研究生学位论文开题报告（专业学位研究生）课题名称立式连续退火炉热过程数学模型及实验验证学位论文类型专业硕士姓名贾振兴学 号S12085201025层次硕士研究生所在学院机械工程学院专业学位类别工程领域指导教师开题时间燕山大学研究生学院制1姓名贾振兴学号S12085201025入学时间2012.9课题名称立式连续退火炉热过程数学模型及实验验证开题报告时间开题报告地点姓名 职称工作单位组长组员开题报告评审 小组成员秘书指导教师对开题报告的意见：同意进行开题答辩 不同意进行开题答辩导师签字： 年 月 日学科对开题报告的意见：同意进行开题答辩 不同意进行开题答辩负责人签字： 年 月 日2注：以下 1-10 项内容，如填写不下，均可加页。1、课题来源及背景课题来源及研究的目的和意义： 带钢轧后热处理是冷轧生产中的重要工序，冷轧带钢多为碳钢和不锈钢等， 其轧后热处理一般为再结晶退火，通过再结晶退火达到降低钢的硬度、消除冷 加工硬化、改善钢的性能和恢复钢的塑性变形能力的目的。目前，带钢退火炉 分为罩式退火炉和连续退火炉。罩式退火炉存在生产周期长，产品机械性能不 够均匀，表面质量不佳的缺点，为了解决这些问题，人们开始致力于连续退火 工艺的研发。近年来我国不锈钢的市场需求呈快速增长趋势，不锈钢产品广泛 应用于国民经济的各个方面。在此形势下，国内知名钢铁企业相继投产或正在 建设不锈钢连续退火、酸洗线。 不锈钢带钢生产流程主要包括轧制、清洗、退火和酸洗等过程。其中退火 就是把固态金属或合金加热到一定温度，根据不同的工艺要求采用不同的保温 间，然后以一定的速率冷却以获得需求的状态或性能的过程。退火过程除了可 以消除加工硬化，改善力学性能和加工性能外，还可通过控制退火温度和冷却 速度等得到需要的组织和性能。 在退火炉处理设备的发展过程中，带钢连续退 火炉的出现，克服了过去罩式退火炉生产效率偏低、热均匀性较差等不足，目 前已被广泛地应用于带钢热处理工艺。为了满足不同的生产工艺，不锈钢立式 连续退火炉通常可分为四个主要工艺段：预热段、加热段、缓慢冷却段和快速 冷却段。其中带钢的加热升温过程主要在加热段完成，而冷却和固溶等过程主 要发生在缓慢冷却段和快速冷却段。 我国大型连续退火机组的设计制造80%依靠进口，目前国内外相关领域进 行的研究主要侧重于不锈钢退火酸洗机组的设备配置及其硬件控制，缺乏对不 锈钢退火过程相关数学模型的深入研究。这些引进机组一般通过同类型有经验 生产厂进行生产工艺技术指导，并经过实际生产验证后获得合理的生产工艺技 术。这种方法的缺点是质量损失的成本较高、周期较长，同时对有特殊需求的 产品的工艺技术方案缺乏针对性。尤其是退火炉经过数年投产运行，现场的生 产条件发生了很大的改变，模型的精确度也面临着挑战。这就需要对不锈钢退 火过程的传热机理进行深入的研究，通过建立退火炉生产过程的数学模型等方 法对不锈钢生产过程进行工艺实现的数值仿真，获得适宜不同钢种、产品的退 火工艺曲线和优良的控制策略，这也是目前满足不锈钢退火工艺要求的最为便 捷和可靠的技术手段。 总之通过研究带钢在炉内的传热机理，改进退火工艺这一研究方向，已逐步成 为相关领域的研究热点，具有很大的研究意义。2、国内外研究动态国内研究状况及分析：我国的连续退火机组的设计制造大部分依靠进口。由于其生产过程本身的 复杂性，以及国际上对关键技术保密，使其模型化和控制成为急待解决的实际 工业难题，而数学模型更是其中重要的关键技术之一。不少的国内学者针对模型3的实现、稳定性和辨识等问题做了一些相关的研究。 80年代以来，数学模型实现退火炉优化控制的研究日趋活跃。迄今为止所 开发的各类模型有些是静态的，有些对生产过程的描述比较粗糙，由于这些缺 点，使得这些模型的推广应用十分困难。