熱處理過程的離線研究

　熱處理工藝一般包括升溫、保溫及降溫三個基本階段。各階段的爐內(nèi)傳熱形式有所不同，其被控制量有兩種形式�？刂浦猩婕胺醋饔没芈�，且要實現(xiàn)各階段間的平穩(wěn)過渡。對于如此復雜的過程，采用數(shù)值方法對控制過程進行模擬研究有重要的意義文建立了熱處理爐的動態(tài)數(shù)學模型，可作為熱處理過程離線研究的基礎(chǔ)，結(jié)合PID算法，可實現(xiàn)DDC系統(tǒng)的離線閉環(huán)模擬和PID參數(shù)的離線預調(diào)試。

　　1熱處理過程數(shù)學模型關(guān)于輻射的主要假定：爐壁表面、臺車和工件表面均為灰表面，爐氣為灰氣體，以上四部分的溫度各自均勻；工作和臺車表面為不可自見面。

　　用直接交換面積表示的四元體系輻射網(wǎng)絡(luò)。對熱處理爐完整的數(shù)學描述應包括空爐、工件加熱、保溫和降溫等四個階段，各階段的爐內(nèi)傳熱形式不同。在空爐階段，爐中沒有工件，輻射網(wǎng)絡(luò)可簡化為虛線aa左邊的三元體系。降溫階段還可分為供給燃料和只吹冷風兩個子階段，當吹冷風時，輻射網(wǎng)絡(luò)也為三元體系，它不包括圖中虛線圓內(nèi)部分。此外的加熱和保溫階段，以及降溫中有燃料供給的子階段，輻射網(wǎng)絡(luò)均為四元體系。體系中的輻射直接交換面積可分為兩類，一類是固體表面間的交換面積，如另一類是氣體和固體表面間的交換面積.

　　在本例中，它們的簡化算式分別為式中E――黑度；U――角系數(shù)。

　　1.1輻射全交換面積在輻射熱交換的求解中使用輻射全交換面積，可避免大量的重復運算。計算全交換面積關(guān)鍵是求解反射熱流密度矩陣：確定了反射熱流密度矩陣之后，便可確定輻射全交換面積，例如式中――爐氣對工件的輻射全交換面積，――中的一個元素，表示爐氣g為惟一輻射源時工件的反射熱流密度，Q――反射率。

　　1.2爐膛能量平衡方程式中B――燃料消耗量，m――燃料的低發(fā)熱量，kJ/m――空氣實際需要量，m――爐氣實際生成量，m――燃料、空氣和爐氣的平均比熱，――燃料和空氣的預熱溫度，℃；――煙氣傳給工件、爐墻和臺車表面的總熱量；R――史蒂芬―玻爾茲曼常數(shù)；GW，GS，GB――爐氣與爐墻、工件、臺車表面之間的輻射全交換面積，m――爐氣與爐墻、工件和臺車表面的對流換熱系數(shù)，為爐膛能量平衡方程的基本形式，可采用牛頓迭代法求解，得到爐氣溫度。在不同的階段，由于傳熱特點不同，能量方程的定解條件和形式會有所不同。例如，吹冷風時能量平衡方程為式中t――熱交換中空氣的計算溫度，℃；――空氣流量，m1.3工件的導熱微分方程及其離散化有不少熱處理工件為棒材，通常其長度較半徑大得多，假定邊界熱流均勻，則工件在爐內(nèi)的過程可簡化為沿徑向的一維傳熱問題，其導熱偏微分方程為初始條件：邊界條件：式中Q――密度，kgmK――導熱系數(shù)，Wm――初始溫度，℃。

　　1.4爐墻和臺車的導熱微分方程及其離散化爐墻的導熱微分方程為初始條件：邊界條件：q――爐墻的內(nèi)表面和外表面熱流，下標表示環(huán)境。臺車的差分方程與爐墻的類似。分別求解爐墻和臺車的差分方程，可得爐墻和臺車的溫度分布。

　　1.5數(shù)學模型的求解在熱處理過程的某一階段內(nèi)，以爐膛能量平衡方程和熱傳導差分方程為基礎(chǔ)，對爐氣溫度、工件溫度分布、爐墻和臺車溫度分布進行跟蹤計算，具體步驟如下：（1）確定全交換面積和對流換熱系數(shù)；（2）建立爐膛能量平衡方程，求解爐氣溫度；（3）計算工件、爐墻和臺車的表面熱流；（4）求解三組差分方程，分別計算工件、爐墻和臺車的斷面溫度分布；（5）進行下一時刻的計算，直至本階段結(jié)束。

