CN111079275A - 一种板带热轧生产线轧件温度获取方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种板带热轧生产线轧件温度获取方法，包括以下步骤：构造板带热轧生产线的设备布置，并获取相关工艺参数；根据生产线上的设备布置划分轧件换热区域，换热区域包括空冷区、水冷区、辊缝接触热传导区及热辐射保温区；划分轧件宽向‑厚向截面网格节点，并建立各节点的坐标系参数及温度计算模型；获取起始计算位置处轧件初始温度分布；从起始计算位置到终止计算位置，每计算一次时先判断轧件截面所在的换热区域，然后采用相应的轧件温度模型计算该位置处轧件截面的温度分布。本发明的有益效果为：本发明所述方法原理清晰明确，假设和简化条件少，能够准确地预报给定热轧生产线上轧件的温度场变化，其计算精度比解析法更高。

Description

一种板带热轧生产线轧件温度获取方法及装置

技术领域

本发明属于热轧板带技术领域，具体涉及一种板带热轧生产线轧件温度获取方法及装置。

背景技术

热轧过程中板带温度变化的精确预测是保证板带尺寸精度、板形质量及组织性能的重要前提，对于确保热轧板带稳定生产具有重要意义：一方面，板带热轧过程是一个非常复杂的热机耦合过程，包括接触热传导、自然对流、强迫对流、高温热辐射、变形内热源以及摩擦热的综合热交换；现有的轧件温度模型主要有解析法模型和有限元法模型，其中，解析法模型没有全面考虑边界条件和现场工况的复杂性，采用的假设简化条件较多，因而计算精度低，而有限元法模型属于三维数值模型，虽然计算精度较高，但是计算速度很慢，无法满足工程计算的在线实时要求；另一方面，热轧生产线工艺流程复杂，设备布置形式变化多端，目前也没有适用于各种类型热轧生产线的通用型轧件温度计算模型和方法。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种板带热轧生产线轧件温度获取方法及装置，以解决现有轧件温度模型通用性差、计算精度低，无法快速方便地适应工程计算要求等问题。

本发明提供了一种板带热轧生产线轧件温度获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、构造板带热轧生产线的设备布置，并获取相关工艺参数；

步骤二、根据生产线上的设备布置划分轧件换热区域，换热区域包括空冷区、水冷区、辊缝接触热传导区及热辐射保温区，其中水冷区又分为高压水除鳞水冷区及层流冷却水冷区；

步骤三、划分轧件宽向-厚向截面网格节点，并建立各节点的坐标系参数及温度计算模型；

步骤四、获取起始计算位置处轧件截面的初始温度分布；

步骤五、所计算的轧件截面按照带钢运行速度沿着轧制方向移动，从起始计算位置到终止计算位置计算轧件截面的温度分布；每计算一次时先判断轧件截面所在的换热区域，然后采用相应的轧件温度模型计算该位置处轧件截面的温度分布。

按上述方案，所述板带热轧生产线的设备布置包括轧机机组、高压水除鳞装置、保温罩、加热炉、层流冷却装置及卷取机的位置及距离，工艺参数包括轧机工艺参数、轧件轧制参数、层流冷却工艺参数、热物性参数及介质参数。

按上述方案，所述轧机工艺参数包括各机架工作辊的辊身直径、辊身长度、辊颈直径、工作辊窜辊位移；轧件轧制参数包括轧件速度、轧件宽度、各机架辊缝入口厚度、出口厚度、轧件屈服强度；层流冷却工艺参数包括喷射梁数量、喷射梁喷射长度、相邻喷射梁间距及喷射梁开启数量及位置；热物性参数包括轧件热导率、比热容、轧件热辐射率、各机架辊缝接触换热系数、轧件空冷换热系数、轧件冷却水换热系数、轧件高压水除鳞换热系数；介质参数包括冷却水温度及环境温度。

按上述方案，在步骤三中，划分轧件宽向-厚向截面的网格节点，并建立各节点的坐标系位置及温度计算模型，具体为：建立y-z直角坐标系，其中y轴位于轧件中间厚度位置处，z轴位于轧件中间宽度位置处；将轧件二分之一宽向-厚向横截面离散成N×M个网格，其中轧件半宽等分为N段，i＝1、2、3...N，网格宽度为

轧件半厚等分为M段，j＝1、2、3...M，网格厚度为

Δz_i,j＝Δz_i,j-1＝Δz_i,j+1＝Δz；其中，Δz_i,j-轧件节点(i,j)对应单元的厚向长度，Δz_i,j-1-轧件节点(i,j-1)

