环形加热炉热过程模拟分析

论文摘要

环形加热炉是无缝钢管生产线上的重要加热设备,其控制操作水平直接影响管坯加热质量、产量和能耗,进而影响综合经济效益。提高其热工过程的自动化水平,实现炉温制度的在线最优化控制已经成为一个迫切问题,而加热炉热过程数学模型是实现在线控制的基础。本文建立了环形加热炉中圆柱坯加热过程的数学模型,利用元体平衡方法推导了圆柱坯二维柱坐标下的导热差分方程；炉底导热问题分别采用三角形网格及非均匀二维网格进行离散化处理；并考虑了料槽与圆柱坯接触热阻。边界热流的确定采用总括热吸收率法,推导了沿圆柱坯周向分布的表面热流的表达式,得到了热流沿周向的分布曲线。以上工作为圆柱坯和炉底温度场的动态模拟奠定了基础。模拟结果表明：在坯的加热初期,炉底起热源的作用,但随着加热的进行,又转而成为圆柱坯下部升温滞后主要影响因素。通过对炉底的二维温度场分析,发现温度场在加热前期差异显著,但随着加热的进行,差别逐渐减小。对于料槽部分当空隙平均距离发生十倍以内变化时,钢坯中心点温度变化微小。实际接触面积由60%变为80%时,圆柱坯表面热流沿周向分布趋于不均匀,但钢坯中心点温度变化并不明显。基于本文建立的数学模型,研究了环形加热炉的炉温制度优化的计算方法。初步研究了启发式方法,并将该方法应用于某环形炉炉温制度优化的研究,获得该环形加热炉的理论炉温优化曲线,将优化与未优化的炉温制度分别用于坯的加热模拟计算,对于其结果的分析对比表明,优化后炉温制度可以满足生产要求,且可以取得节能降耗的效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 环形加热炉工艺过程简介
• 1.2 研究意义
• 1.3 加热炉数学模型概况
• 1.4 总括热吸收率的研究进展
• 1.4.1 国外研究进展
• 1.4.2 国内研究进展
• 1.5 主要研究内容
• 第2章 圆柱坯加热的数学模型
• 2.1 模型简介
• 2.2 模型假设
• 2.3 圆柱坯及炉底内部导热的数学描述
• 2.3.1 圆柱坯内部导热的数学描述
• 2.3.2 炉底内部导热的数学描述
• 2.4 炉膛传热处理
• 2.5 圆柱坯表面的热流分布
• 2.6 接触热阻处理
• 2.7 本章小结
• 第3章 炉内离散化数学模型
• 3.1 网格的划分
• 3.2 变物性处理
• 3.3 表面热流处理
• 3.4 方程离散化
• 3.4.1 圆柱坯上各点的离散方程
• 3.4.2 炉底各点的离散方程
• 3.5 加热过程实例求解与分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 环形炉炉温制度优化模型
• 4.1 炉温制度优化模型简介
• 4.1.1 目标函数
• 4.1.2 约束条件
• 4.1.3 炉温优化模型的求解
• 4.2 优化实例求解及结果分析
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