1、輥底式連續(xù)熱處理爐在線控制模型研究與應(yīng)用    趙全卿2 (1.北京科技大學(xué)，北京 100083；2.舞陽(yáng)鋼鐵股份有限公司，河南 舞陽(yáng) 462500)    摘要：以輥底式連續(xù)熱處理爐為研究對(duì)象，建立了連續(xù)加熱和擺動(dòng)加熱過程鋼坯二維非穩(wěn)態(tài)傳熱在線控制數(shù)學(xué)模型，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較分析，表明所建立的數(shù)學(xué)模型是正確可信的，該模型可以確定在不同的熱處理工藝下不同規(guī)格和不同鋼種的鋼坯的最佳運(yùn)行方式和加熱制度，由此開發(fā)的輥底式連續(xù)處理爐在線優(yōu)化控制系統(tǒng)已成功地在某公司應(yīng)用。    關(guān)鍵

2、詞：輥底式連續(xù)熱處理爐；數(shù)學(xué)模型；優(yōu)化控制    引言 由輥底式連續(xù)熱處理爐處理的鋼材質(zhì)量好、產(chǎn)量高，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化操作，被廣泛應(yīng)用于冶金及機(jī)械行業(yè)生產(chǎn)中。目前，熱處理爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)大部分是以燃燒控制為主,這種控制方法由于控制的目標(biāo)是爐溫而不是爐內(nèi)加熱的鋼坯，因此很難實(shí)現(xiàn)鋼坯優(yōu)化加熱的目的1。筆者針對(duì)某公司新建的緊湊式寬厚板輥底式熱處理爐的生產(chǎn)情況，建立了爐內(nèi)鋼坯二維傳熱過程在線數(shù)學(xué)模型，并驗(yàn)證了其正確性和有效性；分析了輥底式熱處理爐在不同溫度的回火和正火工藝時(shí)，不同規(guī)格、不同種類鋼坯的出爐計(jì)算溫度和實(shí)測(cè)溫度的誤差以及擺動(dòng)制度等，結(jié)果顯示所研制

3、的計(jì)算機(jī)在線優(yōu)化控制系統(tǒng)是成功的。    1輥底式連續(xù)熱處理爐鋼坯加熱過程在線數(shù)學(xué)模型 鋼坯在爐內(nèi)加熱過程中，涉及到燃料的燃燒、氣體的流動(dòng)和傳熱傳質(zhì)、氧化、脫碳等復(fù)雜的物理化學(xué)過程，還與許多影響因素有關(guān)，主要有以下幾個(gè)方面：爐膛尺寸、爐墻的熱特性、鋼坯尺寸、鋼坯熱物性參數(shù)、燃料種類及供熱量、空氣和燃料預(yù)熱溫度及其空燃比、爐氣熱特性、爐氣運(yùn)動(dòng)、鋼坯運(yùn)動(dòng)規(guī)律等。 為了對(duì)鋼坯在爐內(nèi)的加熱過程進(jìn)行較為客觀的描述，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化2,3,4： (1) 爐溫分布不隨時(shí)間變化，認(rèn)為爐膛內(nèi)介質(zhì)溫度在所分區(qū)段內(nèi)是均勻一致的，并且忽略沿爐長(zhǎng)方向各個(gè)區(qū)段間的輻射換熱； (2

4、) 鋼坯在爐內(nèi)勻速運(yùn)動(dòng)，忽略沿鋼坯長(zhǎng)度方向(即爐寬方向)的導(dǎo)熱。由于鋼坯間隙放置，因此，可將鋼坯的內(nèi)部傳熱近似認(rèn)為無限長(zhǎng)扁坯上下兩面非對(duì)稱加熱、左右兩面對(duì)稱加熱的二維非穩(wěn)態(tài)傳熱，如圖1； (3) 忽略鋼坯表面的氧化鐵皮對(duì)傳熱的影響； (4) 爐墻內(nèi)表面及鋼坯表面黑度視為常數(shù)； (5) 近似認(rèn)為爐溫與爐氣溫度相等。 圖1 鋼坯加熱情況及斷面網(wǎng)格劃分    在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上，建立的鋼坯加熱過程在線數(shù)學(xué)模型如下： 控制方程： (1) 定解條件： ， (2) 邊界條件： ， (3) ， (4) ， (5) ， (6) 式中： 為密度，kg/m3； 為比熱容，k