对应单元的厚向长度，Δz_i,j+1-轧件节点(i,j+1)对应单元的厚向长度；

根据所处的位置，节点分为内部节点、表面节点、端部节点、芯部节点及角部节点；

(1)对于内部节点，其序号可以表示为(i,j)，i＝2、3、4...N-1，j＝2、3、4...M-1，节点(i,j)横坐标为：

纵坐标为：

其温度计算模型表达式为：

(2)对于表面节点，其序号可表示为(i,M)，i＝2、3、4...N-1，节点(i,M)横坐标为

纵坐标为

其温度计算模型表达式为：

(i)若在空冷区，则

(ii)若在热辐射保温区，则

(iii)若在水冷区，则

(iv)若在辊缝接触区，则

(3)对于端部节点，其序号可表示为(N,j)，j＝2、3、4...M-1，节点(N,j)横坐标为

纵坐标为

其温度计算模型表达式为：

(i)若在空冷区、水冷区或辊缝接触区，则

(ii)若在热辐射保温区，则

(4)对于芯部节点，其中厚度芯部端面节点的序号可表示为(i,1)，i＝2、3、4...N-1，横坐标为

纵坐标为

宽度芯部端面节点的序号可表示为(1,j)，j＝2、3、4...M-1，横坐标为

纵坐标为

其温度计算模型表达式为：

(i)若为厚向芯部节点，则

(ii)若为宽向芯部节点，则

(5)对于角部节点，其中左上角部节点序号为(1,M)，横坐标为

纵坐标为

右上角部节点序号为(N,M)，横坐标为

纵坐标为

左下角部节点序号为(1,1)，横坐标为

纵坐标为

右下角部节点序号为(N,1)，横坐标为

纵坐标为

其温度计算模型表达式为：

(i)若在空冷区，则

对于左上角部节点，满足

对于右上角部节点，满足

对于左下角部节点，满足

对于右下角部节点，满足

(ii)若在热辐射保温区，则对于左上角部节点，满足

对于右上角部节点，满足

对于左下角部节点，满足

对于右下角部节点，满足

(iii)若在水冷区，则对于左上角部节点，满足

对于右上角部节点，满足

对于左下角部节点，满足

对于右下角部节点，满足

(iv)若在辊缝接触区，则对于左上角部节点，满足

对于右上角部节点，满足

对于左下角部节点，满足

对于右下角部节点，满足

以上各式中，h_s-轧件与工作辊之间的等效换热系数，单位W/(mm²×℃)；h_x-水冷换热系数，单位W/(mm²×℃)；当为高压水除鳞冷却时h_x＝h_hw；当为层流冷却水冷时h_x＝h_lw，其中，h_lw-层流冷却水对流冷却换热系数，h_hw-高压水对流冷却换热系数；h_a-空气自然对流冷却换热系数，单位W/(mm²×℃)；T_r-轧辊表面温度，单位℃；T_w-冷却水温度，单位℃；T_a-环境温度，单位℃；T_c-保温罩温度，单位℃；ε_r-轧件热辐射率，即黑度，ε_r＜1；σ₀-绝对黑体的辐射系数，σ₀＝5.67×10^-6W/(mm²×K⁴)；c-轧件比热容，单位J/(kg×℃)；ρ-轧件材质密度，单位kg/mm³；λ-轧件导热系数(热导率)，单位W/(mm×℃)；B-轧件宽度，单位mm；h-当前时刻轧件截面厚度，单位mm；Δt-计算时间增量，单位S；

-当前时刻节点(i,j)的温度，单位℃；

-上一时刻节点(i,j)的温度，单位℃；

-上一时刻节点(i-1,j)的温度，单位℃；

-上一时刻节点(i+1,j)的温度，单位℃；

-上一时刻节点(i,j-1)的温度，单位℃；

-上一时刻节点(i,j+1)的温度，单位℃；

-单位时间单位体积内热源产生的热量，单位J/(mm³×s)，当在辊缝接触区时

当为其他换热区域时

其中η-变形热功当量，取η＝0.9，σ_s-轧件平均屈服强度，h^k-上一时刻轧件厚度，h^k+1-下一时刻轧件厚度。

按上述方案，在步骤四中，获取起始计算位置处轧件初始温度分布的方法具体为：在轧件宽度方向上，从中间宽度处到边部各节点温度依次降低，相邻节点之间的温差相同，且中间宽度位置与边部温差为T⁰(1,j)-T⁰(N,j)＝ΔT₁；在轧件厚度方向上，从表面到中间厚度处各节点温度依次升高，相邻节点之间的温差呈等比例关系，比例系数为γ(γ≥1)，即

且中间厚度位置与表面温差为T⁰(i,1)-T⁰(i,M)＝ΔT₂。因此，轧件初始温度分布可表示为：

当γ＞1时，

当γ＝1时，

按上述方案，在步骤五中，所计算的轧件截面按照带钢运行速度沿着轧制方向移动，从起始计算位置到终止计算位置计算轧件截面温度分布的具体方法为：

(1)、当轧件截面处于热辐射保温区时，采用保温条件下的轧件温度模型计算轧件截面的温度分布，然后判断下一时刻轧件截面是否仍处于当前热辐射保温区，若在当前热辐射保温区，则继续计算下一时刻保温条件下轧件截面的温度分布，若不在，则转入下一个换热区域；

(2)、当轧件截面处于水冷区时，若为高压水除鳞水冷区，则采用高压水除鳞条件下的轧件温度模型计算轧件截面的温度分布，然后判断下一时刻轧件截面是否仍处于当前高压水除鳞水冷区，若在当前高压水除鳞水冷区，则继续计算下一时刻高压水除鳞水冷条件下轧件截面的温度分布，若不在，则转入下一个换热区域；若为层流冷却水冷区，则采用层流冷却水冷条件下的轧件温度模型计算轧件截面的温度分布，然后判断下一时刻轧件截面是否仍处于当前层流冷却水冷区，若在当前层流冷却水冷区，则继续计算下一时刻层流冷却水冷条件下轧件截面的温度分布，若不在，则转入下一个换热区域；

