本發(fā)明屬于冶金領(lǐng)域，尤其涉及一種用于金屬熱處理的環(huán)形加熱爐的加熱工藝及控制方法。
背景技術(shù)：
：鋼在加熱過程，進(jìn)入奧氏體組織之前，若加熱速度太快時(shí)，鋼坯內(nèi)外溫度不均勻，會產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力難以松弛，且拉應(yīng)力較大時(shí)，就可能導(dǎo)致鋼坯開裂。尤其是高合金鋼，熱導(dǎo)率小，導(dǎo)熱性差，熱應(yīng)力相對較大。因此，高合金鋼在低溫加熱階段，加熱速度應(yīng)取較小值。開始奧氏體轉(zhuǎn)變后，雖然會因相變而出現(xiàn)組織應(yīng)力，但這種應(yīng)力由于奧氏體為軟韌相，且由于鋼材塑性變好，因而可松弛應(yīng)力，所以這階段的加熱速度可以快些。事實(shí)上，鋼坯在高溫加熱階段，在實(shí)際生產(chǎn)中難以采用較大升溫速度進(jìn)行加熱，一方面是因?yàn)楦邷囟螤t子散熱增大，另一個(gè)方面是，當(dāng)珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體時(shí)，需要吸收相變潛熱，從而影響升溫速度。尤其對于環(huán)形加熱爐而言，管坯放置在爐底轉(zhuǎn)盤上，采用上部單側(cè)加熱，管坯單面受熱，同時(shí)受到相鄰管坯和爐底的影響，使得管坯溫度的均勻性不好，這不僅影響到管坯軋制過程的鋼管尺寸精度，還容易導(dǎo)致鋼管內(nèi)外表面出現(xiàn)裂紋等質(zhì)量缺陷。因此，利用環(huán)形爐進(jìn)行高合金鋼管坯加熱時(shí)，合理的加熱工藝非常重要，一般的工藝控制思想是，降低其在低溫加熱過程的升溫速率，增加在爐時(shí)間，以確保管坯溫度的均勻性。但是一直以來，因?yàn)槿鄙儆?jì)算手段，高合金鋼的加熱工藝制定還是以生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)為主，往往造成不必要的能源浪費(fèi)。授權(quán)公告日為2011年7月20日，授權(quán)公告號為CN101775475B的中國發(fā)明專利，公開了“一種熱軋管坯的加熱工藝”，針對控制段的脈沖燒嘴，按照設(shè)定的換向周期和換向間隔依次循環(huán)燃燒，通過合理設(shè)置各控制段內(nèi)外側(cè)的爐溫，控制出爐熱管坯的頭部與尾部溫差范圍，使進(jìn)入連軋機(jī)毛管的頭尾溫度較為均勻，為連軋機(jī)的軋制提供更好的條件。該技術(shù)方案主要涉及爐溫的燃燒控制，并給出各控制段工藝爐溫范圍，但不涉及加熱工藝的爐溫、時(shí)間等具體信息的制定規(guī)則。授權(quán)公告日為1998年11月11日，授權(quán)公告號為CN1040662C的中國發(fā)明專利，公開了一種“鋼的最佳加熱速度加熱工藝”，該技術(shù)方案以最小能耗為目標(biāo)，通過協(xié)調(diào)加熱溫度和加熱時(shí)間，給出鋼的最佳加熱速度。該方案主要適用于碳鋼，而且根據(jù)其方案所得到的給出爐溫，無法適用于環(huán)形加熱爐。公開日為2011年05月04日，公開號為CN102041372A的中國發(fā)明專利申請，公開了一種“低合金、碳素鋼大管坯在環(huán)形爐中的加熱工藝方法”，該技術(shù)方案通過快速升溫并在高溫段保留一段時(shí)間的加熱方式，提高管坯產(chǎn)能，使加熱溫度能夠更好適應(yīng)不同軋制節(jié)奏。該技術(shù)方案可適用于碳素鋼和低合金鋼，但不適用于高合金鋼。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種環(huán)形加熱爐加熱工藝優(yōu)化方法，其主要針對高合金鋼，以控制爐內(nèi)管坯的熱應(yīng)力和出爐溫度為目標(biāo)，采用模型計(jì)算，確定管坯在加熱過程中，各控制段的工藝爐溫和工藝在爐時(shí)間。本技術(shù)方案通過合理設(shè)計(jì)管坯在環(huán)形加熱爐中的工藝爐溫和工藝在爐時(shí)間，能夠有效降低管坯在加熱過程中因熱應(yīng)力過高而產(chǎn)生表面裂紋的風(fēng)險(xiǎn)，提高產(chǎn)品加熱質(zhì)量，同時(shí)有利于降低加熱爐排煙溫度，減少工序能耗。