基于动态加热系数的热处理线数学模型.pdf

第 3 2 卷第 6 期 2 0 1 5年 l 2月 轧 钢 S TEEL ROLLI NG Vo 1 3 2，No 6 ，p 6 4 6 6 ， 7 7 De ce mb e r 2 0 1 5 轧钢 自动化 D O I ： 1 0 1 3 2 2 8 j b o y u a n i s s n 1 0 O 3 9 9 9 6 2 0 1 4 0 2 2 7 基 于动态加热 系数 的热处理线数 学模型 蔺凤琴， 宋 勇， 荆丰伟 ， 张智密， 李小占 ( 北 京科技大学高效轧制 国家工程研究中心 ， 北京1 0 0 0 8 3 ) 摘要： 提高钢板出炉温度的命中率及均匀性是热处理线数学模型的目标， 炉温优化是实现此 目标的途径之一， 但由于炉温的 P I D调节具有滞后性， 实时效果并不理想。本文结合生产实际提出了动态修正加热系数的策略， 通过控制板坯的运动方向和速 度来实现模型的最终 目标 。经实践 ， 达到 了预期 目标 ， 保证 了产 品的合格率 ， 同时节约 了能源 。 关键词： 热处理炉； 加热系数； 动态； 数学模型 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 3 9 9 9 6 ( 2 0 1 5 ) 0 6 0 0 6 4 0 4 M a t h e ma t ica l mo d e l o f he a t t r e a t m e nt l in e b a s e d o n dy na mic h e a t co e f f ici e n t LI N F e n g - q i n ，S ONG Yo n g，J I NG F e n g - we i，ZHANG Z h bmi，LI Xi a o - z h a n ( Na t i o n a l En g i n e e r i n g Re s e a r ch Ce n t e r f o r Ad v a n ce d Ro l l i n g Te ch n o l o g y， Un i v e r s it y o f S cie n ce a n d T e ch n o l o g y B e i j i n g ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ) Ab s t r a ct ： Th e a i m o f ma t h e ma t ica l mo d e l o f h e a t t r e a t me n t l i n e i s h i g h h i t r a t e a n d u n i f o r mi t y o f p l a t e S d i s ch a r g e d t e mp e r a t u r e Op t i mi z a t i o n o f f u r n a ce t e mp e r a t u r e is t h e o n e e f f e ct i v e me t h o d，b u t it s r e a l - t i me e f f e ct i s n o t i d e a l b e ca u s e o f t h e l a g o f P I D a d j u s t me n t A d y n a mi c h e a t co e f f i ci e n t p o l i cy i s p r o p o s e d，wh i ch a ch i e v e s t h e f i n a l t a r g e t o f ma t h e ma t i ca l mo d e l b y co n t r o l l i n g t h e d i r e ct i o n a n d s p e e d o f p l a t e mo v e me n t s Th e p o l i cy i s a e f f e ct i v e wa y t o r e s o l v e t h e p r o b l e m o f f u r n a ce t e mp e r a t u r e d y n a mi c a d j u s t me n t ， w h i ch i s p r o v e d b y t h e a ct u a l p r o d u ct i o n T h i s s o l u t i o n h a