輥底式連續(xù)熱處理爐在線控制模型研究與應用

1、輥底式連續(xù)熱處理爐在線控制模型研究與應用 趙全卿2 (1.北京科技大學，北京 100083；2.舞陽鋼鐵股份有限公司，河南 舞陽 462500) 摘要：以輥底式連續(xù)熱處理爐為研究對象，建立了連續(xù)加熱和擺動加熱過程鋼坯二維非穩(wěn)態(tài)傳熱在線控制數(shù)學模型，并與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)比較分析，表明所建立的數(shù)學模型是正確可信的，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用。 關鍵詞：輥底式連續(xù)熱處理爐；數(shù)學模型；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，易于實現(xiàn)機械化、自動化操作，被廣泛應用于冶

2、金及機械行業(yè)生產(chǎn)中。目前，熱處理爐計算機控制系統(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是爐溫而不是爐內(nèi)加熱的鋼坯，因此很難實現(xiàn)鋼坯優(yōu)化加熱的目的1。筆者針對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)學模型，并驗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，不同規(guī)格、不同種類鋼坯的出爐計算溫度和實測溫度的誤差以及擺動制度等，結(jié)果顯示所研制的計算機在線優(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、氣體的流動和傳熱傳質(zhì)、氧化、脫碳等復雜的物理化學過程，還與許多

3、影響因素有關，主要有以下幾個方面：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、空氣和燃料預熱溫度及其空燃比、爐氣熱特性、爐氣運動、鋼坯運動規(guī)律等。 為了對鋼坯在爐內(nèi)的加熱過程進行較為客觀的描述，需要進行適當?shù)暮喕?,3,4： (1) 爐溫分布不隨時間變化，認為爐膛內(nèi)介質(zhì)溫度在所分區(qū)段內(nèi)是均勻一致的，并且忽略沿爐長方向各個區(qū)段間的輻射換熱； (2) 鋼坯在爐內(nèi)勻速運動，忽略沿鋼坯長度方向(即爐寬方向)的導熱。由于鋼坯間隙放置，因此，可將鋼坯的內(nèi)部傳熱近似認為無限長扁坯上下兩面非對稱加熱、左右兩面對稱加熱的二維非穩(wěn)態(tài)傳熱，如圖1； (3) 忽略鋼坯表面的氧化鐵皮對傳熱的影響

4、； (4) 爐墻內(nèi)表面及鋼坯表面黑度視為常數(shù)； (5) 近似認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 在上述假設的基礎上，建立的鋼坯加熱過程在線數(shù)學模型如下： 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，kJ/(kg)； 為導熱系數(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； 為導來輻射系數(shù)，W/(m2K4)

5、。 根據(jù)假設條件，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)學模型的驗證及其分析 為了將以上所建立的輥底式?；療崽幚頎t數(shù)學模型成功地運用于在線實際生產(chǎn)，特采用“溫度跟蹤法”通過對大量實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，以四類典型的鋼種、典型工藝溫度為條件進行驗證，如表1所示，真實有效地驗證了該數(shù)學模型用于在線控制的計算精度和計算速度。基于上述驗證條件，將數(shù)學模型計算結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的對比，可得出表2的結(jié)果。 通過模型計算結(jié)果與現(xiàn)場相同工況下實測數(shù)據(jù)的對比分析，可以得出以下幾點結(jié)論： (1) 模型計算出爐溫度最大絕對誤差為7 ，小于工藝要求的10 ，最大相對誤

6、差僅為1.02%，完全滿足實際生產(chǎn)需要； (2) 正火工藝下數(shù)學模型計算的在爐時間比現(xiàn)場經(jīng)驗值略低一些(78min)，但相差都在10min以內(nèi)，現(xiàn)場實際的在爐時間稍微長一些，主要是因為鋼坯的相變需要額外增加一定的在爐時間以確保其工藝要求；回火工藝下實際執(zhí)行的在爐時間與模型計算的結(jié)果吻合很好； (3) 所開發(fā)的數(shù)學模型能夠仿真優(yōu)化計算符合現(xiàn)場實際的最佳加熱策略，并付諸實施。 綜合考察上述各項指標，可知該數(shù)學模型正確、可靠，能夠客觀、真實、有效地反映輥底式熱處理爐的熱處理工藝過程，已完全可以在線實施。 3 輥底爐在線優(yōu)化控制模型的應用及其分析 輥底式連續(xù)熱處理爐計算機優(yōu)化控制系統(tǒng)主要包括：鋼坯運行