(3)、当轧件截面处于辊缝接触热传导区时，判断当前机架是否压下，若不压下，则说明该机架辊缝不存在，转入下一个换热区域；若压下，则采用辊缝接触热传导区的轧件温度模型计算轧件截面的温度分布，然后判断下一时刻轧件截面是否仍处于当前辊缝接触热传导区，若在当前辊缝接触热传导区，则继续计算下一时刻辊缝接触条件下的轧件截面的温度分布，若不在，则转入下一个换热区域；

(4)、当轧件截面处于空冷区时，采用空冷条件下的轧件温度模型计算轧件截面的温度分布，然后判断下一时刻轧件截面是否仍处于当前空冷区，若在当前空冷区，则继续计算下一时刻空冷条件下轧件截面的温度分布，若不在当前空冷区，则转入下一个换热区域；

(5)、当轧件截面处于终止计算位置时，计算结束。

本发明还提供了一种板带热轧生产线轧件温度获取装置，包括：

生产线构造单元，用于构造热轧生产线的设备布置，并获取工艺参数；

换热区域划分单元，用于根据生产线上的设备布置划分轧件换热区域；

网格节点划分单元，用于划分轧件宽向-厚向截面网格节点，并建立各节点的坐标系参数及温度计算模型；

初始温度获取单元，用于获取起始计算位置处轧件初始温度分布；

换热区域判断与计算单元，用于从起始计算位置到终止计算位置轧件截面的温度分布；每计算一次时先判断轧件截面所在的换热区域，然后采用与该换热区域相应的轧件温度模型计算该位置处轧件截面的温度分布。

按上述方案，所述换热区域判断与计算单元包括：

热辐射保温区判断模块，用于判断轧件截面是否在当前热辐射保温区，若是，则采用热辐射保温区的轧件温度计算模型计算保温条件下轧件截面温度分布，否则表明轧件截面已进入其他换热区；

层流冷却水冷区判断模块，用于判断轧件截面是否在当前喷射梁喷射区，若是，则采用层流冷却水冷区的轧件温度计算模型计算轧件截面温度分布，否则表明轧件截面已进入其他换热区；

高压水除鳞水冷区判断模块，用于判断轧件截面是否在当前高压水除鳞水冷区，若是，则采用高压水除鳞水冷区的轧件温度计算模型计算轧件截面温度分布，否则表明轧件截面已进入其他换热区；

辊缝接触热传导区判断模块，用于判断轧件截面是否在当前机架辊缝接触热传导区，若是，则采用辊缝接触热传导区的轧件温度计算模型计算轧件截面温度分布，否则表明轧件截面已进入其他换热区；

空冷区判断模块，用于判断轧件截面是否在当前空冷区，若是，则采用空冷区的轧件温度计算模型计算轧件截面温度分布，否则表明轧件截面已进入其他换热区。

本发明的有益效果为：

(1)本发明建立了二维轧件温度场差分方程，基于给定的热轧生产线布置划分轧件换热区域，进而根据设定的工艺参数(包括轧机工艺参数、轧件轧制参数、层流冷却工艺参数、热物性参数及介质参数)计算热轧板带温度；本发明所述方法原理清晰明确，假设和简化条件少，能够准确地预报给定热轧生产线上轧件的温度场变化，其计算精度比解析法更高，计算速度比有限元法更快，能够满足工程计算的在线实时要求，从而保证板带尺寸精度、板形质量及组织性能的精确控制。

(2)本发明所述装置采用模块化设计，能够非常方便灵活地适用于各种类型热轧生产线(如薄板坯连铸连轧生产线、常规热连轧生产线、炉卷轧制生产线等)的轧件温度计算，极大地提高了模型方法的通用性。

附图说明

图1为本发明所述方法的流程图。

图2为实施例1的轧件宽向-厚向坐标系建立示意图。

图3为实施例1的轧件二分之一宽向-厚向横截面离散网格示意图。

图4为实施例2的ESP生产线轧制段的主要设备布置示意图。

图5为实施例2的ESP生产线的轧件换热区域划分示意图。

图6为实施例2的层流冷却策略示意图。

图7为实施例2计算出的轧件中间宽度处的表面、芯部及厚向平均温度变化。

图8为实施例3提供的板带热轧生产线轧件温度的获取装置的结构示意图。

其中：1、第一保温罩；2、三机架粗轧机组；2-1、第一粗轧机；2-2、第二粗轧机；2-3、第三粗轧机；3、第二保温罩；4、感应加热炉；5、高压水除鳞装置；6、五机架精轧机组；6-1第一精轧机；6-2、第二精轧机；6-3、第三精轧机；6-4、第四精轧机；6-5、第五精轧机；7、层流冷却装置；8、卷取机；9、热辐射保温区；10、空冷区；11、辊缝接触热传导区；12、高压水除鳞水冷区；13、层流冷却区；13-1、层流冷却水冷区；13-2、层流冷却空冷区；14、喷射梁；14-1、第一喷射梁；14-2、第二喷射梁；14-3、第三喷射梁。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。