本發(fā)明的技術(shù)方案是：提供一種環(huán)形加熱爐加熱工藝優(yōu)化方法，其特征所述的工藝優(yōu)化方法包括下列步驟：步驟1、根據(jù)熱傳導(dǎo)偏微分方程和爐內(nèi)熱輻射總括系數(shù)方法，建立環(huán)形爐內(nèi)管坯溫度模型；根據(jù)管坯斷面熱膨脹的差異，建立熱應(yīng)力模型；步驟2、建立加熱工藝的調(diào)整流程和調(diào)整規(guī)則，調(diào)整流程指外環(huán)的工藝在爐時(shí)間調(diào)整和內(nèi)環(huán)的工藝溫度調(diào)整，調(diào)整規(guī)則指模型計(jì)算結(jié)果和加熱工藝調(diào)整細(xì)則的對應(yīng)關(guān)系；步驟3、針對給定加熱工藝，利用步驟1中的管坯溫度模型和熱應(yīng)力模型，計(jì)算對應(yīng)于加熱工藝不同時(shí)刻的管坯溫度和熱應(yīng)力值；步驟4、采用步驟3計(jì)算結(jié)果，判斷當(dāng)前加熱工藝狀態(tài)，結(jié)合步驟2建立的加熱工藝調(diào)整流程和加熱工藝調(diào)整規(guī)則，通過迭代計(jì)算實(shí)現(xiàn)加熱工藝調(diào)整，最終輸出符合工藝要求的加熱工藝。其所述步驟1中的管坯溫度模型，忽略長度方向的傳熱，采用二維熱傳導(dǎo)方程，采用常規(guī)的差分解法，在管坯半徑方向和角度方向，迭代計(jì)算管坯的溫度分布。在所述步驟1中管坯溫度模型的表達(dá)形式如下：其中：λ，管坯熱導(dǎo)率，單位W/(m×K)；c，管坯比熱，單位J/(kg×K)；ρ，管坯密度，單位kg/(m3)；T，管坯溫度，單位℃；r，表示管坯截面2維網(wǎng)格在半徑方向的坐標(biāo)，r1，rM分別為網(wǎng)格的最小、最大 半徑；為了兼顧計(jì)算的穩(wěn)定性和精度，r1可以取一個(gè)大于0的極小值；θ，表示管坯截面2維網(wǎng)格在角度方向的坐標(biāo)，θ1、θN分別為網(wǎng)格的最小、最大角度；所述的管坯表面對應(yīng)于不同角度θ，從加熱爐內(nèi)獲取的熱量，可以通過總括系數(shù)法獲得：其中：α(θ)為角度θ對應(yīng)的綜合輻射系數(shù)，可以結(jié)合黑匣子試驗(yàn)或通過有限元模擬計(jì)算獲取；σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)，取值5.67W/(m2×K4)；Tg(t)為對應(yīng)t時(shí)刻的工藝爐溫。具體的，所述的步驟1中的熱應(yīng)力模型可以采用如下公式計(jì)算：F＝κ(T)×E(T)×ΔT其中，κ(T)為管坯線膨脹系數(shù)，單位1E-6/K；E(T)為管坯彈性模量，MPa；ΔT為管坯不同節(jié)點(diǎn)之間溫差。具體的，在所述步驟2中，建立加熱工藝的調(diào)整流程和加熱工藝的調(diào)整規(guī)則如下：所述加熱工藝的調(diào)整流程包括內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)；其中，外環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)間，內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)溫度，因此定義外環(huán)工藝為調(diào)時(shí)工藝，內(nèi)環(huán)工藝為調(diào)溫工藝；在首次進(jìn)行工藝調(diào)節(jié)時(shí)，調(diào)時(shí)工藝和調(diào)溫工藝都和初始工藝一致；外環(huán)的時(shí)間調(diào)節(jié)是針對前一次的調(diào)時(shí)工藝進(jìn)行調(diào)節(jié)，每次完成時(shí)間調(diào)節(jié)后，需采用調(diào)節(jié)后的調(diào)時(shí)工藝重置內(nèi)環(huán)的調(diào)溫工藝；同樣，內(nèi)環(huán)的溫度調(diào)節(jié)是針對前一次的調(diào)溫工藝進(jìn)行 