加熱爐內鋼坯表面溫度的實時監測與傳導模型建立

吳海濱，王 哲，唐 磊，王 飛，張 明，孔令立

（1安徽大學物理與材料科學學院;2合肥師范學院電子信息工程學院，合肥230601)

加熱爐內鋼坯表面溫度的實時監測與傳導模型建立

吳海濱1，王 哲1，唐 磊2，王 飛1，張 明1，孔令立1

（1安徽大學物理與材料科學學院;2合肥師范學院電子信息工程學院，合肥230601)

對加熱爐內鋼坯內部溫度場模擬計算的傳統方法是首先通過爐溫推算出鋼坯表面溫度，進而再推導出來的。實際應用中，多種環境變化及燃料熱值波動等因素都可能會造成較大的誤差。采用比色測溫方法，直接獲取加熱爐內鋼坯表面溫度，再建立鋼坯加熱過程的傳導模型，得出的結果更為合理精確，避免了由爐溫推算鋼坯表面溫度所帶來的誤差。

加熱爐；鋼坯；比色測溫；溫度場；傳導模型

1 引言

加熱爐是軋鋼生產線上的主要設備，加熱爐的作用就是把鋼坯加熱到適合軋制的溫度。開軋溫度直接影響著產品的尺度精度以及軋后的性能，因此對鋼坯的溫度進行精確的預測控制，能夠有效提高成品質量[1]。

以往對于鋼坯內部溫度場的模擬，鋼坯表面溫度都是由爐氣溫度與鋼坯之間的對流傳熱及輻射傳熱等而計算得到的[2][3]。而鋼坯在爐內的加熱過程又是一個復雜的物理化學過程[2]，它與許多因素有關，主要有：爐膛尺寸，爐墻熱特性，鋼坯尺寸，鋼坯熱物性參數，燃料種類及供應量，爐氣及鋼坯的運動等[3]，因此由爐氣溫度計算鋼坯表面溫度很容易受到這些因素的干擾而產生誤差。近年來，安徽大學一直致力于比色測溫理論在爐內鋼坯表面溫度監測技術方面的應用研究，并已取得良好的實用效果[4][5]，本文正是采用此項技術，先直接獲取加熱爐內各段鋼坯的表面溫度，在對鋼坯內部溫度分布進行建模推導，從而避免了爐溫推算鋼坯表面溫度而產生的誤差，使得模擬出來的內部溫度場更加精確。

2 鋼坯表面溫度的獲取

2.1 比色測溫原理

熱力學溫度為T的一般物體，其輻射及分布由Planck輻射定律描述

式中，M為光譜的輻出度，姿為波長，T為熱力學溫度，C1為第一輻射常數，C2為第二輻射常數。當C2/姿T逸1時，Planck公式可以由維恩公式來替代，（1）式可以簡化為

溫度為T的物體，在兩個波長以姿1和姿2為中心波長的輻出度分別M(T,姿1)和M(T,姿2)，則根據兩者比值就可以得出溫度

假設仫著(T,姿)/仫姿=0，即物體近似為灰體時，公式（3）可以簡化為

圖1 測溫系統工作流程圖

此即為比色測溫的計算公式[4]。

2.2 測溫系統

測溫系統工作流程見圖1。

2.3監測數據

在加熱段和均熱段下，我們用比色測溫方法所測得的加熱爐內鋼坯表面溫度。

鋼坯加熱過程中，實時的溫度分布曲面示意圖見圖2。

圖2 溫度實時分布示意圖

3 傳導模型

3.1 控制微分方程

鋼坯是處于一種不斷運動的狀態中，它的溫度隨著時間的變化而不斷改變，根據單元體的能量平衡原理，在直角坐標系下建立的控制微分方程為：

式中，c為鋼坯的質量熱容，單位為J/(kg·K)；姿為鋼坯的導熱系數，單位為W/(m·K)；T為鋼坯溫度，單位為K；籽為鋼坯密度，單位為kg/m3。

3.2 初始和邊界條件

加熱爐對鋼坯的加熱主要是以輻射為主，同時包括對流傳熱。根據斯忒藩-波爾茲曼定律和牛頓冷卻定律可以得出鋼坯表面的熱流為：

上式中，q為熱流，單位為W·m2；Tg為爐氣溫度；Ts為鋼坯表面溫度；滓為斯忒藩-波爾茲曼常量，滓=5.67×10-8W·m-2·K-4；著GWS為系統黑度；α為表面傳熱系數，單位為W·m-2·K-1[6]。