如图1所示的一种板带热轧生产线轧件温度获取方法，包括以下步骤：

步骤一、构造板带热轧生产线的设备布置，并获取相关工艺参数；其中设备布置包括轧机机组、高压水除鳞装置、保温罩、加热炉、层流冷却装置及卷取机的位置及距离，工艺参数包括轧机工艺参数、轧件轧制参数、层流冷却工艺参数、热物性参数及介质参数。

轧机工艺参数包括各机架工作辊的辊身直径、辊身长度、辊颈直径、工作辊窜辊位移；轧件轧制参数包括轧件速度、轧件宽度、各机架辊缝入口厚度、出口厚度、轧件屈服强度；层流冷却工艺参数包括喷射梁数量、喷射梁喷射长度、相邻喷射梁间距及喷射梁开启数量及位置；热物性参数包括轧件热导率、比热容、轧件热辐射率、各机架辊缝接触换热系数、轧件空冷换热系数、轧件冷却水换热系数、轧件高压水除鳞换热系数；介质参数包括冷却水温度及环境温度。

步骤二、根据生产线上的设备布置划分轧件换热区域，换热区域包括空冷区、水冷区、辊缝接触热传导区及热辐射保温区，其中水冷区又分为高压水除鳞水冷区及层流冷却水冷区。具体为：高压水除鳞装置覆盖的区域为高压水除鳞水冷区，保温罩及加热炉覆盖的区域为热辐射保温区，层流冷却装置覆盖的区域为层流冷却水冷区，与轧机轧辊的接触区域为辊缝接触热传导区，其它只与空气接触的区域为空冷区。

步骤三、划分轧件宽向-厚向截面网格节点，并建立各节点的坐标系参数及温度计算模型。

网格节点划分及温度计算模型的建立方法具体为：

如图2所示，建立y-z直角坐标系，其中y轴位于轧件中间厚度位置处，z轴位于轧件中间宽度位置处。如图3所示，将轧件二分之一宽向-厚向横截面离散成N×M个网格，其中轧件半宽等分为N段，i＝1、2、3...N，网格宽度为

轧件半厚等分为M段，j＝1、2、3...M，网格厚度为

Δz_i,j＝Δz_i,j-1＝Δz_i,j+1＝Δz；其中，Δz_i,j-轧件节点(i,j)对应单元的厚向长度，Δz_i,j-1-轧件节点(i,j-1)对应单元的厚向长度，Δz_i,j+1-轧件节点(i,j+1)对应单元的厚向长度；

根据所处的位置，节点分为内部节点、表面节点、端部节点、芯部节点及角部节点；

(1)对于内部节点，其序号可以表示为(i,j)，i＝2、3、4...N-1，j＝2、3、4...M-1，节点(i,j)横坐标为：

纵坐标为：

其温度计算模型表达式为：

(2)对于表面节点，其序号可表示为(i,M)，i＝2、3、4...N-1，节点(i,M)横坐标为

纵坐标为

其温度计算模型表达式为：

(i)若在空冷区，则

(ii)若在热辐射保温区，则

(iii)若在水冷区，则

(iv)若在辊缝接触区，则

(3)对于端部节点，其序号可表示为(N,j)，j＝2、3、4...M-1，节点(N,j)横坐标为

纵坐标为

其温度计算模型表达式为：

(i)若在空冷区、水冷区或辊缝接触区，则

(ii)若在热辐射保温区，则

(4)对于芯部节点，其中厚度芯部端面节点的序号可表示为(i,1)，i＝2、3、4...N-1，横坐标为

纵坐标为

宽度芯部端面节点的序号可表示为(1,j)，j＝2、3、4...M-1，横坐标为

纵坐标为

其温度计算模型表达式为：

(i)若为厚向芯部节点，则

(ii)若为宽向芯部节点，则

(5)对于角部节点，其中左上角部节点序号为(1,M)，横坐标为

纵坐标为

右上角部节点序号为(N,M)，横坐标为

纵坐标为

左下角部节点序号为(1,1)，横坐标为

纵坐标为

右下角部节点序号为(N,1)，横坐标为

纵坐标为

其温度计算模型表达式为：

(i)若在空冷区，则

对于左上角部节点，满足

对于右上角部节点，满足

对于左下角部节点，满足

对于右下角部节点，满足

(ii)若在热辐射保温区，则

对于左上角部节点，满足

对于右上角部节点，满足

对于左下角部节点，满足

对于右下角部节点，满足

(iii)若在水冷区，则对于左上角部节点，满足

对于右上角部节点，满足

对于左下角部节点，满足

对于右下角部节点，满足

(iv)若在辊缝接触区，则

对于左上角部节点，满足

对于右上角部节点，满足

对于左下角部节点，满足

对于右下角部节点，满足

以上各式中，h_s-轧件与工作辊之间的等效换热系数，单位W/(mm²×℃)；h_x-水冷换热系数，单位W/(mm²×℃)；当为高压水除鳞冷却时h_x＝h_hw；当为层流冷却水冷时h_x＝h_lw，其中，h_lw-层流冷却水对流冷却换热系数，h_hw-高压水对流冷却换热系数；h_a-空气自然对流冷却换热系数，单位W/(mm²×℃)；T_r-轧辊表面温度，单位℃；T_w-冷却水温度，单位℃；T_a-环境温度，单位℃；T_c-保温罩温度，单位℃；ε_r-轧件热辐射率，即黑度，ε_r＜1；σ₀-绝对黑体的辐射系数，σ₀＝5.67×10^-6W/(mm²×K⁴)；c-轧件比热容，单位J/(kg×℃)；ρ-轧件材质密度，单位kg/mm³；λ-轧件导热系数(热导率)，单位W/(mm×℃)；B-轧件宽度，单位mm；h-当前时刻轧件截面厚度，单位mm；Δt-计算时间增量，单位S；

