CN103952529B - 一种步进式加热炉基于热平衡的炉温优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种步进式加热炉基于热平衡的炉温优化方法的技术方案，该方案的方法在于满足钢坯轧制要求的前提下，尽量降低加热炉各段炉温的设定值，从而降低燃料消耗，减少钢坯的氧化烧损。其方法是利用炉内的热量平衡关系，建立炉温、钢温、供热量和热损失之间关系式，并根据各种初始条件，如：炉型、钢坯规格、种类、目标出炉温度、装炉温度和轧制节奏等工况，计算出沿炉长方向的各段最优炉温，使钢坯在规定的时间内加热到合适的温度和允许的断面温差，且能耗最小。

Description

一种步进式加热炉基于热平衡的炉温优化方法

技术领域：

本发明属于钢铁厂轧钢步进式加热炉的技术领域，特别涉及步进式加热炉在加热钢坯过程中，加热炉的最优供热量、炉温、坯温之间的关系。

背景技术：

加热炉是轧钢生产线上一个主要的前置设备，其用途就是为轧机提供符合工艺要求的加热过的钢坯。步进式加热炉是当今轧钢厂应用最广泛的钢坯加热炉型，通过步进梁升、进、降、退的循环动作将钢坯从加热炉进料端一步一步送往出料端，在此过程中对钢坯进行逐步加热。

步进式加热炉为了把钢坯加热到目标出钢温度，通常沿炉长方向设置几个加热段：预热段，加热段和均热段，有的炉子还把加热段分为加热一段和加热二段。加热炉设置分段烧钢的目的，是根据钢坯的受热特性，给予各段不同的炉温。比如钢坯进入加热炉后，它首先要经过预热段进行缓慢升温，预热段温度控制一般在650～950℃；然后进入加热段强化加热，加热段温度控制一般在1050～1300℃；最后进入均热段使钢坯内外温度更加均匀，均热段温度控制一般在1150～1280℃。在实际生产中，可以测知炉内各段环境温度，但无法测量每支钢坯在炉内的温度，尤其是钢坯的中心温度。所以在这种情况下，为了保证钢坯的目标出炉温度，多数钢厂采用传统的高烧法，即按照钢坯加热温度的上限烧钢，这样不仅浪费了巨大能源，而且往往导致钢坯烧损严重，也使得加热炉寿命缩短。

随着原材料的短缺和能源危机的加剧，以及企业之间的日益竞争，人们对产品质量、生产效率、能源消耗、生产成本和环境保护提出了更高的要求。原来传统的高烧法已不再适应市场的需要。而且钢种的升温速度受各钢种导热速率限制，并不是炉温越高钢坯吸热越多，在导热速率限制下，即使高温烧钢，多余的热量也不会被钢坯吸收，反而对炉体寿命造成不良影响。

发明内容：

本发明的目的就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种步进式加热炉基于热平衡的炉温优化方法的技术方案，该方案的优化方法在于满足钢坯轧制要求的前提下，尽量降低加热炉各段炉温的设定值，从而降低燃料消耗，减少钢坯的氧化烧损。其方法是利用炉内的热量平衡关系，建立炉温、钢温、供热量和热损失之间关系式，并根据各种初始条件，如：炉型、钢坯规格、种类、目标出炉温度、装炉温度和轧制节奏等工况，计算出沿炉长方向的各段最优炉温，使钢坯在规定的时间内加热到合适的温度和允许的断面温差，且能耗最小。