5、J/(kg)； 為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m)； 為鋼坯側(cè)表面熱流密度，W/m2； 為鋼坯下表面熱流密度，W/m2； 為鋼坯上表面熱流密度，W/m2。其中： ， 可按下式確定： (7) 式中： 為在線修正系數(shù)； 為爐氣溫度，K； 為鋼坯表面溫度，K； 為導(dǎo)來輻射系數(shù)，W/(m2K4)。 根據(jù)假設(shè)條件，可將鋼坯側(cè)面的邊界熱流按下式近似處理： (8) 式中： K為調(diào)節(jié)系數(shù)， 。    2 在線控制數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證及其分析 為了將以上所建立的輥底式常化熱處理爐數(shù)學(xué)模型成功地運(yùn)用于在線實(shí)際生產(chǎn)，特采用“溫度跟蹤法”通過對(duì)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以四類典型的鋼種、典型工藝

6、溫度為條件進(jìn)行驗(yàn)證，如表1所示，真實(shí)有效地驗(yàn)證了該數(shù)學(xué)模型用于在線控制的計(jì)算精度和計(jì)算速度。基于上述驗(yàn)證條件，將數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，可得出表2的結(jié)果。 通過模型計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)相同工況下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論： (1) 模型計(jì)算出爐溫度最大絕對(duì)誤差為7 ，小于工藝要求的±10 ，最大相對(duì)誤差僅為1.02%，完全滿足實(shí)際生產(chǎn)需要； (2) 正火工藝下數(shù)學(xué)模型計(jì)算的在爐時(shí)間比現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)值略低一些(78min)，但相差都在10min以內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的在爐時(shí)間稍微長(zhǎng)一些，主要是因?yàn)殇撆鞯南嘧冃枰~外增加一定的在爐時(shí)間以確保其工藝要求；回火工藝下實(shí)際執(zhí)行的在爐時(shí)間

7、與模型計(jì)算的結(jié)果吻合很好； (3) 所開發(fā)的數(shù)學(xué)模型能夠仿真優(yōu)化計(jì)算符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的最佳加熱策略，并付諸實(shí)施。 綜合考察上述各項(xiàng)指標(biāo)，可知該數(shù)學(xué)模型正確、可靠，能夠客觀、真實(shí)、有效地反映輥底式熱處理爐的熱處理工藝過程，已完全可以在線實(shí)施。    3 輥底爐在線優(yōu)化控制模型的應(yīng)用及其分析    輥底式連續(xù)熱處理爐計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制系統(tǒng)主要包括：鋼坯運(yùn)行的物料跟蹤、鋼坯的溫度跟蹤、鋼坯加熱時(shí)的優(yōu)化爐溫設(shè)定、鋼坯加熱保溫時(shí)間設(shè)定、輥速優(yōu)化設(shè)定、鋼坯混裝時(shí)爐溫動(dòng)態(tài)疊加設(shè)定等功能5,6。控制系統(tǒng)啟動(dòng)后，每隔一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，對(duì)爐內(nèi)所有

8、鋼坯進(jìn)行掃描，計(jì)算相應(yīng)鋼坯的溫度。并根據(jù)入爐鋼坯的信息，查詢數(shù)據(jù)庫(kù)，優(yōu)化設(shè)定各爐區(qū)的爐溫制度、優(yōu)化設(shè)定鋼坯加熱保溫時(shí)間及鋼坯運(yùn)行的輥速。該輥底式連續(xù)熱處理爐數(shù)學(xué)模型計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來，運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能效果明顯，溫度跟蹤準(zhǔn)確，熱處理鋼板的合格率明顯提高，產(chǎn)量提高，達(dá)到了預(yù)期的效果。 3.1 正火工藝下數(shù)學(xué)模型控制系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果及其分析 表3為正火工藝下一些典型鋼種、典型規(guī)格的鋼板在輥底式熱處理爐內(nèi)熱處理過程中的爐況信息以及鋼坯溫度計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值的比較。 由表3可知，對(duì)于930 正火工藝，用爐內(nèi)紅外測(cè)溫儀測(cè)量的出爐溫度和模型計(jì)算值之間相對(duì)誤差為1.43%。由于熱處理鋼坯要求的溫升系數(shù)