-当前时刻节点(i,j)的温度，单位℃；

-上一时刻节点(i,j)的温度，单位℃；

-上一时刻节点(i-1,j)的温度，单位℃；

-上一时刻节点(i+1,j)的温度，单位℃；

-上一时刻节点(i,j-1)的温度，单位℃；

-上一时刻节点(i,j+1)的温度，单位℃；

-单位时间单位体积内热源产生的热量，单位J/(mm³×s)，当在辊缝接触区时

当为其他换热区域时

其中η-变形热功当量，取η＝0.9，σ_s-轧件平均屈服强度，h^k-上一时刻轧件厚度，h^k+1-下一时刻轧件厚度。

步骤四、获取起始计算位置处轧件截面的初始温度分布。具体为：在轧件宽度方向上，从中间宽度处到边部各节点温度依次降低，相邻节点之间的温差相同，且中间宽度位置与边部温差为T⁰(1,j)-T⁰(N,j)＝ΔT₁；在轧件厚度方向上，从表面到中间厚度处各节点温度依次升高，相邻节点之间的温差呈等比例关系，比例系数为γ(γ≥1)，即

且中间厚度位置与表面温差为T⁰(i,1)-T⁰(i,M)＝ΔT₂，因此，轧件初始温度分布可表示为：

当γ＞1时，

当γ＝1时，

步骤五、所计算的轧件截面按照带钢运行速度沿着轧制方向移动，从起始计算位置到终止计算位置计算轧件截面的温度分布；每计算一次时先判断轧件截面所在换热区域，然后采用与该换热区域相应的轧件温度模型计算该位置处轧件截面的温度分布。具体方法为：

当轧件截面处于热辐射保温区时，采用保温条件下的轧件温度模型计算轧件截面的温度分布，然后判断下一时刻轧件截面是否仍处于当前热辐射保温区，若在当前热辐射保温区，则继续计算下一时刻保温条件下轧件截面的温度分布，若不在，则转入下一个换热区域。

当轧件截面处于水冷区时，若为高压水除鳞水冷区，则采用高压水除鳞条件下的轧件温度模型计算轧件截面的温度分布，然后判断下一时刻轧件截面是否仍处于当前高压水除鳞水冷区，若在当前高压水除鳞水冷区，则继续计算下一时刻高压水除鳞水冷条件下轧件截面的温度分布，若不在，则转入下一个换热区域；若为层流冷却水冷区，则采用层流冷却水冷条件下的轧件温度模型计算轧件截面的温度分布，然后判断下一时刻轧件截面是否仍处于当前层流冷却水冷区，若在当前层流冷却水冷区，则继续计算下一时刻层流冷却水冷条件下轧件截面的温度分布，若不在，则转入下一个换热区域。

当轧件截面处于辊缝接触热传导区时，判断当前机架是否压下，若不压下，则说明该机架辊缝不存在，转入下一个换热区域；若压下，则采用辊缝接触热传导区的轧件温度模型计算轧件截面的温度分布，然后判断下一时刻轧件截面是否仍处于当前辊缝接触热传导区，若在当前辊缝接触热传导区，则继续计算下一时刻辊缝接触条件下的轧件截面的温度分布，若不在，则转入下一个换热区域；

当轧件截面处于空冷区时，采用空冷条件下的轧件温度模型计算轧件截面的温度分布，然后判断下一时刻轧件截面是否仍处于当前空冷区，若在当前空冷区，则继续计算下一时刻空冷条件下轧件截面的温度分布，若不在当前空冷区，则转入下一个换热区域；

当轧件截面处于终止计算位置时，计算结束。

实施例二

本实施例以ESP生产线为例，在实施例一所述方法的基础上，计算ESP生产线生产过程中轧件温度，并与现场实测温度值进行比较，以进一步说明本发明方法的通用性及精确性。

ESP工艺是一种薄板坯连铸连轧工艺，其轧制段的主要设备布置如图4所示，依次包括第一保温罩1、三机架粗轧机组2、第二保温罩3、感应加热炉4、高压水除鳞装置5、五机架精轧机组6、层流冷却装置7及卷取机8，各主要设备间距为：L1＝3m、L2＝5m、L3＝9.5m、L4＝14m、L5＝26.5m、L6＝37m、L7＝45.5m、L8＝56m、L9＝57m、L10＝58m、L11＝63m、L12＝67.5m、L13＝72m、L14＝76.5m、L15＝81m、L16＝92m、L17＝130m、L18＝150m。

表1、表2、表3及表4分别给出了轧机工艺参数、轧件轧制参数、层流冷却工艺参数及热物性参数，另外冷却水温度为30℃，环境温度为30℃，感应加热使轧件温度整体增加240℃。