而源于热工机理和严格数学推导所建 立的模型对带钢沿炉长方向的横向热传导考虑不足，又忽略了对流传热，故适 用范围有限。特别是已有模型大多是针对局部和个别工艺段，很少有全炉数学 模型的研究报道。 韩小良对带钢连续退火炉加热进行了系统的研究，对带钢连续退火退火炉 加热室传热进行分析，提出了一种简化辐射管辐射的方法，并利用该法建立了 带钢加热数学模型，对某厂的CAPL 加热室仿真计算所得结果与现场实测数据 吻合较好。他还分析推导了辐射管退火炉内带钢(及带钢小区域)与辐射管和炉 墙之间的角系数计算积分公式，并利用数值积分方法进行计算。研究结果对带 钢热过程计算提供有效的计算公式和研究方法。 豆瑞锋针对连续退火过程，提出了炉温启发式优化策略及算法，并利用数 值仿真验证了该算法的收敛性。 马太等以三元模型法为基础，建立了带钢在炉内退火全过程的数学模型， 模拟计算了带钢和退火炉的温度场，讨论了操作参数对带钢加热的影响以及冷 却气体初始温度和喷射速度对带钢冷却过程的影响。其模拟的带钢加热曲线与 工艺要求相吻合，为带钢温度的预测和合理的炉温决策创造了有利条件。 严祖虬等对水冷辊的模型进行优化，从而提高了模型的控制精度，有效的 减少了封闭卷的产生。 窦坦明21,22等对不锈钢带连续退火炉冷却系统工艺进行分析，优化了采用 缓冷与急冷结合的整体喷水冷却工艺，该工艺能够满足热轧不锈钢生产的高效 率、高质量和产品多样性的需要。 王小林等对在带钢冷却实际过程进行分析的基础上提出了一个带钢冷却控 制过程的仿真方案，该仿真方案能再现生产过程中温度控制的实时数据和控制 效果，为带钢冷却控制程序模块的运行情况提供了一种离线的调试和分析手段， 其研究成果对研究冷却控制策略、改进冷却控制系统有着重要意义。 贾丽娣等对退火炉的快冷段进行了详细研究。 国外研究状况及分析： 我国的钢铁行业起步较晚，与钢铁发达国家在技术上有一定的差距。从文 献中可以看出日本八九十年代的钢铁工艺都已经非常先进，在当时他们已经对 退火工艺有了较为深入的研究。目前，在国外已公布的文献中，国外学者多数 用商业软件来对带钢的生产过程进行模拟。 S.R.Carvalho等人对硅钢连续退火过程仿真模拟进行研究，利用能量和质量 平衡方程建立了炉内燃烧及带钢加热过程模型，同时在模拟过程中考虑了很多 重要因素，例如：组分、温度、气体分压、绝热火焰温度和环境温度。此外， 为了得到带钢任何时刻的温度分布，以带钢实测温度和计算温度之差为目标函 数，利用黄金分割算法进行优化。整个模拟过程通过SIMCORB2软件实施， 具体步骤如下：燃烧和退火过程、能量和质量守恒和最优化过程。通过分析和 应用不同操作条件下连续退火炉生产线的数据证明了该软件的效率，因此，一 般认为SIMCORB2 是模拟金属退火过程的有力工具之一。 国外学者以新西兰钢铁公司的镀锌线中的连续退火炉为研究对象，主要对 连续退火炉内带钢温度分布进行研究，分别建立了带钢连续退火过程的三维和4一维模型。作者首先采用COMSOL 三维模型对连续退火过程进行模拟，由于 求解全炉温度分布计算量较大，模拟一次需耗时9 小时，以此为基础进行简化， 得到一维带钢温度分布模型，最后对结果进行验证发现一维模型的计算结果与 三维模型计算所得到的结果吻合很好，可以用于现场生产控制。 Tei-Chen Chen 等学者，认为带钢的屈曲现象是由于带钢温度分布不均匀 引起，这样的的非均匀温度分布可能导致了带钢在厚度和宽度方向的热应力分 布不均。并对此过程采用Ansys 软件计算模拟了预热炉中带钢温度和应力分布 耦合模型，作者在模型中加入了炉辊温度平衡方程，研究发现锥形炉辊容易导 致带钢宽度方向上严重的温度分布不均，从而引起带钢屈曲。3、研究目标、研究内容和拟解决的关键问题（1）学术构想与思路、主要研究内容、拟解决的关键问题及预期目标：学术构想及思路：通过对已有的研究成果的分析和总结，学习热过程数学 模型的建立方法。