(jié)果對(duì)于在線溫度模型差分方法的選定以及模型精度與實(shí)時(shí)性的分析有重要的參考價(jià)值。
　　 (2)研究非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)過(guò)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(guò)正規(guī)解法來(lái)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(jì)算偏差減小到工程誤差允許范圍以內(nèi)時(shí)，標(biāo)志導(dǎo)熱過(guò)程進(jìn)入正規(guī)階段，并定義相應(yīng)的無(wú)量綱時(shí)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(jì)算偏差初值和Bi值共同確定。
　　 (3)針對(duì)邊界條件和物性條件變化的實(shí)際情況，提出近似正規(guī)階

5、段概念。同樣通過(guò)分析正規(guī)解計(jì)算偏差確定Fom值來(lái)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(shí)，鋼板在水冷階段前后的空冷過(guò)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(shí)刻實(shí)際溫度分布的可能下限。特別得出，返紅結(jié)束時(shí)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(guò)程發(fā)生機(jī)理，模擬計(jì)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(cè)溫儀位置確定提供參考依據(jù)；同時(shí)得出較厚鋼板需在矯直之前停留時(shí)間的參考值。進(jìn)一步針對(duì)實(shí)際的返紅過(guò)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?yàn)闇囟戎档扔谄骄鶞囟鹊姆€(wěn)定位置至表面，即無(wú)量綱位置X=0.57～1部分，這一結(jié)果為分析返紅過(guò)程溫度回復(fù)對(duì)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(guò)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(guò)程控制系統(tǒng)的思路和方法。確定返紅結(jié)束后就近測(cè)溫儀的實(shí)測(cè)表面溫度作為終冷溫度控制依據(jù)；將正規(guī)解計(jì)算嵌入到在線模型中，為模型設(shè)定計(jì)算和自學(xué)習(xí)計(jì)算提供較可信的溫度分布和平均溫度，可提高模型預(yù)報(bào)精度；離線模型擴(kuò)展三個(gè)新的功能：返紅過(guò)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(chǎng)解析解所做的研究工作，對(duì)于中