表1ESP生产线轧机工艺参数

表2轧件轧制参数

表3层流冷却工艺参数

表4热物性参数

图5为ESP生产线的轧件换热区域划分示意图，依次为热辐射保温区→空冷区→辊缝接触热传导区→空冷区→辊缝接触热传导区→空冷区→辊缝接触热传导区→空冷区→热辐射保温区→空冷区→感应加热温300℃→空冷区→高压水除鳞水冷区→空冷区→辊缝接触热传导区→空冷区→辊缝接触热传导区→空冷区→辊缝接触热传导区→空冷区→辊缝接触热传导区→空冷区→辊缝接触热传导区→空冷区→层流冷却区→空冷区，其中层流冷却区又包括层流冷却水冷区与层流冷却空冷区，如图6所示，本实施例中层流冷却采用前段冷却策略，连续开启前段3个冷却水喷射梁(第一喷射梁14-1、第二喷射梁14-2、第三喷射梁14-3)，因此本实施例中层流冷却换热区具体为层流冷却水冷区→空冷区→层流冷却水冷区→空冷区→层流冷却水冷区→空冷区。

将轧件二分之一宽向-厚向横截面离散成50×40个网格，其中轧件半宽等分为50段，i＝1、2、3...50，网格宽度为Δy＝16mm，轧件半厚等分为40段，j＝1、2、3...40，网格厚度为

h为当前计算时刻的轧件截面厚度，需在计算过程中实时计算得出，由表2可知2≤h≤80mm；

起始计算位置处轧件初始温度为：中间宽度处表面初始温度T⁰(1,40)＝1100℃，T⁰(1,1)＝1360℃，T⁰(50,40)＝1070℃，比例系数为γ＝1.053，因此轧件其他节点处的初始温度为：

从起始计算位置到终止计算位置，每计算一次时先判断轧件截面所在的换热区域，然后采用相应的轧件温度模型计算该位置处轧件截面的温度分布，计算结果如图7所示。图7给出了ESP生产线在上述工况下的轧件中间宽度处的表面温度、芯部温度及厚向平均温度变化，另外也给出了ESP生产线相关位置处的轧件中间宽度处的表面温度实测值(见图7中黑色圆点所示)，可以看出，本发明实施例方法的计算结果与实测值非常接近，误差在15℃以内，满足工程计算要求。

实施例三

如图8所示的一种板带热轧生产线轧件温度获取装置，包括：

生产线构造单元，用于构造热轧生产线的设备布置，并获取相关工艺参数；

换热区域划分单元，用于根据生产线上设备布置划分轧件换热区域；

网格节点划分单元，用于划分轧件宽向-厚向截面网格节点，并建立各节点的坐标系参数及温度计算模型；

初始温度获取单元，用于获取起始计算位置处轧件初始温度分布；

换热区域判断与计算单元，用于从起始计算位置到终止计算位置，每计算一次时先判断轧件截面所在的换热区域，然后采用相应的轧件温度模型计算该位置处轧件截面的温度分布。

本发明中，换热区域判断与计算单元包括：

热辐射保温区判断模块，用于判断轧件截面是否在当前热辐射保温区，若是，则采用热辐射保温区的轧件温度计算模型计算保温条件下轧件截面温度分布，否则表明轧件截面已进入其他换热区；

层流冷却水冷区判断模块，用于判断轧件截面是否在当前喷射梁喷射区，若是，则采用层流冷却水冷区的轧件温度计算模型计算轧件截面温度分布，否则表明轧件截面已进入其他换热区；

高压水除鳞水冷区判断模块，用于判断轧件截面是否在当前高压水除鳞水冷区，若是，则采用高压水除鳞水冷区的轧件温度计算模型计算轧件截面温度分布，否则表明轧件截面已进入其他换热区；

辊缝接触热传导区判断模块，用于判断轧件截面是否在当前机架辊缝接触热传导区，若是，则采用辊缝接触热传导区的轧件温度计算模型计算轧件截面温度分布，否则表明轧件截面已进入其他换热区；

空冷区判断模块，用于判断轧件截面是否在当前空冷区，若是，则采用空冷区的轧件温度计算模型计算轧件截面温度分布，否则表明轧件截面已进入其他换热区。

最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种板带热轧生产线轧件温度获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、构造板带热轧生产线的设备布置，并获取相关工艺参数；

步骤二、根据生产线上的设备布置划分轧件换热区域，换热区域包括空冷区、水冷区、辊缝接触热传导区及热辐射保温区，其中水冷区又分为高压水除鳞水冷区及层流冷却水冷区；

步骤三、划分轧件宽向-厚向截面网格节点，并建立各节点的坐标系参数及温度计算模型；

步骤四、获取起始计算位置处轧件截面的初始温度分布；

步骤五、所计算的轧件截面按照带钢运行速度沿着轧制方向移动，从起始计算位置到终止计算位置，每计算一次时先判断轧件截面所在的换热区域，然后采用相应的轧件温度模型计算该位置处轧件截面的温度分布。

2.如权利要求1所述的板带热轧生产线轧件温度获取方法，其特征在于，板带热轧生产线的设备布置包括轧机机组、高压水除鳞装置、保温罩、加热炉、层流冷却装置及卷取机的位置及距离，工艺参数包括轧机工艺参数、轧件轧制参数、层流冷却工艺参数、热物性参数及介质参数。

