燕山大學(xué)研究生開題報告(專業(yè)學(xué)位研究生適用) (1)

1、研究生學(xué)位論文開題報告（專業(yè)學(xué)位研究生）課題名稱立式連續(xù)退火爐熱過程數(shù)學(xué)模型及實驗驗證學(xué)位論文類型專業(yè)碩士姓名賈振興學(xué) 號S12085201025層次碩士研究生所在學(xué)院機械工程學(xué)院專業(yè)學(xué)位類別工程領(lǐng)域指導(dǎo)教師開題時間燕山大學(xué)研究生學(xué)院制姓名賈振興學(xué)號S12085201025入學(xué)時間2012.9課題名稱立式連續(xù)退火爐熱過程數(shù)學(xué)模型及實驗驗證開題報告時間開題報告地點開題報告評審小組成員姓名 職稱工作單位組長組員秘書指導(dǎo)教師對開題報告的意見：同意進行開題答辯 不同意進行開題答辯導(dǎo)師簽字： 年 月 日學(xué)科對開題報告的意見：同意進行開題答辯 不同意進行開題答辯負(fù)責(zé)人簽字： 年 月 日注：以下1-10項內(nèi)

2、容，如填寫不下，均可加頁。1、課題來源及背景課題來源及研究的目的和意義：帶鋼軋后熱處理是冷軋生產(chǎn)中的重要工序，冷軋帶鋼多為碳鋼和不銹鋼等，其軋后熱處理一般為再結(jié)晶退火，通過再結(jié)晶退火達(dá)到降低鋼的硬度、消除冷加工硬化、改善鋼的性能和恢復(fù)鋼的塑性變形能力的目的。目前，帶鋼退火爐分為罩式退火爐和連續(xù)退火爐。罩式退火爐存在生產(chǎn)周期長，產(chǎn)品機械性能不夠均勻，表面質(zhì)量不佳的缺點，為了解決這些問題，人們開始致力于連續(xù)退火工藝的研發(fā)。近年來我國不銹鋼的市場需求呈快速增長趨勢，不銹鋼產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個方面。在此形勢下，國內(nèi)知名鋼鐵企業(yè)相繼投產(chǎn)或正在建設(shè)不銹鋼連續(xù)退火、酸洗線。不銹鋼帶鋼生產(chǎn)流程主要包括

3、軋制、清洗、退火和酸洗等過程。其中退火就是把固態(tài)金屬或合金加熱到一定溫度，根據(jù)不同的工藝要求采用不同的保溫間，然后以一定的速率冷卻以獲得需求的狀態(tài)或性能的過程。退火過程除了可以消除加工硬化，改善力學(xué)性能和加工性能外，還可通過控制退火溫度和冷卻速度等得到需要的組織和性能。 在退火爐處理設(shè)備的發(fā)展過程中，帶鋼連續(xù)退火爐的出現(xiàn)，克服了過去罩式退火爐生產(chǎn)效率偏低、熱均勻性較差等不足，目前已被廣泛地應(yīng)用于帶鋼熱處理工藝。為了滿足不同的生產(chǎn)工藝，不銹鋼立式連續(xù)退火爐通?？煞譃樗膫€主要工藝段：預(yù)熱段、加熱段、緩慢冷卻段和快速冷卻段。其中帶鋼的加熱升溫過程主要在加熱段完成，而冷卻和固溶等過程主要發(fā)生在緩慢冷卻

4、段和快速冷卻段。我國大型連續(xù)退火機組的設(shè)計制造80%依靠進口，目前國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域進行的研究主要側(cè)重于不銹鋼退火酸洗機組的設(shè)備配置及其硬件控制，缺乏對不銹鋼退火過程相關(guān)數(shù)學(xué)模型的深入研究。這些引進機組一般通過同類型有經(jīng)驗生產(chǎn)廠進行生產(chǎn)工藝技術(shù)指導(dǎo)，并經(jīng)過實際生產(chǎn)驗證后獲得合理的生產(chǎn)工藝技術(shù)。這種方法的缺點是質(zhì)量損失的成本較高、周期較長，同時對有特殊需求的產(chǎn)品的工藝技術(shù)方案缺乏針對性。尤其是退火爐經(jīng)過數(shù)年投產(chǎn)運行，現(xiàn)場的生產(chǎn)條件發(fā)生了很大的改變，模型的精確度也面臨著挑戰(zhàn)。這就需要對不銹鋼退火過程的傳熱機理進行深入的研究，通過建立退火爐生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型等方法對不銹鋼生產(chǎn)過程進行工藝實現(xiàn)的數(shù)值仿真，