本方案是通过如下技术措施来实现的：一种步进式加热炉基于热平衡的炉温优化方法，其特征在于包括如下步骤：

1)根据炉型参数和钢坯类型，把加热炉按炉长方向划分多个微元段，而对钢坯则进行三维微元划分；

2)建立钢种热物性数据库，包括钢种的密度、热容、热焓、热导率、塑性最大温差、断面允许温差和过烧温度参数；

3)确定初始参数：煤气热值、钢坯装炉温度、有无蓄热体及蓄热体质量、炉门炉壁及水梁的热损失计算参数；

4)以炉长方向的预热段、加热段、均热段的炉温最高温为节点值，插值出沿炉长方向的各微元段炉温，作为各微元段的初始炉温值；

5)确定微元段热平衡方程，Q_r,i+Q_k,i+Q_m,i+Q_f,i+1＝Q_g,i+Q_c,i+Q_e,i+Q_f,i+Q_y,i，其中Q_r,i为供入本微元段燃料的燃烧发热量，Q_k,i为供入本微元段空气所带来的物理热，Q_m,i为供入本微元段燃料所带来的物理热，Q_f,i+1为从上游微元段流入本微元段的烟气带来的物理热，Q_g,i为微元段内的钢坯吸热，Q_c,i为微元段内的冷却件吸热，Q_e,i为微元段的炉壳散热，Q_f,i为从本微元段流出到下游相邻微元段的烟气所带走的物理热，Q_y,i为从本微元段排出的烟气所带走的物理热；

6)对入炉坯料进行加热，判断坯料平均温度是否小于弹塑性分界点温度，如果小于弹塑性分界点温度则进入步骤7)，否则进入步骤8)；

7)如果过程温差大于过程温差最大值，则降低炉温，然后重复步骤5)，如果过程温差小于过程温差最大值且可供煤气量小于需求量，则降低炉温，重复步骤5)，如果过程温差小于过程温差最大值且可供煤气量大于需求量则转入下一块坯料的加热过程；

8)判断坯料温度是否小于目标温度，如果小于目标温度，则进入步骤9)，否则进入步骤10)；

9)如果小于目标温度且可供煤气量小于需求量，则降低炉温，重复步骤4)，如果小于目标温度且可供煤气量大于需求量，则增加炉温，重复步骤5)，如果小于目标温度且可供煤气量等于需求量，则转入下一块坯料的加热过程；

10)如果坯料平均温度大于出炉目标温度且可供煤气量小于需求量，则降低炉温，重复步骤5)；如果如果坯料平均温度大于出炉目标温度且可供煤气量大于需求量，则标记此坯块值，并判断是否是最后一块坯料，如果是则结束，如果不是转入步骤6)。

所述的步骤1)中，沿炉长方向每支钢坯为一个微元段。

所述的步骤5)中Q_r,i、Q_k,i、Q_m,i、Q_f,i+1为热收入项：

①供入本微元段燃料的燃烧发热量：Q_r,i＝η_r,iV_m,iq_d，

②供入本微元段空气和燃料的物理热：Q_k,i＝V_k,iC_kT_k,i，Q_m,i＝V_m,iC_mT_m,i，

③从上游微元段流入本微元段的烟气带来的物理热:Q_f,i+1＝V_f,i+1C_yT_L,i+1，

式中：η_r,i燃料燃烧程度；V_m,i燃料的体积流量；q_d为燃料的低发热值；V_k,i为供入微元段的空气流量；C_k为空气的比热；T_k,i为空气的预热温度；V_m,i为供入微元段的燃料流量，C_m为燃料的比热，T_m,i为燃料的预热温度，V_f,i+1为从上游微元段流入本微元段的烟气量；C_y为烟气的比热，T_L,i+1为本微元段上游微元段的炉温。

Q_g,i+Q_c,i+Q_e,i+Q_f,i+Q_y,i为热支出项，①微元段内的钢坯吸热:Q_g,i＝m_g,i∫∫_钢坯截面C_g(T_g,i–T_g,i-1)d_xd_y

②微元段内的冷却件吸热:Q_c,i＝∑Q_c,i(T_L,i,T_c,i)

③微元段的炉壳散热:Q_e,i＝Q_e,i(T_L,i,T_a)

④从本微元段流出到下游相邻微元段的烟气所带走的物理热:Q_f,i＝

V_f,iC_yT_L,i；

⑤从本微元段排出的烟气所带走的物理热:Q_y,i＝V_y,iC_yT_L,i；

其中：m_g,i为本微元段中钢坯的质量流量；C_g为钢坯的比热，T_g,i、T_g,i-1本微元段和下游微元段中钢坯的截面温度场；T_L,i为本微元段的炉温；T_a为炉子的环境温度；V_y,i为从本微元段排出的烟气量。