3.如权利要求2所述的板带热轧生产线轧件温度获取方法，其特征在于，所述轧机工艺参数包括各机架工作辊的辊身直径、辊身长度、辊颈直径、工作辊窜辊位移；轧件轧制参数包括轧件速度、轧件宽度、各机架辊缝入口厚度、出口厚度、轧件屈服强度；层流冷却工艺参数包括喷射梁数量、喷射梁喷射长度、相邻喷射梁间距及喷射梁开启数量及位置；热物性参数包括轧件热导率、比热容、轧件热辐射率、各机架辊缝接触换热系数、轧件空冷换热系数、轧件冷却水换热系数、轧件高压水除鳞换热系数；介质参数包括冷却水温度及环境温度。

4.如权利要求1所述的板带热轧生产线轧件温度获取方法，其特征在于，在步骤三中，划分轧件宽向-厚向截面的网格节点，并建立各节点的坐标系位置及温度计算模型，具体为：建立y-z直角坐标系，其中y轴位于轧件中间厚度位置处，z轴位于轧件中间宽度位置处；将轧件二分之一宽向-厚向横截面离散成N×M个网格，其中轧件半宽等分为N段，i＝1、2、3...N，网格宽度为

轧件半厚等分为M段，j＝1、2、3...M，网格厚度为

Δz_i,j＝Δz_i,j-1＝Δz_i,j+1＝Δz；其中，Δz_i,j-轧件节点(i,j)对应单元的厚向长度，Δz_i,j-1-轧件节点(i,j-1)对应单元的厚向长度，Δz_i,j+1-轧件节点(i,j+1)对应单元的厚向长度；

根据所处的位置，节点分为内部节点、表面节点、端部节点、芯部节点及角部节点；

(1)对于内部节点，其序号可以表示为(i,j)，i＝2、3、4...N-1，j＝2、3、4...M-1，节点(i,j)横坐标为：

纵坐标为：

其温度计算模型表达式为：

(2)对于表面节点，其序号可表示为(i,M)，i＝2、3、4...N-1，节点(i,M)横坐标为

纵坐标为

其温度计算模型表达式为：

(i)若在空冷区，则

(ii)若在热辐射保温区，则

(iii)若在水冷区，则

(iv)若在辊缝接触区，则

(3)对于端部节点，其序号可表示为(N,j)，j＝2、3、4...M-1，节点(N,j)横坐标为

纵坐标为

其温度计算模型表达式为：

(i)若在空冷区、水冷区或辊缝接触区，则

(ii)若在热辐射保温区，则

(4)对于芯部节点，其中厚度芯部端面节点的序号可表示为(i,1)，i＝2、3、4...N-1，横坐标为

纵坐标为

宽度芯部端面节点的序号可表示为(1,j)，j＝2、3、4...M-1，横坐标为

纵坐标为

其温度计算模型表达式为：

(i)若为厚向芯部节点，则

(ii)若为宽向芯部节点，则

(5)对于角部节点，其中左上角部节点序号为(1,M)，横坐标为

纵坐标为

右上角部节点序号为(N,M)，横坐标为

纵坐标为

左下角部节点序号为(1,1)，横坐标为

纵坐标为

右下角部节点序号为(N,1)，横坐标为

纵坐标为

其温度计算模型表达式为：

(i)若在空冷区，则

对于左上角部节点，满足

对于右上角部节点，满足

对于左下角部节点，满足

对于右下角部节点，满足

(ii)若在热辐射保温区，则

对于左上角部节点，满足

对于右上角部节点，满足

对于左下角部节点，满足

对于右下角部节点，满足

(iii)若在水冷区，则

对于左上角部节点，满足

对于右上角部节点，满足

对于左下角部节点，满足

对于右下角部节点，满足

(iv)若在辊缝接触区，则

对于左上角部节点，满足

对于右上角部节点，满足

对于左下角部节点，满足

对于右下角部节点，满足

以上各式中，h_s-轧件与工作辊之间的等效换热系数，单位W/(mm²×℃)；h_x-水冷换热系数，单位W/(mm²×℃)；当为高压水除鳞冷却时h_x＝h_hw；当为层流冷却水冷时h_x＝h_lw，其中，h_lw-层流冷却水对流冷却换热系数，h_hw-高压水对流冷却换热系数；h_a-空气自然对流冷却换热系数，单位W/(mm²×℃)；T_r-轧辊表面温度，单位℃；T_w-冷却水温度，单位℃；T_a-环境温度，单位℃；T_c-保温罩温度，单位℃；ε_r-轧件热辐射率，即黑度，ε_r＜1；σ₀-绝对黑体的辐射系数，σ₀＝5.67×10-⁶W/(mm²×K⁴)；c-轧件比热容，单位J/(kg×℃)；ρ-轧件材质密度，单位kg/mm³；λ-轧件导热系数(热导率)，单位W/(mm×℃)；B-轧件宽度，单位mm；h-当前时刻轧件截面厚度，单位mm；Δt-计算时间增量，单位S；