s me t e x p e ct e d g o a l s ， a t t h e s a me t i me i t i mp r o v e d p a s s r a t e in p r o d u ct io n p r o ce s s a n d s a v e d e n e r g y Ke y w o r d s ： h e a t t r e a t me n t f u r n a ce ；h e a t co e f f i ci e n t ；d y n a mi c ；ma t h e ma t i ca l mo d e l l 前言 山钢集团莱芜钢铁公司 2 热处理线采用辊底 式常化炉 与控冷设备 配合 ， 实 现钢板 的常化热 处 理 ， 其还具有对直接淬火后 的钢板进行 中高温 回火 加热 的功能 ， 实现钢板 的调质处理 。该热处理线对 成品钢板的处理能力为 2 3万 t a ， 其采用焦炉煤气 为燃料 ， 采用脉冲控制 的 自身预热烧 嘴 ( 与 内外辐 射管连接 ) ， 在保 护性气氛的条件下对钢板进 行间 接加热 ， 以满足 钢板正 火和 回火热 处理 的加热 要 求 。该生产线工艺流程如图 1 所示。 该热处理线 的过程控 制系统是基 于拥 有 自主 知识 产权 的过 程控 制 开发 平 台 ( P r o ce s s C o n t r o l De v e l o p P l a t f o r m) 设计 的， 可在实现与外部系统 ( 生 产管理系统、 基础 自动化 系统及 测量仪表等 ) 通信 的同时精确跟踪钢板影像 ， 以此作为钢板温度 预报 收稿 日期： 2 0 1 4 0 9 - 2 2 基金项 目： 广西科技开发计划课题 ( 2 0 1 3 AA0 1 0 0 1 ) 作者简介： 蔺凤琴( 1 9 7 5 一) ， 女 ， 助理研究员， 硕士。 I 装 料机 构H装 料辊 道H抛 丸 清扫H 装钢 辊道H 对中 ( 测宽 ) 图 1 莱钢 2 热处理线工艺流程图 Fig 1 Pr o ce s s flo w d ia g r a m o f No 2 h e a t t r e a t me nt l in e in La is t e e l 和炉温设定的前提 。 2 硬件 配置及 网络结构 过程控制 系统采用 h p高性能 P C服务器作为 过程控制系统的服务器 ， 1台在线参与控制 ， 1台离 线备用。人机界 面 ( HMI ) 终端采 用流行 的工控机 或 h p商用机 ， 可实现全线无数 量限制扩 充。服务 器采用 Win d o ws 2 0 0 3 S e r v e r 操作 系统 ， 过程控制 系统的模块为 Vis u a l S t u d io 2 0 0 5开发的控制台程 第 6期 蔺凤琴等： 基于动态加热系数的热处理线数学模型 6 5 序 ， 由 P C DP平 台的任务管理组件监视 各模块运行 状态 。HMI 采用 Vi s u a l S t u d i o 2 0 0 5框架独立设计 研发 ， 未与基础 自动化系统 HMI ( S i me n s Wi n C C) 进行集成 。系统网络结构如图 2所示 。 图 2 过程控制 系统 网络 结构 图 n 辱 2 Ne t wo r k a r ch i t e ct u r e of p r o ce s s co nt r ol s y s t e m 3 炉温在 线优化模型 出 炉 2 # 热处理线共分为 l 4个区， 炉体有效长度达 7 6 m。系统接收 L 。级下发钢板数据 时 ， 根据其钢 种 、 规格及保温 时间 ， 确 定其理想 的炉温 曲线 和加 热系数。钢板在炉时间由式( 1 ) 砩I 定 ： t =ah+ t 0 ( 1 ) 式 中： t 为在炉时间， mi n ； 以为加热系数 ， mi n mm； h 为钢板厚度 ， ram； t o 为保温时问 ， mi n 。 保温时间 t 。由 L 。级系统下发 ， 系统 根据钢板 的理想炉温确定能满足工艺要求下 保温 时问的最 优加热系数 ， 即确定钢板在炉内的加热速度。 钢板的理想炉温是离线仿真得到的满足钢板 目 标温度和保温时间的必要炉温 ， 在预测钢板温度时亦 假设其在炉内以此刻 的速度匀速移动至出炉侧 。在 实际生产过程 中， 这必然会产生误差 3 。首先， 钢板 履历的炉温不可能完全 与必要炉温 曲线相 吻合 ； 其 次 ， 炉 内存在多块板坯 ， 且表面温度和 目标温度都不 相同， 与炉膛的热交换也不相同， 同时燃气热值和流 量也存在波动 ， 这必会导致炉温波动较大。 