带钢连续热处理炉内热过程数学模型及过程优化

本书可供带钢连续热处理生产系统的工程技术人员阅读，亦可供相关专业  的教学、科研人员参考。 

    书中介绍了带钢热处理的工艺和设备，重点对带钢连续热处理炉内热过程计算模型进行了讨论，分别对封闭空间辐射换热、气体射流冲击换热和粗糙表面接触换热进行了详细的论述，在此基础上分别建立了带钢连续热处理立式炉和卧式炉炉内热过程数学模型，并以国内钢铁企业的三条机组(碳钢连续热处理立式炉、热轧不锈钢连续退火卧式炉、冷轧不锈钢连续退火卧式炉)为例，对数学模型进行了大量的验证。在炉内热过程模型验证正确的前提下，以连续热处理立式炉为例，探讨了连续热处理过程优化的策略，并提出了基于可行工况集的变工况优化策略。书中所述内容对带钢连续热处理机组的节能减排、提质增产具有一定的指导意义。

   温治，男，河北省张家口市人。62年9月25日出生。80年考入北京科技大学热能工程系，84年毕业；同年考入该校硕士生，87年毕业；随后又考入该校博士生，92年3月毕业，并获北京科技大学热能工程专业工学博士学位。毕业后留在热能工程系任教，93年破格晋升为副教授、98年破格晋升为教授。目前担任热能工程系主任、博士生导师、中国机械工程学会高级会员、中国自动化学会应用专业委员会理事、北京机械工程学会常务理事、北京工业炉分会常务副理事长兼秘书长、《工业加热》/《冶金自动化》等杂志的编委。长期从事工业热过程数学模型及计算机优化控制技术、工业炉窑节能环保技术与装备、高效传热与传质等方面的教学和科研工作。先后承担了国家和厂校协作等五十余项科技攻关课题。其中8项通过了省部级专家技术鉴定，6项获国家和省部级科技进步奖。93年获“北京市高等学校优秀青年骨干教师”称号，94年获“IET优秀青年教师奖”，97年获“北京市优秀教师”称号，98年获“北京市高等学校学科带头人”称号，同年获霍英东教育基金会“第六届高等学校青年教师三等奖”。到目前为止已指导研究生40人,其中硕士生30人(已毕业19人)、博士生10人(已毕业2人)；已发表学术论文115篇，其中作者55篇。