調(diào)節(jié)；所述加熱工藝的調(diào)整規(guī)則具體包括如下：①滿足條件FMax≥FAim，應(yīng)力段降溫；其中，F(xiàn)Max是對應(yīng)于當(dāng)前工藝計(jì)算得到的管坯斷面局部最大熱應(yīng)力，F(xiàn)Aim是加熱過程所允許的最大熱應(yīng)力；其中所述的應(yīng)力段，定義為超出目標(biāo)應(yīng)力的當(dāng)前控制段；②滿足條件Tave-TAim>ΔT1，溫度段降溫；其中，Tave是對應(yīng)于當(dāng)前工藝計(jì)算得到的管坯出爐平均溫度，TAim是工藝給出目標(biāo)出爐溫度，ΔT1是工藝允許最大出爐溫度偏差；溫度段定義為應(yīng)力段到出爐位置之間的所有控溫段，如果不存在應(yīng)力段，則所有的控溫段均為溫度段。③滿足條件Tave-TAim<-ΔT1，溫度段升溫；④滿足條件tcalcu-tAim>Δt，減少工藝在爐時(shí)間；其中，tcalcu是當(dāng)前工藝下，計(jì)算管坯平均溫度達(dá)到TAim后的在爐時(shí)間；tAim是工藝給出保溫時(shí)間；Δt是工藝允許的保溫時(shí)間偏差；⑤滿足條件tcalcu-tAim<-Δt，增加工藝在爐時(shí)間；⑥同時(shí)滿足如下條件，輸出調(diào)整后加熱工藝：進(jìn)一步的，在所述的步驟3中，所述的給定加熱工藝，是指當(dāng)前調(diào)整流程中的調(diào)溫工藝；在進(jìn)行管坯溫度和熱應(yīng)力計(jì)算時(shí)，首先需要獲取相關(guān)計(jì)算參數(shù)；所述的相關(guān)計(jì)算參數(shù)至少包括工藝溫度、工藝在爐時(shí)間、管坯尺寸、管坯比熱、管坯熱導(dǎo)率、管坯密度、管坯線膨脹系數(shù)、管坯彈性模量。進(jìn)一步的，在所述的步驟3中，將步驟1中建立的管坯溫度模型，采用有限差分方式，進(jìn)行迭代求解，可以獲取對應(yīng)于加熱工藝不同時(shí)刻的管坯溫度；然后，針對不同時(shí)刻的管坯溫度分布，獲取管坯內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的局部溫差ΔT，再利用步驟1建立的熱應(yīng)力模型，獲取對應(yīng)于加熱工藝不同時(shí)刻的管坯斷面節(jié)點(diǎn)熱應(yīng)力，并通過比較得到局部最大熱應(yīng)力。進(jìn)一步的，在所述的步驟4中，首先，根據(jù)步驟3輸出的不同時(shí)間、不同位置下的管坯溫度和熱應(yīng)力，判斷計(jì)算值和工藝目標(biāo)值之間的關(guān)系，確定工藝調(diào)節(jié)過程中應(yīng)力段、溫度段所對應(yīng)的具體控制段；其次，根據(jù)步驟2建立的加熱工藝調(diào)整流程和加熱工藝調(diào)整規(guī)則，選擇合適的調(diào)節(jié)溫度和調(diào)節(jié)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)工藝的優(yōu)化調(diào)整，并輸出符合工藝要求的加熱工藝。進(jìn)一步的，在所述的步驟4中，假設(shè)當(dāng)前加熱工藝以及對應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，包含了如下信息：表示應(yīng)力段的工藝爐溫、表示溫度段的工藝爐溫、t工藝表示工藝在爐時(shí)間，Tstep表示溫度調(diào)節(jié)量，tstep表示時(shí)間調(diào)節(jié)量；則有，滿足步驟2定義調(diào)整規(guī)則①，下次迭代計(jì)算的工藝爐溫調(diào)整為：滿足步驟2定義調(diào)整規(guī)則②，下次迭代計(jì)算的工藝爐溫調(diào)整為：滿足步驟2定義調(diào)整規(guī)則③，下次迭代計(jì)算的工藝爐溫調(diào)整為：滿足步驟2定義調(diào)整規(guī)則④，下次迭代計(jì)算的工藝在爐時(shí)間調(diào)整為：t工藝＝t工藝-tstep滿足步驟2定義調(diào)整規(guī)則⑤，下次迭代計(jì)算的工藝在爐時(shí)間調(diào)整為：t工藝＝t工藝+tstep滿足步驟2定義調(diào)整規(guī)則⑥，輸出當(dāng)前調(diào)時(shí)工藝為最終優(yōu)化加熱工藝。