步骤4)中加热段分为两段。预热段的温度范围为650-950℃；加热段中的两段，温度范围分别为950-1200℃、1050-1300℃；均热段的温度范围为1150-1280℃。

所述的步骤1)中每个钢坯划分为27×19×25节点。

所述的步骤6)中根据步长可以确定炉内钢坯间距和支数，从而确定每支钢坯在炉内的位置或所在微元段。

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于在该方案中如果没有达到出炉目标温度和温差要求，那么调整炉温，重新开始全局的求解过程，直到找到最优解。如果达到出炉目标温度和断面温差要求，但坯块标记不是最后一块，，减少节奏，重新开始求解。如果达到出炉目标温度和断面温差要求，且坯块标记是最后一块，则结束求解，输出结果，结束全局求解过程。由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过一个具体实施方式，，对本方案进行阐述。

本方案的一种步进式加热炉基于热平衡的炉温优化方法，其特征在于包括如下步骤：

1)根据炉型参数和钢坯类型，把加热炉按炉长方向划分多个微元段，所述的步骤1)中，即沿炉长方向每支钢坯为一个微元段，而对钢坯则进行三维微元划分；所述的步骤1)中每个钢坯划分为27×19×25节点；

2)建立钢种热物性数据库，包括钢种的密度、热容、热焓、热导率、塑性最大温差、断面允许温差和过烧温度参数；

3)确定初始参数：煤气热值、钢坯装炉温度、有无蓄热体及蓄热体质量、炉门炉壁及水梁的热损失计算参数；

4)以炉长方向的预热段、加热段、均热段的炉温最高温为节点值，插值出沿炉长方向的各微元段炉温，作为各微元段的初始炉温值；

5)确定微元段热平衡方程，Q_r,i+Q_k,i+Q_m,i+Q_f,i+1＝Q_g,i+Q_c,i+Q_e,i+Q_f,i+Q_y,i，其中Q_r,i为供入本微元段燃料的燃烧发热量，Q_k,i为供入本微元段空气所带来的物理热，Q_m,i为供入本微元段燃料所带来的物理热，Q_f,i+1为从上游微元段流入本微元段的烟气带来的物理热，Q_g,i为微元段内的钢坯吸热，Q_c,i为微元段内的冷却件吸热，Q_e,i为微元段的炉壳散热，Q_f,i为从本微元段流出到下游相邻微元段的烟气所带走的物理热，Q_y,i为从本微元段排出的烟气所带走的物理热；其中Q_r,i、Q_k,i、Q_m,i、Q_f,i+1为热收入项：

①供入本微元段燃料的燃烧发热量：Q_r,i＝η_r,iV_m,iq_d，

②供入本微元段空气和燃料的物理热：Q_k,i＝V_k,iC_kT_k,i，Q_m,i＝V_m,iC_mT_m,i，

③从上游微元段流入本微元段的烟气带来的物理热:Q_f,i+1＝V_f,i+1C_yT_L,i+1，Q_g,i+Q_c,i+Q_e,i+Q_f,i+Q_y,i为热支出项，

①微元段内的钢坯吸热:Q_g,i＝m_g,i∫∫_钢坯截面C_g(T_g,i–T_g,i-1)d_xd_y

②微元段内的冷却件吸热:Q_c,i＝∑Q_c,i(T_L,i,T_c,i)

③微元段的炉壳散热:Q_e,i＝Q_e,i(T_L,i,T_a)

④从本微元段流出到下游相邻微元段的烟气所带走的物理热:Q_f,i＝V_f,iC_yT_L,i；

⑤从本微元段排出的烟气所带走的物理热:Q_y,i＝V_y,iC_yT_L,i；

其中：式中：η_r,i燃料燃烧程度；V_m,i燃料的体积流量；q_d为燃料的低发热值；V_k,i为供入微元段的空气流量；C_k为空气的比热；T_k,i为空气的预热温度；V_m,i为供入微元段的燃料流量，C_m为燃料的比热，T_m,i为燃料的预热温度，V_f,i+1为从上游微元段流入本微元段的烟气量；C_y为烟气的比热，T_L,i+1为本微元段上游微元段的炉温，m_g,i为本微元段中钢坯的质量流量；C_g为钢坯的比热，T_g,i、T_g,i-1本微元段和下游微元段中钢坯的截面温度场；T_L,i为本微元段的炉温；T_a为炉子的环境温度；V_y,i为从本微元段排出的烟气量。