5、獲得適宜不同鋼種、產(chǎn)品的退火工藝曲線和優(yōu)良的控制策略，這也是目前滿足不銹鋼退火工藝要求的最為便捷和可靠的技術(shù)手段。 總之通過研究帶鋼在爐內(nèi)的傳熱機理，改進退火工藝這一研究方向，已逐步成為相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點，具有很大的研究意義。2、國內(nèi)外研究動態(tài)國內(nèi)研究狀況及分析：我國的連續(xù)退火機組的設(shè)計制造大部分依靠進口。由于其生產(chǎn)過程本身的復(fù)雜性，以及國際上對關(guān)鍵技術(shù)保密，使其模型化和控制成為急待解決的實際工業(yè)難題，而數(shù)學(xué)模型更是其中重要的關(guān)鍵技術(shù)之一。不少的國內(nèi)學(xué)者針對模型的實現(xiàn)、穩(wěn)定性和辨識等問題做了一些相關(guān)的研究。80年代以來，數(shù)學(xué)模型實現(xiàn)退火爐優(yōu)化控制的研究日趨活躍。迄今為止所開發(fā)的各類模型有些是靜

6、態(tài)的，有些對生產(chǎn)過程的描述比較粗糙，由于這些缺點，使得這些模型的推廣應(yīng)用十分困難。而源于熱工機理和嚴(yán)格數(shù)學(xué)推導(dǎo)所建立的模型對帶鋼沿爐長方向的橫向熱傳導(dǎo)考慮不足，又忽略了對流傳熱，故適用范圍有限。特別是已有模型大多是針對局部和個別工藝段，很少有全爐數(shù)學(xué)模型的研究報道。韓小良對帶鋼連續(xù)退火爐加熱進行了系統(tǒng)的研究，對帶鋼連續(xù)退火退火爐加熱室傳熱進行分析，提出了一種簡化輻射管輻射的方法，并利用該法建立了帶鋼加熱數(shù)學(xué)模型，對某廠的CAPL 加熱室仿真計算所得結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)吻合較好。他還分析推導(dǎo)了輻射管退火爐內(nèi)帶鋼(及帶鋼小區(qū)域)與輻射管和爐墻之間的角系數(shù)計算積分公式，并利用數(shù)值積分方法進行計算。研究

7、結(jié)果對帶鋼熱過程計算提供有效的計算公式和研究方法。豆瑞鋒針對連續(xù)退火過程，提出了爐溫啟發(fā)式優(yōu)化策略及算法，并利用數(shù)值仿真驗證了該算法的收斂性。馬太等以三元模型法為基礎(chǔ)，建立了帶鋼在爐內(nèi)退火全過程的數(shù)學(xué)模型，模擬計算了帶鋼和退火爐的溫度場，討論了操作參數(shù)對帶鋼加熱的影響以及冷卻氣體初始溫度和噴射速度對帶鋼冷卻過程的影響。其模擬的帶鋼加熱曲線與工藝要求相吻合，為帶鋼溫度的預(yù)測和合理的爐溫決策創(chuàng)造了有利條件。嚴(yán)祖虬等對水冷輥的模型進行優(yōu)化，從而提高了模型的控制精度，有效的減少了封閉卷的產(chǎn)生。竇坦明21,22等對不銹鋼帶連續(xù)退火爐冷卻系統(tǒng)工藝進行分析，優(yōu)化了采用緩冷與急冷結(jié)合的整體噴水冷卻工藝，該工藝