本技術(shù)方案所述的加熱工藝優(yōu)化方法，以控制爐內(nèi)管坯的熱應(yīng)力和出爐溫度為目標(biāo)，采用模型計(jì)算，確定管坯在加熱過程中，各控制段的工藝爐溫和工藝在爐時(shí)間。本技術(shù)方案所述的加熱工藝優(yōu)化方法，通過合理設(shè)計(jì)管坯在環(huán)形加熱爐中的工藝爐溫和工藝在爐時(shí)間，能夠有效降低管坯在加熱過程中因熱應(yīng)力過高而產(chǎn)生表面裂紋的風(fēng)險(xiǎn)，提高產(chǎn)品加熱質(zhì)量，同時(shí)有利于降低加熱爐排煙溫度，減少工序能耗。與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：1.所述的工藝優(yōu)化方法主要針對高合金鋼，以控制爐內(nèi)管坯的熱應(yīng)力和出爐溫度為目標(biāo)，采用管坯溫度模型和管坯熱應(yīng)力模型，確定管坯在加熱過程中，各控制段的工藝爐溫和工藝在爐時(shí)間；2.通過離線計(jì)算，實(shí)現(xiàn)工藝優(yōu)化，對計(jì)算時(shí)間沒有限制，因此溫度調(diào)節(jié)和時(shí)間調(diào)節(jié)均可取很小值；3.通過合理設(shè)計(jì)管坯在環(huán)形加熱爐中的工藝爐溫和工藝在爐時(shí)間，能夠有效降低管坯在加熱過程中因熱應(yīng)力過高而產(chǎn)生表面裂紋的風(fēng)險(xiǎn)，提高產(chǎn)品加熱質(zhì)量，同時(shí)有利于降低加熱爐排煙溫度，減少工序能耗。附圖說明圖1是本發(fā)明的工藝優(yōu)化流程示意圖；圖2是本發(fā)明環(huán)形爐應(yīng)力段和溫度段的示意圖；圖3是本發(fā)明對應(yīng)于初始工藝的管坯溫度及熱應(yīng)力的示意圖；圖4是本發(fā)明對應(yīng)于調(diào)整完成后的加熱工藝示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。本發(fā)明的技術(shù)方案提供了一種環(huán)形加熱爐加熱工藝優(yōu)化方法，其發(fā)明點(diǎn)在于所述的工藝優(yōu)化方法包括下列步驟：步驟1、根據(jù)熱傳導(dǎo)偏微分方程和爐內(nèi)熱輻射總括系數(shù)方法，建立環(huán)形爐內(nèi)管坯溫度模型；根據(jù)管坯斷面熱膨脹的差異，建立熱應(yīng)力模型；步驟2、建立加熱工藝的調(diào)整流程和調(diào)整規(guī)則，調(diào)整流程指外環(huán)的工藝在爐時(shí)間調(diào)整和內(nèi)環(huán)的工藝溫度調(diào)整，調(diào)整規(guī)則指模型計(jì)算結(jié)果和加熱工藝調(diào)整細(xì)則的對應(yīng)關(guān)系；步驟3、針對給定加熱工藝，利用步驟1中的管坯溫度模型和熱應(yīng)力模型，計(jì)算對應(yīng)于加熱工藝不同時(shí)刻的管坯溫度和熱應(yīng)力值；步驟4、采用步驟3計(jì)算結(jié)果，判斷當(dāng)前加熱工藝狀態(tài)，結(jié)合步驟2建立的加熱工藝調(diào)整流程和加熱工藝調(diào)整規(guī)則，通過迭代計(jì)算實(shí)現(xiàn)加熱工藝調(diào)整，最終輸出符合工藝要求的加熱工藝。本技術(shù)方案的具體內(nèi)容為：根據(jù)步驟1，管坯溫度模型，忽略長度方向的傳熱，采用二維熱傳導(dǎo)方程，采用常規(guī)的差分解法，在管坯半徑方向和角度方向，迭代計(jì)算管坯的溫度分布。形式如下：其中：λ，管坯熱導(dǎo)率，單位W/(m×K)；c，管坯比熱，單位J/(kg×K)；ρ，管坯密度，單位kg/(m3)；T，管坯溫度，單位℃；r，表示管坯截面2維網(wǎng)格在半徑方向的坐標(biāo)，r1，rM分別為網(wǎng)格的最小、最大半徑；θ，表示管坯截面2維網(wǎng)格在角度方向的坐標(biāo)，θ1、θN分別為網(wǎng)格的最小、最大角度。