1 绪  论    1…………………………………………………………………………  
2 带钢热处理工艺与设备    3…………………………………………………………  
2.1 带钢热处理工艺   4……………………………………………………………
         2.1.1 带钢再结晶退火    4………………………………………………………
         2.1.2 退火工艺曲线    9…………………………………………………………   2.2 带钢热处理设备   11……………………………………………………………
         2.2.1 森吉米尔法    12……………………………………………………………
         2.2.2 改良森吉米尔法    13………………………………………………………
         2.2.3 美钢联法    13………………………………………………………………
         2.2.4 改良森吉米尔法与美钢联法的比较    15…………………………………
         2.2.5 卧式加热炉与立式加热炉的比较    19……………………………………
         2.2.6 预热段（炉）    23…………………………………………………………
         2.2.7 加热段（炉）    26…………………………………………………………
         2.2.8 冷却段（炉）    30…………………………………………………………   2.3 不锈钢退火工艺概述   37………………………………………………………
         2.3.1 不锈钢分类与特性    38……………………………………………………
         2.3.2 不锈钢热处理的目的    40…………………………………………………
         2.3.3 不锈钢退火炉炉型选择    43………………………………………………   3 带钢热处理数学模型与优化策略研究现状    45……………………………………  
3.1 带钢热处理炉内热过程模型研究进展   45……………………………………
         3.1.1 带钢整体非稳态热过程模型    46…………………………………………   3.1.2 带钢单元热过程跟踪模型    48……………………………………………
         3.1.3 炉内热过程的半理论半经验模型    48……………………………………   3.2 带钢热处理炉仿真优化控制研究进展   53……………………………………
         3.2.1 优化目标函数的确定    53…………………………………………………
         3.2.2 稳定工况下的优化控制策略    54…………………………………………
         3.2.3 变工况下的优化控制策略    55……………………………………………
         3.2.4 基于智能优化技术的控制策略    57………………………………………   4 封闭空间内的辐射换热    61…………………………………………………………  
4.1 辐射换热的基本概念   65………………………………………………………
         4.1.1 辐射角系数的定义及其求解方法    66……………………………………
         4.1.2 蒙特卡洛法的基本原理    68………………………………………………   4.2 基于蒙特卡洛法的多个灰面间辐射换热通用模型   72………………………
         4.2.1 设计蒙特卡洛法程序需要考虑的问题    73………………………………
         4.2.2 曲面单元设计    76…………………………………………………………   4.3 蒙特卡洛法模型的验证与计算误差分析   78…………………………………
         4.3.1 基于统计学的蒙特卡洛法误差分析    78…………………………………
         4.3.2 蒙特卡洛法模型验证与误差分析    81……………………………………   4.4 封闭空间辐射换热计算方法   90………………………………………………
         4.4.1 封闭空间辐射透明介质下的辐射换热    90………………………………
         4.4.2 封闭空间辐射参与性介质下的辐射换热    94……………………………   4.5 蒙特卡洛法在复杂空间辐射换热模型中的应用   96…………………………
         4.5.1 堆积状态下小球辐射换热模型    96………………………………………
         4.5.2 小球蓄热室内球体之间辐射换热的分析    99……………………………
         4.5.3 辊底式辐射管炉内辐射换热模型    102…………………………………
         4.5.4 粗糙表面黑度系数的理论计算模型    104………………………………   5 气体射流冲击换热    108……………………………………………………………  
5.1 气体射流冲击换热的实验方法和实验关联式   114…………………………
 5.2 气体射流冲击换热数值仿真   120……………………………………………
         5.2.1 RNG k-ε湍流模型计算单孔射流冲击换热    122………………………
         5.2.2 假设条件及边界条件设置    123…………………………………………
         5.2.3 流场特征参数验证与分析    124…………………………………………
         5.2.4 换热特性验证与分析    127………………………………………………
         5.2.5 不同射流结构下单孔射流压力系数的分布规律    129…………………
         5.2.6 不同射流结构下单孔射流Nu数的分布规律    131………………………   5.3 孔排射流冲击流动与换热过程数值模拟   136………………………………
         5.3.1 换热特性分析    137………………………………………………………
         5.3.2 流场特性分析    140………………………………………………………   6 粗糙表面间接触换热    142…………………………………………………………  
6.1 接触换热的统计模型   145……………………………………………………
         6.1.1 假设条件    145……………………………………………………………
         6.1.2 单峰接触模型    146………………………………………………………
         6.1.3 接触统计模型    146………………………………………………………
         6.1.4 接触间隙内的辐射模型    147……………………………………………
         6.1.5 接触换热模型验证及其分析    149………………………………………
         6.1.6 等效辐射系数的定义与分析    152………………………………………   6.2 影响接触热导的因素   155……………………………………………………
         6.2.1 温度对接触热导的影响    155……………………………………………
         6.2.2 接触副导热系数与接触热阻的关系    155………………………………
         6.2.3 接触副硬度与接触热导的关系    156……………………………………
         6.2.4 接触热阻影响因素的综合分析    156……………………………………   6.3 带钢辊冷过程的仿真分析   158………………………………………………
         6.3.1 带钢与冷却辊接触换热模型    159………………………………………
         6.3.2 数值仿真分析    160………………………………………………………   6.4 立式炉辊室内的传热仿真分析   162…………………………………………  
6.5 接触传热在带钢连续热处理炉上应用   164……………………………
7 连续热处理立式炉炉内热过程数学模型及应用    166……………………………  
7.1 带钢传热过程物理模型   166…………………………………………………  
7.2 带钢传热过程数学模型   167…………………………………………………
         7.2.1 假设条件    167……………………………………………………………
         7.2.2 控制方程    168……………………………………………………………   7.3 带钢传热模型边界条件的确定   168…………………………………………
         7.3.1 辐射换热边界条件    168…………………………………………………
         7.3.2 射流冲击换热边界条件    169……………………………………………
         7.3.3 接触换热边界条件    170…………………………………………………
         7.3.4 其他换热边界条件    171…………………………………………………   7.4 数值求解方法及计算流程框图   172…………………………………………  
7.5 立式炉内带钢传热过程的数值模拟及实验验证   174………………………
         7.5.1 辐射管加热段内温度实测及其特性分析    174…………………………
         7.5.2 辐射管加热段的实验验证———根据炉膛温度    176……………………
         7.5.3 辐射管加热炉段实验验证———根据辐射管管壁温度    181……………
         7.5.4 电阻加热段内的数值模拟及实验验证    184……………………………
         7.5.5 快速冷却段和感应加热段的数值模拟及实验验证    187………………   8 不锈钢连续热处理卧式炉传热模型及验证    190…………………………………  
8.1 物理模型与数学模型   190……………………………………………………
         8.1.1 控制方程及其离散化    190………………………………………………
         8.1.2 外掠平板对流换热    193…………………………………………………
         8.1.3 炉内辐射换热的计算    193………………………………………………
         8.1.4 气体射流冲击换热计算    195……………………………………………
         8.1.5 水雾/气雾冷却换热量计算    196…………………………………………   8.2 炉膛热平衡模型的建立   196…………………………………………………
         8.2.1 加热段热平衡模型    196…………………………………………………
         8.2.2 冷却段热平衡模型    197…………………………………………………   8.2.3 全炉热平衡模型    198……………………………………………………  
8.3 不锈钢热带连续退火炉仿真结果验证   198…………………………………
         8.3.1 加热部分带温实测值、配方值与仿真结果分析    199…………………
         8.3.2 不锈钢热带连续退火炉加热部分实验验证    202………………………
         8.3.3 不锈钢热带连续退火炉冷却部分实验验证    212………………………   8.4 不锈钢冷带连续退火炉仿真结果验证   227…………………………………
         8.4.1 不锈钢冷带连续退火炉加热部分验证    227……………………………
         8.4.2 不锈钢冷带连续退火炉冷却部分验证    238……………………………
         8.4.3 仿真结果验证统计分析    241……………………………………………
         8.4.4 热平衡仿真结果验证    243………………………………………………   9 带钢连续热处理过程操作参数的优化及仿真    246………………………………  
9.1 稳定工况下操作参数的优化控制策略   246…………………………………
         9.1.1 极限带速的计算方法    247………………………………………………
         9.1.2 启发式优化算法    250……………………………………………………   9.2 变工况时的参数优化控制策略   252…………………………………………
         9.2.1 带钢钢种及规格相同时的变工况控制策略    253………………………
         9.2.2 可行工况集的交集非空时的变工况控制策略    254……………………
         9.2.3 可行工况集的交集为空集时的变工况控制策略    257…………………   9.3 立式炉操作参数优化控制数值仿真分析   258………………………………  
附录    262…………………………………………………………………………………  
参考文献    267……………………………………………………………………………