　　模型的輸出是工件、爐壁和臺車的動態(tài)溫度場，這對于熱處理工藝的研究有重要意義。如果模型與控制算法聯(lián)合運行，則可為控制系統(tǒng)提供模擬采樣，實現(xiàn)離線閉環(huán)。而控制系統(tǒng)的輸出，可為爐子模型提供輸入條件，如動態(tài)的燃料供給量等。

　　2直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC系統(tǒng)）PID控制是過程控制系統(tǒng)中應用最廣泛的一種控制規(guī)律.它利用相對于控制誤差的比例等三種動作來決定控制對象的操作量。

　　控制規(guī)律不但適用于簡單控制系統(tǒng)，也適用于復雜的，如串級控制系統(tǒng)等。熱處理爐的DDC系統(tǒng)通常也采用熱處理控制的特點是，保溫階段控制工件表面溫度，升溫、降溫階段分別控制工件表面升溫和降溫速度。需要指出的是，對于降溫中有燃料供給的子階段，調(diào)節(jié)器的作用與其余控制作用相反，此時定義e而在其余情況下，e=SP-PV.其中，SP為設(shè)定值；PV為采樣值；e為偏差。為了使控制算法具有普遍適用性，對過程變量SP（包括PV）、輸出M和偏置M都作了無因次化處理。PID的主要算式為實際輸出，在失控狀態(tài)下凍結(jié)偏置，取Mx，n-1，以避免積分飽和。

　　3算例與分析臺車式熱處理爐，爐墻為全纖維結(jié)構(gòu)，厚250mm；臺車結(jié)構(gòu)為厚230mm的粘土磚。燃料為高―焦混合煤氣，低發(fā)熱量為7530kJ/m3，環(huán)境溫度和工件初溫均為20℃，空氣預熱溫度350℃，燃料不預熱。工件尺寸<800mm×3600mm，材質(zhì)為鑄鐵，對其進行退火處理。根據(jù)退火工藝要求，取升溫速率為80℃/h，保溫溫度為900℃，保溫時間為4h，降溫速爐子數(shù)學模型與算法聯(lián)合運行，整定了各階段的PID參數(shù)，并模擬了受控的熱處理過程。熱處理過程中工件斷面溫度分布和斷面溫差隨時間變化的規(guī)律，可以看出，其表面溫度能夠按工藝的要求實現(xiàn)升溫、保溫和降溫，直到出爐。進入保溫階段一定時間以后，工件的斷面溫度分布才基本達到均勻。在實際生產(chǎn)中，在加熱階段，工件尺寸越大，斷面溫差也越大，溫度達到均勻所需要的保溫時間也越長。對于不同尺寸工件的模擬，可以為確定合理的保溫時間提供定量的依據(jù)，這對于熱處理工藝的研究是有意義的。

　　表面和爐墻內(nèi)表面溫度，以及爐氣溫度隨時間的變化。開始為空爐階段，燃料流量等是給定的，不進行控制。在升溫階段，溫度從高至低的排列順序為：爐氣溫度、爐墻溫度、臺車溫度和工件溫度，即t1―外表面溫度；2―r=0.5R處溫度；3―中心溫度；4―表面與中心的溫差1―工件外表面溫度；2―臺車溫度；3―爐墻溫度；4―爐氣溫度s.保溫階段的特點是tb，且四者逐漸趨于一致。在降溫階段中，t此規(guī)律與實際情況相符。這也說明，本文模型還可用于對影響熱處理質(zhì)量的有關(guān)因素進行研究。

　　爐溫與工件表面溫度的變化曲線，可以看出，在升溫階段前期，爐溫與工件的表面溫度差值較大，但此差值逐漸變小，到了保溫階段末期，兩者相當接近，而且在保溫和降溫階段，這兩個溫度差別也不大。這說明工件的表面溫度與熱電偶的溫度差值是變化的。采用本文的模型可以確定不同工況（不同工件尺寸、材質(zhì)和不同熱處理制度）下爐溫和工件表面溫度差別的規(guī)律。