為了兼顧計(jì)算的穩(wěn)定性和精度，r1可以取一個(gè)大于0的極小值，管坯表面對應(yīng)于不同角度θ，從加熱爐內(nèi)獲取的熱量可以通過總括系數(shù)法計(jì)算：其中：α(θ)為角度θ對應(yīng)的綜合輻射系數(shù)，可以結(jié)合黑匣子試驗(yàn)或通過有限元模擬計(jì)算獲??；σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)，取值5.67W/(m2×K4)；Tg(t)為對應(yīng)t時(shí)刻的工藝爐溫。根據(jù)步驟1，熱應(yīng)力模型可以采用如下公式計(jì)算：F＝κ(T)×E(T)×ΔT其中，κ(T)為管坯線膨脹系數(shù)，單位1E-6/K；E(T)為管坯彈性模量，MPa；ΔT為管坯不同節(jié)點(diǎn)之間溫差。根據(jù)步驟2，建立加熱工藝的調(diào)整流程和調(diào)整規(guī)則如下：加熱工藝的調(diào)整流程包括內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)，外環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)間，內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)溫度，因此定義外環(huán)工藝為調(diào)時(shí)工藝，內(nèi)環(huán)工藝為調(diào)溫工藝。具體流程可參考圖1中所示。在首次進(jìn)行工藝調(diào)節(jié)時(shí)，調(diào)時(shí)工藝和調(diào)溫工藝都和初始工藝一致；外環(huán)的時(shí)間調(diào)節(jié)是針對前一次的調(diào)時(shí)工藝進(jìn)行調(diào)節(jié)，每次完成時(shí)間調(diào)節(jié)后，需采用調(diào)節(jié)后的調(diào) 時(shí)工藝重置內(nèi)環(huán)的調(diào)溫工藝；同樣，內(nèi)環(huán)的溫度調(diào)節(jié)是針對前一次的調(diào)溫工藝進(jìn)行調(diào)節(jié)。加熱工藝的調(diào)整規(guī)則具體包括如下：①滿足條件FMax≥FAim，應(yīng)力段降溫。其中，F(xiàn)Max是對應(yīng)于當(dāng)前工藝計(jì)算得到的管坯斷面局部最大熱應(yīng)力，F(xiàn)Aim是加熱過程所允許的最大熱應(yīng)力；應(yīng)力段定義為超出目標(biāo)應(yīng)力的當(dāng)前控制段；②滿足條件Tave-TAim>ΔT1，溫度段降溫。其中，Tave是對應(yīng)于當(dāng)前工藝計(jì)算得到的管坯出爐平均溫度，TAim是工藝給出目標(biāo)出爐溫度，ΔT1是工藝允許最大出爐溫度偏差；溫度段定義為應(yīng)力段(不包含應(yīng)力段)到出爐位置之間的所有控溫段，如果不存在應(yīng)力段，則所有的控溫段均為溫度段。③滿足條件Tave-TAim<-ΔT1，溫度段升溫。④滿足條件tcalcu-tAim>Δt，減少工藝在爐時(shí)間。其中，tcalcu是當(dāng)前工藝下，計(jì)算管坯平均溫度達(dá)到TAim后的在爐時(shí)間；tAim是工藝給出保溫時(shí)間；Δt是工藝允許的保溫時(shí)間偏差。⑤滿足條件tcalcu-tAim<-Δt，增加工藝在爐時(shí)間。⑥同時(shí)滿足如下條件，輸出調(diào)整后加熱工藝：本技術(shù)方案中所述的應(yīng)力段和溫度段的具體劃分，可參考圖2中所示。該方法通過離線計(jì)算，實(shí)現(xiàn)工藝優(yōu)化，對計(jì)算時(shí)間沒有限制，因此溫度調(diào)節(jié)和時(shí)間調(diào)節(jié)均可取很小值，例如，溫度調(diào)節(jié)量采用1～10℃，時(shí)間調(diào)節(jié)量采用1～10min。根據(jù)步驟3，針對給定加熱工藝，利用步驟1模型，計(jì)算對應(yīng)于不同時(shí)刻的管坯溫度和熱應(yīng)力值。此處涉及的給定加熱工藝，具體來說，是指當(dāng)前調(diào)整流程中的調(diào)溫工藝。