由于輻射和對流傳熱的綜合影響，使得鋼坯的溫度難以計算。這里，我們通過比色測溫方法卻可以直接測得鋼坯的表面溫度。

3.3 控制方程的離散化

根據物理模型對二維截面進行節點的劃分，根據截面尺寸劃分網格。用控制容積法建立起節點的離散化方程。內部節點的控制容積見圖3。

圖3 二維控制容積離散網格

對于網格點P來說，點E和W是它沿x方向的相鄰點，而N與S則為y方向的相鄰點。圍繞P的控制容積我們用斜線來表示的，我們把控制容積面布置在相鄰的兩個網格點的中點[7]。

式（5）的離散化方程為

式中駐x駐y為控制容積的體積[7]。

4 模擬結果及分析

對一尺寸為2m×1m×1m的鋼坯進行加熱，加熱爐爐溫為1200益,燃燒時間為13500 s。根據鋼坯的幾何及邊界條件的對稱性，這里對鋼坯的1/4進行分析。圖2為鋼坯在燃燒13500 s后，其1/4的溫度分布云圖。由圖4可以看出，鋼坯的中心點溫度最低，表面溫度最高。

圖4 1/4鋼坯溫度分布云圖

因此，我們選擇從鋼坯中心處出發，得出沿X軸方向的溫度分布曲線變化圖，如圖5所示：

圖5 沿徑向溫度分布曲線變化圖

由圖5可以看出，在加熱至13500 s時，鋼坯的表面溫度已經接近1200益，而鋼坯中心處溫度卻并沒有達到，這表明我們的燃燒過程并沒有結束。

圖6是加熱過程中，中心及邊角溫度的曲線對比圖，由圖可以看出，當時間到達12150 s時，邊角溫度就已經接近爐溫1200益了，即使時間再長，溫度也很難再上去了。此時我們就可以進入均熱段加熱過程了。

圖6 中心及邊角溫度曲線

均熱段過程，我們可以用Matlab來進行模擬。熱傳導方程為：

模擬結果如圖7所示：

圖7 模擬結果圖

如圖7所示可以看到當中心點溫度達1200益的時候，對應的Y為114.6這個節點數，可以根據公式算出時間，(lambda*h^2/a)*114.6抑1314s=22min（其中lambda是穩定條件的值，h是空間步長，是擴散系數）。考慮之前加熱用時12150 s，可以得到此次加熱總時長大約為3.74 h。

5 結論

本模型通過比色測溫方法測得了加熱爐中的鋼坯表面溫度，并對傳導模型進行了仿真，得出的結果更為合理精確，避免了由爐溫推算鋼坯表面溫度所帶來的誤差，對提高加熱爐的優化控制水平有著積極的作用。

[1]蔡正，王國棟，劉相華.熱軋帶鋼溫度場的數值模擬[J].金屬成形工藝，1998：39~42

[2]寧寶林.加熱爐控制數學模型[J].冶金能源,1989（5）：37

[3]青格勒，程素森，楊天鈞.步進梁式加熱爐內的板坯溫度場數值模擬[J].北京科技大學學報，2004，26（2）：164~168

[4]吳海濱，陳軍，張杰.比色測溫雙波長的選擇及濾波片最小帶寬的計算[J].量子電子學報，2006,23（4）：569~572

[5]吳海濱，王鵬，周后偉.爐內高溫背景輻射對比色測溫的影響[J].量子電子學報，2012,29（2）：224~229

[6]李國軍，雷薇，陳海耿.加熱爐爐溫優化算法研究[J].材料與冶金學報，2011，10（4）：325~328

[7]馮亮花，劉坤，康小兵.步進式加熱爐板坯溫度場數值模擬[J].遼寧科技大學學報，2011,34（1）：39~43

Real-tim e M onitoring of the Billet Surface Tem perature in the
Heating Furnace and Establishment of a Conduction M odel

WU Haibin1,WANG Zhe1,TANG Lei2,WANG Fei1,Zhang Ming1,KONG Lingli2
(1.SchoolofPhysicsandMaterialScience,AnhuiUniversity,Hefei,Anhui230601; 2.DepartmentofElectronicEngineering,HefeiNormalUniversity,Hefei,Anhui230601,China)

The traditional simulation of billet internal temperature field is to derive from billet surface temperature calculated from furnace temperature.In practice,various factors such as environmental changes and fluctuations in fuel calorific value may cause considerable errors.We used colorimetric temperature measurement to directly take billet surface temperature in furnace,and then create the conduction model of billet heating process,which produced more reasonable and accurate results and avoided errors in calculation of billet surface temperature from furnace temperature.

heating furnace;billet;colorimetric temperature measurement;temperature field;conduction model

TG155

B

1006-6764（2014）02-0061-04

2013-04-19

吳海濱（1962-），男，安徽合肥人，教授，現從事光電監測技術方面的研究工作。