9、(其值為2.5min/mm)較高，所以鋼坯在爐加熱時(shí)間均大于140 min，而連續(xù)通過的允許在爐時(shí)間為140 min，故爐內(nèi)鋼坯均需要擺動(dòng)加熱才能滿足出爐要求。 對(duì)于910、900 、890、870正火工藝，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的鋼坯出爐溫度和模型計(jì)算值之間相對(duì)誤差分別為0.34、1.47、0.67和1.05。由于鋼坯在爐時(shí)間均小于140min，故所有鋼坯均可連續(xù)通過，同時(shí)為了避免加熱時(shí)間過長(zhǎng)，當(dāng)鋼坯運(yùn)行到出爐區(qū)時(shí)即高速出爐。 由此可以看出，用于在線控制的輥底式熱處理爐在線數(shù)學(xué)模型計(jì)算出的鋼板在出爐區(qū)的表面平均溫度值和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試出的鋼板在出爐區(qū)溫度最大相對(duì)誤差僅為1.47。同時(shí)，根據(jù)在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)情況表明：

10、正火工藝下鋼坯在各個(gè)區(qū)加熱過程的各表面平均溫度和中心點(diǎn)溫度走勢(shì)正確，因此數(shù)學(xué)模型的計(jì)算精度完全滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。另外，根據(jù)在線數(shù)學(xué)模型計(jì)算的在爐時(shí)間也與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)采用的加熱時(shí)間完全吻合，對(duì)于部分鋼種必須采取擺動(dòng)加熱才能滿足工藝要求，而對(duì)大多數(shù)鋼坯可以通過變化輥速滿足工藝要求。    表1 數(shù)學(xué)模型和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的基本條件匯總 初始參數(shù)項(xiàng)目 正火930±10 正火900±10 回火720±10 回火690±10 鋼種 壓力容器鋼 船體用結(jié)構(gòu)鋼 合金結(jié)構(gòu)鋼 優(yōu)質(zhì)模具鋼 料坯規(guī)格 (mm) 12300×2750&

11、#215;70 11050×1780×80 9800×2400×60 14600×2100×70 鋼坯入爐溫度() 20 20 20 20 燃料種類 天然氣 燃料預(yù)熱溫度() 20 燒嘴溫度效率(%) 75    表2 數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比表 項(xiàng)目名稱 正火(930±10) 正火(900±10) 回火(720±10) 回火(690±10) 熱處理中厚板種類 壓力容器鋼 船體用結(jié)構(gòu)鋼 合金結(jié)構(gòu)鋼 優(yōu)質(zhì)模具鋼 熱處理中厚板規(guī)格(mm) 12300

12、×2750×70 11050×1780×80 9800×2400×60 14600×2100×70 模型計(jì)算出爐溫度() 929 902 720 695 跟蹤測(cè)量出爐溫度() 926 897 723 688 模型計(jì)算的在爐時(shí)間 (min) 112 144 240 210 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的在爐時(shí)間(min) 119 152 240 210 模型計(jì)算最佳輥速 (m/min) 0.63 0.74 0.50 0.50 現(xiàn)場(chǎng)使用爐內(nèi)輥速 (m/min) 0.60 0.70 0.50 0.50 模型推薦的加熱策略 連續(xù)加熱 1/4擺

13、動(dòng)加熱 1/2擺動(dòng)加熱 1/3擺動(dòng)加熱 現(xiàn)場(chǎng)使用的加熱策略 連續(xù)加熱 1/4擺動(dòng)加熱 1/2擺動(dòng)加熱 1/3擺動(dòng)加熱    表3數(shù)學(xué)模型計(jì)算出的正火工藝下鋼坯出爐溫度值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值對(duì)比結(jié)果 熱處理工藝 鋼種 規(guī)格(長(zhǎng)/寬/厚mm) 溫升系數(shù)(min/mm) 加熱時(shí)間(min) 鋼坯出爐溫度() 相對(duì)誤差() 計(jì)算值 實(shí)測(cè)值 930正火 15CrMoR 8130×2570×58 2.5 145 923 910 1.43 SA387Cr22CL2 8500×2200×60 2.5 150 13MnNiMoNbR 12300×2750×70 2.5 175 910正火 16Mo3Z15 7180×3100×70 1.7 119 891 894 0.34 16Mo3 16000×2000×70 1.5 105 900正火 A572Cr50 11500×2550×60 1.7 102 895 882 1.47 16MnR 6300×2900×80 1.5 120 D36/Z-35 11500×3100×60 1.7 102 8