-当前时刻节点(i,j)的温度，单位℃；

-上一时刻节点(i,j)的温度，单位℃；

-上一时刻节点(i-1,j)的温度，单位℃；

-上一时刻节点(i+1,j)的温度，单位℃；

-上一时刻节点(i,j-1)的温度，单位℃；

-上一时刻节点(i,j+1)的温度，单位℃；

-单位时间单位体积内热源产生的热量，单位J/(mm³×s)，当在辊缝接触区时

当为其他换热区域时

其中η-变形热功当量，取η＝0.9，σ_s-轧件平均屈服强度，h^k-上一时刻轧件厚度，h^k+1-下一时刻轧件厚度。

5.如权利要求1所述的板带热轧生产线轧件温度获取方法，其特征在于，在步骤四中，获取起始计算位置处轧件初始温度分布的方法具体为：在轧件宽度方向上，从中间宽度处到边部各节点温度依次降低，相邻节点之间的温差相同，且中间宽度位置与边部温差为T⁰(1,j)-T⁰(N,j)＝ΔT₁；在轧件厚度方向上，从表面到中间厚度处各节点温度依次升高，相邻节点之间的温差呈等比例关系，比例系数为γ(γ≥1)，即

且中间厚度位置与表面温差为T⁰(i,1)-T⁰(i,M)＝ΔT₂。因此，轧件初始温度分布可表示为：

当γ＞1时，

当γ＝1时，

6.如权利要求1所述的板带热轧生产线轧件温度获取方法，其特征在于，在步骤五中，所计算的轧件截面按照带钢运行速度沿着轧制方向移动，从起始计算位置到终止计算位置计算轧件截面温度分布的具体方法为：

(1)、当轧件截面处于热辐射保温区时，采用保温条件下的轧件温度模型计算轧件截面的温度分布，然后判断下一时刻轧件截面是否仍处于当前热辐射保温区，若在当前热辐射保温区，则继续计算下一时刻保温条件下轧件截面的温度分布，若不在，则转入下一个换热区域；

(2)、当轧件截面处于水冷区时，若为高压水除鳞水冷区，则采用高压水除鳞条件下的轧件温度模型计算轧件截面的温度分布，然后判断下一时刻轧件截面是否仍处于当前高压水除鳞水冷区，若在当前高压水除鳞水冷区，则继续计算下一时刻高压水除鳞水冷条件下轧件截面的温度分布，若不在，则转入下一个换热区域；若为层流冷却水冷区，则采用层流冷却水冷条件下的轧件温度模型计算轧件截面的温度分布，然后判断下一时刻轧件截面是否仍处于当前层流冷却水冷区，若在当前层流冷却水冷区，则继续计算下一时刻层流冷却水冷条件下轧件截面的温度分布，若不在，则转入下一个换热区域；

(3)、当轧件截面处于辊缝接触热传导区时，判断当前机架是否压下，若不压下，则说明该机架辊缝不存在，转入下一个换热区域；若压下，则采用辊缝接触热传导区的轧件温度模型计算轧件截面的温度分布，然后判断下一时刻轧件截面是否仍处于当前辊缝接触热传导区，若在当前辊缝接触热传导区，则继续计算下一时刻辊缝接触条件下的轧件截面的温度分布，若不在，则转入下一个换热区域；

(4)、当轧件截面处于空冷区时，采用空冷条件下的轧件温度模型计算轧件截面的温度分布，然后判断下一时刻轧件截面是否仍处于当前空冷区，若在当前空冷区，则继续计算下一时刻空冷条件下轧件截面的温度分布，若不在当前空冷区，则转入下一个换热区域；

(5)、当轧件截面处于终止计算位置时，计算结束。

7.一种板带热轧生产线轧件温度获取装置，其特征在于，包括：

生产线构造单元，用于构造热轧生产线的设备布置，并获取工艺参数；

换热区域划分单元，用于根据生产线上的设备布置划分轧件换热区域；

网格节点划分单元，用于划分轧件宽向-厚向截面网格节点，并建立各节点的坐标系参数及温度计算模型；

初始温度获取单元，用于获取起始计算位置处轧件初始温度分布；

换热区域判断与计算单元，用于从起始计算位置到终止计算位置轧件截面的温度分布；每计算一次时先判断轧件截面所在的换热区域，然后采用与该换热区域相应的轧件温度模型计算该位置处轧件截面的温度分布。

8.如权利要求7所述的板带热轧生产线轧件温度获取装置，其特征在于，所述换热区域判断与计算单元包括：

热辐射保温区判断模块，用于判断轧件截面是否在当前热辐射保温区，若是，则采用热辐射保温区的轧件温度计算模型计算保温条件下轧件截面温度分布，否则表明轧件截面已进入其他换热区；

层流冷却水冷区判断模块，用于判断轧件截面是否在当前喷射梁喷射区，若是，则采用层流冷却水冷区的轧件温度计算模型计算轧件截面温度分布，否则表明轧件截面已进入其他换热区；

高压水除鳞水冷区判断模块，用于判断轧件截面是否在当前高压水除鳞水冷区，若是，则采用高压水除鳞水冷区的轧件温度计算模型计算轧件截面温度分布，否则表明轧件截面已进入其他换热区；

辊缝接触热传导区判断模块，用于判断轧件截面是否在当前机架辊缝接触热传导区，若是，则采用辊缝接触热传导区的轧件温度计算模型计算轧件截面温度分布，否则表明轧件截面已进入其他换热区；

空冷区判断模块，用于判断轧件截面是否在当前空冷区，若是，则采用空冷区的轧件温度计算模型计算轧件截面温度分布，否则表明轧件截面已进入其他换热区。

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