　　以看出，在整個熱處理過程中，燃料的流量總體上趨于減少直至為零。在升溫與保溫的過渡點，燃料量有一個階躍下降，然后逐漸減少，這個階躍的幅度是通過改變偏置來確定的，這是一種控制策略，其依據(jù)是保溫所需的燃料要比升溫時少得多。該策略可有效避免振蕩，從而改善控制質(zhì)量，實現(xiàn)從加熱到保溫的平穩(wěn)過渡。

　　4結(jié)論（1）根據(jù)熱處理爐的工作特點，分別描述空爐加熱、工件升溫、保溫和降溫有關(guān)階段的爐內(nèi)傳熱。通過能量平衡方程和熱傳導方程的耦合求解，得到爐氣溫度、工件、爐墻和臺車的溫度場。輻射換熱的描述采用了全交換面積的概念。這有效減少了求解中的重復運算，并便于實現(xiàn)熱偶溫度的模擬計算。

　�。�2）以建立的爐子模型為軟件平臺，為DDC系統(tǒng)提供動態(tài)采樣，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的離線參數(shù)整定和閉環(huán)模擬。通過本文的模擬可以獲得各階段爐溫與工件表面溫度之差及其變化、保溫階段工件內(nèi)部溫度均勻化等方面的定量規(guī)律。

　�。�3）DDC系統(tǒng)在保溫階段以溫度為過程變量，采用該項技術(shù)，需要在每個電解槽配備有一個能力超過30kg/h的非自耗陽極裝置，同時安裝具有最佳效率并可大幅度降低錫溶解量的溶錫設(shè)備。這些措施使得電解泥產(chǎn)生量大大減少。采用非自耗陽極后，錫的總收得率與采用自耗陽極的傳統(tǒng)鍍錫線的收得率相當。但是卻大大降低了運送陽極的人員成本，因具有更好的過程控制和帶鋼與陽極之間恒定的間隙使鍍層質(zhì)量提高，并由于采用適當?shù)腻儾壅窒�除了苯酚蒸汽的揮發(fā)而減小了對環(huán)境的污染。新的非自耗陽極技術(shù)既可以用于新建生產(chǎn)線，也可以用于現(xiàn)有生產(chǎn)線。

　　為了使熱軋帶鋼的材質(zhì)和形狀均勻或生產(chǎn)特殊帶材時的操作穩(wěn)定，在熱軋過程中需要進行高精度的溫度管理。提高溫度管理能力的關(guān)鍵是提高軋材溫度。而提高軋材溫度的方法例如有提高板坯溫度、提高粗軋速度、精軋進行加速軋制、增加精軋機的軋機功率、采用帶卷箱、無頭軋制或在線加熱方法等。在這些方法中，有幾種方法已經(jīng)采用。另外，必須投入新的設(shè)備投資。在線加熱方法，以比較小的設(shè)備投資就可采用。在精軋機入口側(cè)，若使軋件升溫100℃，則可取得相當好的效果。

　　進行在線加熱的技術(shù)有氣體加熱、通電加熱及感應加熱，各有特點。經(jīng)比較，選擇感應加熱。加熱金屬板的感應加熱方式一般有二種：橫向通量型和螺線管型。從寬度方向的溫度分布和加熱效率等考慮，螺線管型感應加熱方式較好。若采用20MW級的螺線管型感應加熱裝置，在精軋機入口側(cè)以40m/min輸送板厚為30mm的軋材，

　　日本川崎鋼鐵公司開發(fā)供電磁用途構(gòu)件用、具有優(yōu)良高頻磁特性的電磁線材（細線），具有此特性線材目前尚屬世界首創(chuàng)。新型線材在電器變換器回路中變壓器和電抗器上使用，可使鐵芯小型化。由此，縮短卷繞鐵芯的銅線，從而實現(xiàn)節(jié)能。

　　新型線材的外徑可達0.1mm.所采用的主要技術(shù)：1降低碳、氮、硫等含量，提高鋼的純度；使晶粒細化。硅含量和普通電磁鋼板同水平為3%～3.5%.新型線材具有高的拉拔加工性，可制造形狀復雜構(gòu)件，并具有優(yōu)良的高頻性能。傳統(tǒng)變換器回路上用6.5%硅鋼板等全是板狀的形狀，因此不能適應小型化和異形化的需求。此次開發(fā)的電磁線材雖然鐵損值比迄今使用厚0.1、硅6.5%的硅鋼板高，但由于銅線縮短，可實現(xiàn)節(jié)能，降低環(huán)境負荷。