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热轧带钢温度建模和数值模拟

陈水宣  
【摘要】: 在热连轧生产与控制中,带钢的温度是直接影响产品尺寸精度及组织性能的重要因素之一。高精度的温度控制不仅可以提高轧制稳定性,也可改变成品带钢的晶相组织,细化带钢晶粒,提高产品力学性能、物理性能和加工性能。 结合某钢厂热轧生产线的热连轧工艺,对带钢轧制过程和层流冷却过程的传热现象和冶金行为进行了建模和实验研究。建立了热轧带钢精轧混合式温度模型,准确预测了带钢温度的厚度分布,用于实际生产中的终轧温度预测;开发了热轧冷却过程中的温度和相变耦合数值模型,充分考虑了带钢冷却过程中的物理冶金变化行为和温度对热物性参数的影响,模型用于新带钢产品的研发。本文的主要研究工作和创新如下: 1)采用有限差分法计算轧制区的温度变化,替换了传统温度设定系统中计算误差较大的轧制温升和接触热传导模型;采用解析式建立了空冷模型和指数形式水冷模型,并对模型参数进行了钢种和厚度的修正;通过对带钢表面温度和平均温度的换算,建立了差分和解析式并存的混合温度模型,在兼顾效率的同时提高了温度模型的预测精度。生产应用中,采用短时、长时自学习方法对换热系数进行在线修正,进一步提高模型的预测精度和稳定性。 2)建立以相变潜热为内热源的温度耦合计算模型,并采用变分法对模型中的非稳态热传导方程进行离散化;考虑层流冷却过程中的相变对带钢温度的影响,建立空冷区和水冷区的奥氏体冷却相变动力学模型,并利用迭代法实现温度和相变的非线性耦合计算;耦合模型中考虑了换热系数与带钢运行速度之间的关系,并引入了变热物性参数的计算。对双相高强钢特殊冷却条件下的温度进行模拟计算和试验,结果表明模型精度达到生产工艺要求。 3)以某钢厂热轧线的三种碳钢为实验样本,采用实验手段测定不同温度下的热物性参数,研究了带钢的热导率、比热、热膨胀系数和密度与带钢温度的关系,并采用最小二乘法建立了热物性参数的分段函数,用于温度场定量计算,消除了传统模型中对热物性参数进行常值处理所带来的计算误差。 4)建立的热轧带钢精轧混合式温度模型通过某钢厂热轧线的终轧温度设定系统进行验证。仿真和实验结果表明,终轧温度预测误差小于7.5℃,能够满足现场生产应用的需要。


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