在進(jìn)行管坯溫度和熱應(yīng)力計(jì)算時(shí)，首先需要獲取相關(guān)計(jì)算參數(shù)，具體包括工藝溫度、工藝在爐時(shí)間、管坯尺寸、管坯比熱、管坯熱導(dǎo)率、管坯密度、管坯線膨脹系數(shù)、管坯彈性模量等信息。將步驟1建立的管坯溫度模型，采用有限差分方式，進(jìn)行迭代求解，可以獲取對應(yīng)于加熱工藝不同時(shí)刻的管坯溫度；然后，針對不同時(shí)刻的管坯溫度分布，獲取管坯內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的局部溫差ΔT，再利用步驟1建立的熱應(yīng)力模型，獲取對應(yīng)于加熱工藝不同時(shí)刻的管坯斷面節(jié)點(diǎn)熱應(yīng)力，并通過比較得到局部最大熱應(yīng)力。根據(jù)步驟4，采用步驟3計(jì)算結(jié)果，判斷當(dāng)前加熱工藝狀態(tài)，利用步驟2建立的流程和規(guī)則，通過迭代計(jì)算實(shí)現(xiàn)加熱工藝調(diào)整，最終輸出符合工藝要求的加熱工藝。具體來說，首先，根據(jù)步驟3輸出的不同時(shí)間、不同位置下的管坯溫度和熱應(yīng)力，判斷計(jì)算值和工藝目標(biāo)值之間的關(guān)系，確定工藝調(diào)節(jié)過程中應(yīng)力段、溫度段所對應(yīng)的具體控制段；其次，根據(jù)步驟2建立的調(diào)整流程和調(diào)整規(guī)則，選擇合適的調(diào)節(jié)溫度和調(diào)節(jié)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)工藝的優(yōu)化調(diào)整，并輸出符合工藝要求的加熱工藝。不失一般性，假設(shè)當(dāng)前加熱工藝以及對應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，包含了如下信息：表示應(yīng)力段的工藝爐溫、表示溫度段的工藝爐溫、t工藝表示工藝在爐時(shí)間，Tstep表示溫度調(diào)節(jié)量，tstep表示時(shí)間調(diào)節(jié)量。則有，滿足步驟2定義調(diào)整規(guī)則①，下次迭代計(jì)算的工藝爐溫調(diào)整為：滿足步驟2定義調(diào)整規(guī)則②，下次迭代計(jì)算的工藝爐溫調(diào)整為：滿足步驟2定義調(diào)整規(guī)則③，下次迭代計(jì)算的工藝爐溫調(diào)整為：滿足步驟2定義調(diào)整規(guī)則④，下次迭代計(jì)算的工藝在爐時(shí)間調(diào)整為：t工藝＝t工藝-tstep滿足步驟2定義調(diào)整規(guī)則⑤，下次迭代計(jì)算的工藝在爐時(shí)間調(diào)整為：t工藝＝t工藝+tstep滿足步驟2定義調(diào)整規(guī)則⑥，輸出當(dāng)前調(diào)時(shí)工藝為最終優(yōu)化加熱工藝。實(shí)施例：某環(huán)形加熱爐共分為爐尾段、預(yù)熱1段、預(yù)熱2段、加熱1段、加熱2段、加熱3段、均熱1段、均熱2段等8個(gè)物理段，除爐尾段外，其余7段均為控溫段，各段長度比例關(guān)系為60：30：30：55：55：55：35：35?，F(xiàn)有某合金鋼坯，直徑300mm，工藝要求管坯出爐目標(biāo)溫度為1220±10℃以內(nèi)，均熱保溫時(shí)間30min，在低溫快速升溫過程的產(chǎn)生的斷面局部最大熱應(yīng)力低于300Mpa。初始工藝給定在爐加熱時(shí)間210min，各控制段對應(yīng)工藝爐溫見表1：表1初始加熱工藝表控制段預(yù)熱1預(yù)熱2加熱1加熱2加熱3均熱1均熱2工藝爐溫℃1050118012201260126012401240根據(jù)步驟1，管坯溫度模型，忽略長度方向的傳熱，采用二維熱傳導(dǎo)方程，采用常規(guī)的差分解法，在管坯半徑方向和角度方向，迭代計(jì)算管坯的溫度分布。圓坯的2維形式如下：管坯從加熱爐內(nèi)獲取的熱量可以通過總括系數(shù)法計(jì)算：在實(shí)施例中，管坯斷面角度方向θ取值[0，π]，半徑方向r取值[0.001,150mm]，2個(gè)維度均劃分網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量N＝5，初始溫度T0(r,θ)取值20；利用總括系數(shù)法計(jì)算管坯表面熱流時(shí)，σ取值5.67W/(m2×K4)，α(θ)沿不同角度的取值分別為0.3，0.45，0.75，0.85，0.90。