运用 Ansys-fluent14.5 对立式连续退火炉加热段和冷却段的 温度场和流场进行模拟，根据模拟结果运用数学软件回归数学模型，然后实验 验证模型的可靠性，最后用遗传算法优化数学模型。主要研究的内容是：模拟立式连续退火炉加热段和冷却段温度场及流场， 建立立式连续退火炉热过程数学模型，验证数学模型的准确性，优化数学模型， 并得出相关结论。为获得适宜不同钢种、产品的退火工艺曲线和优良的控制策 略提供理论基础。拟解决的关键问题是：建立立式连续退火炉热过程数学模型，为改善带钢 退火工艺提供理论基础。预期的目标：通过模拟建立立式连续退火炉热过程数学模型，与现场生产结果对比验 证数学模型的准确性，最后优化数学模型，为改善带钢退火工艺提供理论基础。4、拟采取的技术路线和实施方法拟采取的技术路线、实施方法及可行性分析研究方法：通过收集资料了解研究课题的相关知识和背景；利用 Ansys- Fluent 有限元模拟软件对研究的方案进行仿真模拟，并得到所需的数据和结果。 运用数学软件回归数学模型。 技术路线及实施方案： 1）收集资料，为课题研究准备必要的知识基础。 2）利用 SOLIDWORKS 软件建立模型，利用 Ansys-Fluent 软件有限元分析， 得到立式连续退火炉温度场及流场。 3）运用数学软件回归数学模型。 4）根据现场生产实际数据验证数学模型的准确性。5）运用遗传算法优化数学模型。可行性分析：通过对已收集资料的分析可以了解到，建立退火炉生产过程 的数学模型是改善退火工艺的最为便捷和可靠的技术手段。同时，有限元软件 的应用也为研究提供了可实施的手段。所以，此方案有实施的可行性。55、拟形成的创新或特色6、前期工作67、存在问题及解决办法8、进度安排序号序号阶段及内容阶段及内容起讫日期起讫日期阶段成果形式阶段成果形式1234收集研究问题方面的相关文献，从已有 的优秀的研究成果中借鉴成熟的思路和 研究方法，分析研究课题的关键问题， 确定问题的研究思路，学习相关的建模 与分析软件。对立式连续退火炉加热段和冷却段温度场及流 场进行初步模拟，分析模拟结果，优化边界条 件，最终获得理想模拟结果。对最终模拟结果进行分析，运用数学软件建立 退火炉热过程数学模型，采集生产现场数据， 验证数学模型的准确性，运用遗传算法优化数 学模型。对以往工作进行整理并撰写论文。2013.92014.12014.12014.32014.32014.62014.62014.11分类整理文献， 掌握相应的分 析软件应用模拟立式连续退 火炉加热段和冷 却段温度场及流 场数据整理，总结 规律完成论文79、主要参考文献 序号文献目录（作者、题目、刊物名、出版时间、页次）1王福凯，白秀艳. 冷轧不锈钢带连续退火炉综述J. 工业炉，2006，28（1）：1820.2边军，张福波，刘相华，王国栋. 我国热镀锌机组连续退火技术的现状与展望J .金属热处理，2004,29（3）：1316.3张启富，刘邦津，仲海峰. 热镀锌技术的最新进展J. 钢铁研究学报， 2002，14（4）：6572.4李学党，苗铁岭，张玉琴. 现代连续退火机组的发展与应用探讨J. 河南冶金， 2008，16（2）：2325.5吴光治. 带钢连续热镀锌与退火炉的技术进步J. 工业炉，2006，28（2）：1921.6査先进，严亚兰. 冷轧宽带钢连续退火炉与罩式退火炉的比较研究J. 冶金信息， 1999，1：17197姚忠卯，张学成. 冷轧带钢退火技术的发展与应用J. 河南冶金， 2006，14（5）：36.8LIShao-yan，CHEN Qing，HUNG Guang-bin. Dynamic temperature modeling of continuous annealin