8、能夠滿足熱軋不銹鋼生產(chǎn)的高效率、高質(zhì)量和產(chǎn)品多樣性的需要。王小林等對在帶鋼冷卻實際過程進行分析的基礎(chǔ)上提出了一個帶鋼冷卻控制過程的仿真方案，該仿真方案能再現(xiàn)生產(chǎn)過程中溫度控制的實時數(shù)據(jù)和控制效果，為帶鋼冷卻控制程序模塊的運行情況提供了一種離線的調(diào)試和分析手段，其研究成果對研究冷卻控制策略、改進冷卻控制系統(tǒng)有著重要意義。賈麗娣等對退火爐的快冷段進行了詳細(xì)研究。國外研究狀況及分析：我國的鋼鐵行業(yè)起步較晚，與鋼鐵發(fā)達(dá)國家在技術(shù)上有一定的差距。從文獻(xiàn)中可以看出日本八九十年代的鋼鐵工藝都已經(jīng)非常先進，在當(dāng)時他們已經(jīng)對退火工藝有了較為深入的研究。目前，在國外已公布的文獻(xiàn)中，國外學(xué)者多數(shù)用商業(yè)軟件來對帶鋼的

9、生產(chǎn)過程進行模擬。S.R.Carvalho等人對硅鋼連續(xù)退火過程仿真模擬進行研究，利用能量和質(zhì)量平衡方程建立了爐內(nèi)燃燒及帶鋼加熱過程模型，同時在模擬過程中考慮了很多重要因素，例如：組分、溫度、氣體分壓、絕熱火焰溫度和環(huán)境溫度。此外，為了得到帶鋼任何時刻的溫度分布，以帶鋼實測溫度和計算溫度之差為目標(biāo)函數(shù)，利用黃金分割算法進行優(yōu)化。整個模擬過程通過SIMCORB2軟件實施，具體步驟如下：燃燒和退火過程、能量和質(zhì)量守恒和最優(yōu)化過程。通過分析和應(yīng)用不同操作條件下連續(xù)退火爐生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)證明了該軟件的效率，因此，一般認(rèn)為SIMCORB2 是模擬金屬退火過程的有力工具之一。國外學(xué)者以新西蘭鋼鐵公司的鍍鋅線中

10、的連續(xù)退火爐為研究對象，主要對連續(xù)退火爐內(nèi)帶鋼溫度分布進行研究，分別建立了帶鋼連續(xù)退火過程的三維和一維模型。作者首先采用COMSOL 三維模型對連續(xù)退火過程進行模擬，由于求解全爐溫度分布計算量較大，模擬一次需耗時9 小時，以此為基礎(chǔ)進行簡化，得到一維帶鋼溫度分布模型，最后對結(jié)果進行驗證發(fā)現(xiàn)一維模型的計算結(jié)果與三維模型計算所得到的結(jié)果吻合很好，可以用于現(xiàn)場生產(chǎn)控制。Tei-Chen Chen 等學(xué)者，認(rèn)為帶鋼的屈曲現(xiàn)象是由于帶鋼溫度分布不均勻引起，這樣的的非均勻溫度分布可能導(dǎo)致了帶鋼在厚度和寬度方向的熱應(yīng)力分布不均。并對此過程采用Ansys 軟件計算模擬了預(yù)熱爐中帶鋼溫度和應(yīng)力分布耦合模型，作者

11、在模型中加入了爐輥溫度平衡方程，研究發(fā)現(xiàn)錐形爐輥容易導(dǎo)致帶鋼寬度方向上嚴(yán)重的溫度分布不均，從而引起帶鋼屈曲。3、研究目標(biāo)、研究內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題（1）學(xué)術(shù)構(gòu)想與思路、主要研究內(nèi)容、擬解決的關(guān)鍵問題及預(yù)期目標(biāo)：學(xué)術(shù)構(gòu)想及思路：通過對已有的研究成果的分析和總結(jié)，學(xué)習(xí)熱過程數(shù)學(xué)模型的建立方法。運用Ansys-fluent14.5對立式連續(xù)退火爐加熱段和冷卻段的溫度場和流場進行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果運用數(shù)學(xué)軟件回歸數(shù)學(xué)模型，然后實驗驗證模型的可靠性，最后用遺傳算法優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。主要研究的內(nèi)容是：模擬立式連續(xù)退火爐加熱段和冷卻段溫度場及流場，建立立式連續(xù)退火爐熱過程數(shù)學(xué)模型，驗證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，優(yōu)化數(shù)