7、的物料跟蹤、鋼坯的溫度跟蹤、鋼坯加熱時的優(yōu)化爐溫設定、鋼坯加熱保溫時間設定、輥速優(yōu)化設定、鋼坯混裝時爐溫動態(tài)疊加設定等功能5,6。控制系統(tǒng)啟動后，每隔一個時間步長，對爐內(nèi)所有鋼坯進行掃描，計算相應鋼坯的溫度。并根據(jù)入爐鋼坯的信息，查詢數(shù)據(jù)庫，優(yōu)化設定各爐區(qū)的爐溫制度、優(yōu)化設定鋼坯加熱保溫時間及鋼坯運行的輥速。該輥底式連續(xù)熱處理爐數(shù)學模型計算機優(yōu)化控制系統(tǒng)自投入運行以來，運行穩(wěn)定，節(jié)能效果明顯，溫度跟蹤準確，熱處理鋼板的合格率明顯提高，產(chǎn)量提高，達到了預期的效果。 3.1 正火工藝下數(shù)學模型控制系統(tǒng)運行結(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

8、信息以及鋼坯溫度計算值與現(xiàn)場實測值的比較。 由表3可知，對于930 正火工藝，用爐內(nèi)紅外測溫儀測量的出爐溫度和模型計算值之間相對誤差為1.43%。由于熱處理鋼坯要求的溫升系數(shù)(其值為2.5min/mm)較高，所以鋼坯在爐加熱時間均大于140 min，而連續(xù)通過的允許在爐時間為140 min，故爐內(nèi)鋼坯均需要擺動加熱才能滿足出爐要求。 對于910、900 、890、870正火工藝，現(xiàn)場實測的鋼坯出爐溫度和模型計算值之間相對誤差分別為0.34、1.47、0.67和1.05。由于鋼坯在爐時間均小于140min，故所有鋼坯均可連續(xù)通過，同時為了避免加熱時間過長，當鋼坯運行到出爐區(qū)時即高速出爐。 由此可

9、以看出，用于在線控制的輥底式熱處理爐在線數(shù)學模型計算出的鋼板在出爐區(qū)的表面平均溫度值和現(xiàn)場實際測試出的鋼板在出爐區(qū)溫度最大相對誤差僅為1.47。同時，根據(jù)在現(xiàn)場觀測情況表明：正火工藝下鋼坯在各個區(qū)加熱過程的各表面平均溫度和中心點溫度走勢正確，因此數(shù)學模型的計算精度完全滿足實際生產(chǎn)需要。另外，根據(jù)在線數(shù)學模型計算的在爐時間也與現(xiàn)場實際生產(chǎn)采用的加熱時間完全吻合，對于部分鋼種必須采取擺動加熱才能滿足工藝要求，而對大多數(shù)鋼坯可以通過變化輥速滿足工藝要求。 表1 數(shù)學模型和現(xiàn)場實測的基本條件匯總 初始參數(shù)項目 正火93010 正火90010 回火72010 回火69010 鋼種 壓力容器鋼 船體用結(jié)構(gòu)

10、鋼 合金結(jié)構(gòu)鋼 優(yōu)質(zhì)模具鋼 料坯規(guī)格 (mm) 12300275070 11050178080 9800240060鋼坯入爐溫度() 20 20 20 20 燃料種類 天然氣 燃料預熱溫度() 20 燒嘴溫度效率(%) 75 表2 數(shù)學模型計算結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比表 項目名稱 正火(93010) 正火(90010) 回火(72010) 回火(69010) 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) 12300275070 11050178080 9800240060模型計算出爐溫度() 92

11、9 902 720 695 跟蹤測量出爐溫度() 926 897 723 688 模型計算的在爐時間 (min) 112 144 240 210 現(xiàn)場實測的在爐時間(min) 119 152 240 210 模型計算最佳輥速 (m/min) 0.63 0.74 0.50 0.50 現(xiàn)場使用爐內(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擺動加熱 1/2擺動加熱 1/3擺動加熱 現(xiàn)場使用的加熱策略 連續(xù)加熱 1/4擺動加熱 1/2擺動加熱 1/3擺動加熱 表3數(shù)學模型計算出的正火工藝下鋼坯出爐溫度值與現(xiàn)場實測值對比結(jié)果 熱處理工藝 鋼種 規(guī)格

12、(長/寬/厚mm) 溫升系數(shù)(min/mm) 加熱時間(min) 鋼坯出爐溫度() 相對誤差() 計算值 實測值 930正火 15CrMoR 8130257058 2.5 145 923 910 1.43 SA387Cr22CL2 8500220060 2.5 150 13MnNiMoNbR 12300275070 2.5 175 910正火 16Mo3Z15 7180310070 1.7 119 891 894 0.34 16Mo3 16000200070 1.5 105 900正火 A572Cr50 11500255060 1.7 102 895 882 1.47 16MnR 6300290080 1.5 120