连续测温传感器温度场数值模拟及分析

论文摘要

在连铸生产过程中,中间包钢水温度是影响成品质量及正常生产的主要因素。目前,钢水连续测温传感器以其结构简单、性能稳定、精度高、成本低、能够连续测温等优点在钢厂中间包测温中得到广泛应用。但是连续测温传感器的结构使其具有较长时间的热惯性,在测温过程中存在一定的滞后现象,引起不可靠测量。为了补偿这种滞后产生的动态误差,本文研究连续测温传感器的动态特性,为传感器的优化设计与实际使用提供理论依据。本文首先分析了传感器的传热过程,建立了传感器的传热微分方程；进而利用该方程及其边界条件、初始条件建立了传感器温度场的数学模型；然后利用ANSYS有限元软件对该模型进行了数值模拟,研究了传感器的内外层结构、物性参数、初始条件和边界条件等因素对其测温准确性和动态特性的影响,确立了热分析模型；将模拟结果与钢厂现场采集数据进行比较、验证,最终建立了连续测温传感器测温的热响应函数。在数值模拟结论验证方面,本文利用唐山钢铁公司中间包钢水连续测温数据与模拟结果进行比较与验证,表明模拟结果的相对温度误差小于1%,所建模型正确。建立的热响应函数残差小于10℃,能较准确预估传感器温度测量的动态误差。在数值模拟结果应用方面,本文研究了应用该模拟结果对中间包钢渣钢水分界面的温度场进行进一步分析的方法；从理论上推导了钢水层及多层钢渣层内垂直方向的温度变化情况,确定了使用温度梯度方法进行钢水面和钢渣面分界检测的可行性,为基于温度梯度检测的液位测量方法提供理论依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的意义
• 1.2 传感器动态特性分析方法国内外研究现状
• 1.2.1 传感器动态特性的研究现状
• 1.2.2 建立传感器动态模型方法现状
• 1.3 有限元分析方法与软件简介
• 1.3.1 有限元法的应用与发展
• 1.3.2 ANSYS软件简介
• 1.4 课题研究的主要内容
• 第2章 连续测温传感器温度场有限元模型建立
• 2.1 连续测温传感器传热过程分析
• 2.2 温度场数学模型的建立
• 2.2.1 传热微分方程
• 2.2.2 初始条件与边界条件
• 2.3 模型的离散求解推导
• 2.3.1 模型的泛函表达式
• 2.3.2 模型的离散求解推导
• 2.4 温度场的ANSYS数值模拟
• 2.4.1 温度场ANSYS模拟流程
• 2.4.2 连续测温传感器模型的建立
• 2.4.3 模型物性参数的设定与网格划分
• 2.4.4 模型施加载荷及求解
• 第3章 连续测温传感器动态响应特性分析
• 3.1 传感器温度变化趋势
• 3.2 仿真结果与现场数据比较
• 3.3 各类参数变化对结果的影响
• 3.3.1 物性参数变化对结果的影响
• 3.3.2 对流系数变化对结果的影响
• 3.3.3 辐射率不同对结果的影响
• 3.3.4 初始预热温度不同对结果的影响
• 3.3.5 内外壁温差对比
• 3.4 热响应函数的建立
• 3.4.1 数据拟合的最小二乘法
• 3.4.2 建立热响应函数
• 第4章 温度场分析在钢水液位测量中的应用
• 4.1 基于温度梯度检测的液位测量
• 4.2 钢渣钢水分界面温度场数值模拟
• 4.2.1 钢渣分层成分分析
• 4.2.2 钢渣钢水分界面温度场模型的建立
• 4.2.3 模型物性参数的设定与网格划分
• 4.2.4 模型施加载荷及求解
• 4.3 数值模拟结果分析与讨论
• 4.3.1 钢渣钢水分界面处温度分布
• 4.3.2 参数变化对结果的影响
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