      连续热处理过程是冷轧和热轧带钢生产的重要工序，是在带钢成  分确定的前提下，依靠控制热量传递过程来控制带钢内部微观结构的  演化，终完成金相组织的转变。因此，温度控制是带钢热处理过程  控制的核心，也是热处理质量的根本保证。为了解决带钢连续热处理  炉优化控制的技术难题，并克服半理论或纯经验控制模型严重依赖于  现场、难以移植和泛化能力有限的短板，本书基于传热机理模型，对  带钢在连续热处理炉内的传热过程及其优化控制策略展开相关的理论  分析和实验研究。  本书在结构上分为四部分:  部分（第1章～第3章）主要论述带钢连续热处理的工艺设备  及过程优化研究的现状，对国内主要带钢连续热处理机组的生产现状  加以总结。从中可以看出，在带钢连续热处理机组的建造和控制领域，  国外企业仍然占据主导地位。  第二部分（第4章～第6章）重点论述了带钢在连续热处理炉内的  主要换热方式的理论分析和数值计算方法，包括辐射换热、气体射流  冲击换热和粗糙表面接触换热等。其中在第4章详细论述了蒙特卡洛  方法计算辐射换热问题的步骤、误差分析和应用效果;在第5章提供  了大量的气体射流冲击换热实验的关联式，并采用计算流体力学的方  法，分析了特定形式的气体射流冲击装置的换热特性;第6章建立了  考虑辐射换热的接触换热模型，为求解带钢与炉辊间的换热奠定了理  论基础。  第三部分（第7章、第8章）分别建立了带钢连续热处理立式炉和卧式炉数学模型，详细阐述了带钢连续热处理数学模型的建立方法，  进行了大规模的数值分析和现场实验验证，证明了所建数学模型在稳  定工况和变工况条件下，对带钢温度的预测均有足够的精确度。  第四部分（第9章）在验证了的带钢连续热处理数学模型的基础  上，开发了带钢连续热处理过程的优化控制策略。其中包括稳定工况  和变工况条件下的优化策略，并以带钢连续热处理立式炉为例，阐述  了该优化策略的实施方法，力图解决带钢连续热处理过程动态优化控  制的难题。  在带钢连续热处理立式炉（热镀锌炉和冷轧碳钢连续退火炉）和  卧式炉（热轧和冷轧不锈钢带钢热处理）炉内热过程数学模型的开发  过程中，先后得到了重庆赛迪工业炉有限公司、宝山钢铁股份有限公  司、山西太钢不锈钢股份有限公司、上海宝钢工业检测公司的领导和  工程技术人员的大力支持和帮助，在此一并表示衷心地感谢!  在本书的撰写过程中得到了北京科技大学“热过程模化与控制”  课题组的楼国锋副教授，刘训良副教授，张瑞杰研究员，苏福永老师，  以及周钢博士、张雄博士、邢一丁博士、王丽红硕士、李强硕士、方  旭硕士、董斌硕士、王林建硕士等的大力支持，他们在程序编写、图  形制作和相关实验等方面付出了辛勤的劳动。  此外，本书的出版得到了北京市*共建项目“节能与环保北京  高校工程研究中心建设（改革试点）”、北京自动化学会“青年科技人  才出版学术专著基金”的大力支持，同时得到了北京科技大学“濮耐  教育基金”、“洛伊教育基金”、“沃克教育基金”、“赛迪教育基金”、  “凤凰教育基金”、“威仕炉教育基金”、“思能教育基金”、“赛能杰教  育基金”、“热陶瓷教育基金”和“北京神雾教育基金”的大力支持。  在此一并表示衷心地感谢!  由于带钢连续热处理过程的研究涉及热处理工艺、传热传质、参  数优化、自动控制、程序设计等相关内容，限于作者对这一复杂现象的认识水平，书中不妥或错误之处欢迎广大读者不吝指正。
                                                                                             著 者  2014年8月25日于北京

市场上无同类书