管坯對應(yīng)材料參數(shù)λ、c、ρ見表2。根據(jù)步驟1，熱應(yīng)力模型采用如下公式計(jì)算：F＝κ(T)×E(T)×ΔTΔT為管坯不同節(jié)點(diǎn)之間溫差，κ、E取值參考表2。表2管坯對應(yīng)物性參數(shù)溫度℃λcρκE025469774511.122310026481772212.121820027523769612.621230028557766713.120540028615763814.119850027703760814.51926002780875751518570026959754215.917880025871751916.717190027653752417.1140100028645746317.6132110029649739718124120030661733118.2116130031678726518.2113根據(jù)步驟2，建立加熱工藝的調(diào)整流程和調(diào)整規(guī)則。加熱工藝調(diào)整流程包括外環(huán)時(shí)間調(diào)節(jié)和內(nèi)環(huán)溫度調(diào)節(jié)，具體流程參考圖1中所示。定義工藝在爐時(shí)間調(diào)整后的加熱工藝為調(diào)時(shí)工藝，工藝溫度調(diào)整后的加熱工藝為調(diào)溫工藝。在首次進(jìn)行工藝調(diào)節(jié)時(shí)，調(diào)時(shí)工藝和調(diào)溫工藝都和初始工藝一致，在本實(shí)施例中，即采用表1所示初始工藝；在調(diào)整流程中，外環(huán)的調(diào)時(shí)工藝是在初始工藝的基礎(chǔ)上，對工藝在爐時(shí)間進(jìn)行迭代調(diào)整，后一次調(diào)整的初始值采用前一次的調(diào)整結(jié)果；內(nèi)環(huán)的調(diào)溫工藝的初值采用最新的調(diào)時(shí)工藝，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行工藝溫度的迭代調(diào)整。本實(shí)施例中，不妨定義初始加熱工藝為Craft0，調(diào)時(shí)工藝用M(i)表示，調(diào)溫工藝用N(i)表示，i表示對應(yīng)工藝的第i次調(diào)整。則有如下關(guān)系：M(1)＝Craft0；N(1)＝M(1)N(2)＝N(1)+溫度調(diào)節(jié)量N(i+1)＝N(i)+溫度調(diào)節(jié)量……M(2)＝M(1)+時(shí)間調(diào)節(jié)量N(k)＝M(2)N(k+1)＝N(k)+溫度調(diào)節(jié)量……當(dāng)滿足產(chǎn)品工藝要求時(shí)，結(jié)束調(diào)整，調(diào)整過程通過程序迭代計(jì)算自動實(shí)現(xiàn)。本實(shí)施例中，加熱工藝的調(diào)整規(guī)則具體包括如下：①滿足條件FMax≥FAim，應(yīng)力段降溫。其中，F(xiàn)Max是對應(yīng)于調(diào)溫工藝N(i)，模型計(jì)算管坯斷面局部最大熱應(yīng)力；FAim是加熱過程所允許的最大熱應(yīng)力，本實(shí)施例中取300Mpa；應(yīng)力段定義為超出目標(biāo)應(yīng)力的當(dāng)前控制段；②滿足條件Tave-TAim>ΔT1，溫度段降溫。其中，Tave是對應(yīng)于調(diào)溫工藝N(i)，模型計(jì)算管坯出爐平均溫度；TAim是工藝給出目標(biāo)出爐溫度，本實(shí)施例中取值1220℃；ΔT1是工藝允許最大出爐溫度偏差，在本實(shí)施例中取值10℃；溫度段定義為應(yīng)力段(不包含應(yīng)力段)到出爐位置之間的所有控溫段，如果不存在應(yīng)力段，則所有的控溫段均為溫度段。③滿足條件Tave-TAim<-ΔT1，溫度段升溫。④滿足條件tcalcu-tAim>Δt，減少工藝在爐時(shí)間。