12、學(xué)模型，并得出相關(guān)結(jié)論。為獲得適宜不同鋼種、產(chǎn)品的退火工藝曲線和優(yōu)良的控制策略提供理論基礎(chǔ)。擬解決的關(guān)鍵問題是：建立立式連續(xù)退火爐熱過程數(shù)學(xué)模型，為改善帶鋼退火工藝提供理論基礎(chǔ)。預(yù)期的目標(biāo)：通過模擬建立立式連續(xù)退火爐熱過程數(shù)學(xué)模型，與現(xiàn)場生產(chǎn)結(jié)果對比驗證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，最后優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，為改善帶鋼退火工藝提供理論基礎(chǔ)。4、擬采取的技術(shù)路線和實施方法擬采取的技術(shù)路線、實施方法及可行性分析研究方法：通過收集資料了解研究課題的相關(guān)知識和背景；利用Ansys-Fluent有限元模擬軟件對研究的方案進行仿真模擬，并得到所需的數(shù)據(jù)和結(jié)果。運用數(shù)學(xué)軟件回歸數(shù)學(xué)模型。技術(shù)路線及實施方案：1）收集資料，為課題

13、研究準(zhǔn)備必要的知識基礎(chǔ)。2）利用SOLIDWORKS軟件建立模型，利用Ansys-Fluent軟件有限元分析，得到立式連續(xù)退火爐溫度場及流場。3）運用數(shù)學(xué)軟件回歸數(shù)學(xué)模型。4）根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)實際數(shù)據(jù)驗證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。5）運用遺傳算法優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。可行性分析：通過對已收集資料的分析可以了解到，建立退火爐生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型是改善退火工藝的最為便捷和可靠的技術(shù)手段。同時，有限元軟件的應(yīng)用也為研究提供了可實施的手段。所以，此方案有實施的可行性。5、擬形成的創(chuàng)新或特色6、前期工作7、存在問題及解決辦法8、進度安排序號階段及內(nèi)容起訖日期階段成果形式1234收集研究問題方面的相關(guān)文獻(xiàn)，從已有的優(yōu)秀的研究成

14、果中借鑒成熟的思路和研究方法，分析研究課題的關(guān)鍵問題，確定問題的研究思路，學(xué)習(xí)相關(guān)的建模與分析軟件。對立式連續(xù)退火爐加熱段和冷卻段溫度場及流場進行初步模擬，分析模擬結(jié)果，優(yōu)化邊界條件，最終獲得理想模擬結(jié)果。對最終模擬結(jié)果進行分析，運用數(shù)學(xué)軟件建立退火爐熱過程數(shù)學(xué)模型，采集生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，驗證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，運用遺傳算法優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。對以往工作進行整理并撰寫論文。2013.92014.12014.12014.32014.32014.62014.62014.11分類整理文獻(xiàn)，掌握相應(yīng)的分析軟件應(yīng)用模擬立式連續(xù)退火爐加熱段和冷卻段溫度場及流場數(shù)據(jù)整理，總結(jié)規(guī)律完成論文9、主要參考文獻(xiàn)序號文獻(xiàn)目錄（作

15、者、題目、刊物名、出版時間、頁次）1王福凱，白秀艷. 冷軋不銹鋼帶連續(xù)退火爐綜述J. 工業(yè)爐，2006，28（1）：1820.2邊軍，張福波，劉相華，王國棟. 我國熱鍍鋅機組連續(xù)退火技術(shù)的現(xiàn)狀與展望J .金屬熱處理，2004,29（3）：1316.3張啟富，劉邦津，仲海峰. 熱鍍鋅技術(shù)的最新進展J. 鋼鐵研究學(xué)報，2002，14（4）：6572.4李學(xué)黨，苗鐵嶺，張玉琴. 現(xiàn)代連續(xù)退火機組的發(fā)展與應(yīng)用探討J. 河南冶金，2008，16（2）：2325.5吳光治. 帶鋼連續(xù)熱鍍鋅與退火爐的技術(shù)進步J. 工業(yè)爐，2006，28（2）：1921.6査先進，嚴(yán)亞蘭. 冷軋寬帶鋼連續(xù)退火爐與罩式退火爐的

16、比較研究J. 冶金信息，1999，1：17197姚忠卯，張學(xué)成. 冷軋帶鋼退火技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用J. 河南冶金，2006，14（5）：36.8LIShao-yan，CHEN Qing，HUNG Guang-bin. Dynamic temperature modeling of continuous annealing furnace using GGAP-RBF neural networkJ. Neurocomputing，2006，69：523536.9XU Yong-mao，WANG Xiong，HUANG Zheng-jun，etal. Modeling and optimizatio

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