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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

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