其中，tcalcu是對應(yīng)于調(diào)溫工藝N(i)，計(jì)算管坯平均溫度達(dá)到TAim后，管坯還在加熱爐內(nèi)的停留時(shí)間；tAim是工藝給出保溫時(shí)間，在本實(shí)施例中，取值30min；Δt是工藝允許的保溫時(shí)間偏差，在本實(shí)施例中，取值2min。⑤滿足條件tcalcu-tAim<-Δt，即增加工藝在爐時(shí)間。⑥同時(shí)滿足如下條件，輸出調(diào)整后加熱工藝：在本實(shí)施例中，單步溫度調(diào)整值取5℃，單步時(shí)間調(diào)整值取2min。根據(jù)步驟3，針對給定加熱工藝，利用步驟1模型，計(jì)算對應(yīng)于不同時(shí)刻的管坯溫度和熱應(yīng)力值。此處涉及的給定加熱工藝，具體來說，是指當(dāng)前調(diào)整流程中的調(diào)溫工藝N(i)。以N(1)為例，計(jì)算得到對應(yīng)于初始工藝的管坯溫度及熱應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果如圖3中所示。根據(jù)步驟4，采用步驟3計(jì)算結(jié)果，判斷當(dāng)前加熱工藝狀態(tài)，利用步驟2建立的流程和規(guī)則，通過迭代計(jì)算實(shí)現(xiàn)加熱工藝調(diào)整，最終輸出符合工藝要求的加熱工藝。以加熱工藝N(1)的計(jì)算結(jié)果為例，在預(yù)熱1段，模型計(jì)算管坯在加熱過程的最大熱應(yīng)力為340Mpa，較目標(biāo)值300Mpa大，因此定義預(yù)熱1段為應(yīng)力段；其余控溫段為溫度段。模型計(jì)算管坯的出爐溫度達(dá)到1235℃，超出管坯出爐目標(biāo)溫度1220±10℃的要求。因此，在本次調(diào)整過程中，取值預(yù)熱1段的工藝爐溫，即：其余各控制段均采用對應(yīng)的工藝溫度表示根據(jù)步驟2建立的調(diào)整流程和調(diào)整規(guī)則，當(dāng)前計(jì)算結(jié)果滿足調(diào)整規(guī)則①，因此，下次迭代計(jì)算的應(yīng)力段爐溫調(diào)整為：當(dāng)前調(diào)整后的加熱工藝N(2)下表，在爐時(shí)間210min：控制段預(yù)熱1預(yù)熱2加熱1加熱2加熱3均熱1均熱2工藝爐溫℃1045118012201260126012401240然后再以N(2)為例，利用步驟3進(jìn)行模型計(jì)算，并根據(jù)步驟4進(jìn)行判斷調(diào)整，通過這樣不斷迭代，直到調(diào)整后的加熱工藝滿足目標(biāo)要求，則停止迭代，輸出調(diào)整后的加熱工藝。在本實(shí)施例中，通過反復(fù)迭代后，最終得到加熱工藝對應(yīng)的加熱時(shí)間為200min，各控制段的工藝爐溫為：控制段預(yù)熱1預(yù)熱2加熱1加熱2加熱3均熱1均熱2工藝爐溫℃1010109012101250125012301230對應(yīng)于調(diào)整完成后的加熱工藝，計(jì)算結(jié)果如圖4中所示。由該圖可知，模型計(jì)算管坯在加熱過程的最大熱應(yīng)力為295Mpa，較目標(biāo)值300Mpa小，滿足加熱過程的管坯斷面熱應(yīng)力限制；模型計(jì)算管坯的出爐溫度達(dá)到1225℃，滿足管坯出爐目標(biāo)溫度1220±10℃的要求；均熱時(shí)間29min，滿足管坯加熱過程的均熱要求。本發(fā)明的技術(shù)方案主要針對高合金鋼，以控制爐內(nèi)管坯的熱應(yīng)力和出爐溫度為目標(biāo)，采用管坯溫度模型和管坯熱應(yīng)力模型，確定管坯在加熱過程中，各控制段的工藝爐溫和工藝在爐時(shí)間；該技術(shù)方案通過合理設(shè)計(jì)管坯在環(huán)形加熱爐中的工藝爐溫和工藝在爐時(shí)間，能夠有效降低管坯在加熱過程中因熱應(yīng)力過高而產(chǎn)生表面裂紋的風(fēng)險(xiǎn)，提高產(chǎn)品加熱質(zhì)量，同時(shí)有利于降低加熱爐排煙溫度，減少工序能耗。本發(fā)明可廣泛用于高合金管坯在環(huán)形加熱爐加熱時(shí)的加熱工藝及生產(chǎn)控制領(lǐng)域。當(dāng)前第1頁1 2 3