为满足炉内各钢板的工 艺要求 ， 必须实 时对炉 温进行调整和补偿 ， 炉温的动态设定如图 3所示 。 假设炉 内有两块板坯 ， 图例的情形 已涵盖 了多 块板坯的样例 ， 如 ： 只存在一块板：呸的炉区( 1 、 2 、 3 、 装炉 图 3 炉温动态设定示意图 Fi g 3 Di a g r am of t h e d y na mi c s e t t i ng f o r f u r n a ce t e mp e r at ur e 5 、 6 、 7 ) ， 同时存 在两块或 以上板坯 的炉区 ( 4 ) 和板 坯未到达的炉区( 8 1 4 ) 。各 区炉温的设定遵循式 ( 2 ) 的关系： Ti ( r )一 T 5( ) a ( h ) T 5 ( )+ a ( h +1 ) + ( ) ( r 一 1 ) ( ) t j 一 ， J + 一 ， ( ) ( 2 ) 式中： T i ( r ) 为 r时刻第 i区炉温设 定值 ， ； z 。 为 第 i区炉段末端离装炉门的距离 ， mm； 码 为第 块 钢板在第 i区的必要炉温设定值 ， ； 为第J块钢 板头部离装炉门的距离 ， mm t j为第 J块钢板尾部 离装炉门的距离， m m a ( )为第 J块钢板综合炉 轧 钢 第 3 2 卷 温设定时 的权值系数( 与头部距离相关 ) ； ( )、 ( ) 分别为炉 内钢板头部 与装 炉门最大距离 、 尾 部与装炉门最小距离 ， mm。 当炉区的位置大 于炉 内板坯 的最 大头部距离 时( 即炉内第 1 块钢板头部还未到达 的区域 ) ， 该炉 区此刻的设定 炉温为第 J块钢板在各 区的必要炉 温； 当炉区的位置小于炉 内钢板 的最小尾部距离 时 ( 即炉内最后一块钢板尾部已经过 的区域) ， 该炉 区 此刻的设定炉温为上一 时刻炉温的设定值 ； 当一个 炉区包含多块钢板时， 该炉区的设定炉温是各钢板 在该 区必要炉温的加权平均 ， 权值是钢板头部距装 炉门的距离 ， 距离 越大 ( 即离 出炉侧 越 近) 权 值越 大， 因为即将 出炉 的板坯 剩余 在炉 时间小 ， 调整余 地小 ， 但要确保其 目标值 。 动态炉温调整的弊端是滞后和余地小。一是 炉温闭环采用 P I D调节 ， 从动态设定下发到实测炉 温逼近设定值有一段时间的延迟 ， 而炉内钢板始终 在行进 ， 实测炉温到达设定时钢板 的某段 已错过了 动态设定启动 的位置 ； 二是 由于 炉体 的特点 ， 密 闭 性较好 ， 升温容 易降温难 ， 因此 动态调整炉温 时必 须对调整值进行 限制 ， 防止炉温 长期 过高 ， 影 响钢 板性 能 。 4 动态加热 系数策略 在线优 化炉 温存 在上述 弊端 ， 因此 提 出 了动 态加热系数策 略来 避 免频 繁调整 炉温 。由式 ( 1 ) 知道 ： 加热系数直接决定 了钢板 的在炉时间 ， 从 而 决定了钢板 的运行速度 。动态 加热系数策 略是 通 过调 整 钢 板 的 速 度 来 保 证 其 目标 温 度 和 保 温 时间 。 钢板人炉前 的工艺参 数， 包括 炉温设定 、 加热 系数 和加 热 曲线 等， 由系统模 型根 据原 料参数 计 算 ， 并在钢板核对完成 时下发至基础 自动化级 ( L 级) ， I 级将根据 L 级下发的工艺参数控制钢板 的 运行速度。 人炉后 ， 系统 根据实测炉温 和钢板位置 ， 实时 计算在线 的加热 曲线 。由于实测炉 温与理想炉温 曲线的误差及前后钢板 间隔距离等因素， 在线加热 曲线和预报的加热曲线也存在误差。动态加热系 数策略是实时比较两条加热 曲线 ， 在误差较大的点 进行修正 ， 如图 4所示 。 图 4为 目标温度 为 6 5 0钢 板的理想炉温 曲 线、 预报加热 曲线 和在线加热 曲线 ， 横坐标为钢板 在炉内的位置 ， 纵坐标为温度 。由图 4可看出： 预报 图 4动态加热系数 示意 图 F i g 4 Di a g r a m o f d y n a mi c h e a t c o e f fi c i e n t p o l i c y 和在线加热曲线并不吻合， 在加热段进行 了 3次加 热系数的修正 。修正原则如式 ( 3 ) 所描述 ： a一 口( 1一 2 7 0 ( ( 5 )一 To ( s ) ) ) ( 3 ) 式中 ： 以为加热系数 ， rai n ram； z o 为温差修正系数 ； ( s )为钢板在炉 内 5 处的在线加热曲线温度 ， ； To ( s ) 为钢板在炉内 S 处的预报加热 曲线温度