6)对入炉坯料进行加热，判断坯料平均温度是否小于弹塑性分界点温度，如果小于弹塑性分界点温度则进入步骤7)，否则进入步骤8)；

7)如果过程温差大于过程温差最大值，则降低炉温，然后重复步骤5)，如果过程温差小于过程温差最大值且可供煤气量小于需求量，则降低炉温，重复步骤5)，如果过程温差小于过程温差最大值且可供煤气量大于需求量则转入下一块坯料的加热过程；

8)判断坯料温度是否小于目标温度，如果小于目标温度，则进入步骤9)，否则进入步骤10)；

9)如果小于目标温度且可供煤气量小于需求量，则降低炉温，重复步骤4)，如果小于目标温度且可供煤气量大于需求量，则增加炉温，重复步骤5)，如果小于目标温度且可供煤气量等于需求量，则转入下一块坯料的加热过程；

10)如果坯料平均温度大于出炉目标温度且可供煤气量小于需求量，则降低炉温，重复步骤5)；如果如果坯料平均温度大于出炉目标温度且可供煤气量大于需求量，则标记此坯块值，并判断是否是最后一块坯料，如果是则结束，如果不是转入步骤6)。

步骤4)中加热段分为两段。预热段的温度范围为650-950℃；加热段中的两段，温度范围分别为950-1200℃、1050-1300℃；均热段的温度范围为1150-1280℃。

所述的步骤6)中根据步长可以确定炉内钢坯间距和支数，从而确定每支钢坯在炉内的位置或所在微元段。

本发明并不仅限于上述具体实施方式，本领域普通技术人员在本发明的实质范围内做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种步进式加热炉基于热平衡的炉温优化方法，其特征在于包括如下步骤：

1)根据炉型参数和钢坯类型，把加热炉按炉长方向划分多个微元段，而对钢坯则进行三维微元划分；

2)建立钢种热物性数据库，包括钢种的密度、热容、热焓、热导率、塑性最大温差、断面允许温差和过烧温度参数；

3)确定初始参数：煤气热值、钢坯装炉温度、有无蓄热体及蓄热体质量、炉门炉壁及水梁的热损失计算参数；

4)以炉长方向的预热段、加热段、均热段的炉温最高温为节点值，插值出沿炉长方向的各微元段炉温，作为各微元段的初始炉温值；

5)确定微元段热平衡方程，Q_r,i+Q_k,i+Q_m,i+Q_f,i+1＝Q_g,i+Q_c,i+Q_e,i+Q_f,i+Q_y,i，其中Q_r,i为供入本微元段燃料的燃烧发热量，Q_k,i为供入本微元段空气所带来的物理热，Q_m,i为供入本微元段燃料所带来的物理热，Q_f,i+1为从上游微元段流入本微元段的烟气带来的物理热，Q_g,i为微元段内的钢坯吸热，Q_c,i为微元段内的冷却件吸热，Q_e,i为微元段的炉壳散热，Q_f,i为从本微元段流出到下游相邻微元段的烟气所带走的物理热，Q_y,i为从本微元段排出的烟气所带走的物理热；

6)对入炉坯料进行加热，判断坯料平均温度是否小于弹塑性分界点温度，如果小于弹塑性分界点温度则进入步骤7)，否则进入步骤8)；

7)如果过程温差大于过程温差最大值，则降低炉温，然后重复步骤5)，如果过程温差小于过程温差最大值且可供煤气量小于需求量，则降低炉温，重复步骤5)，如果过程温差小于过程温差最大值且可供煤气量大于需求量则转入下一块坯料的加热过程；

8)判断坯料温度是否小于目标温度，如果小于目标温度，则进入步骤9)，否则进入步骤10)；

9)如果小于目标温度且可供煤气量小于需求量，则降低炉温，重复步骤4)，如果小于目标温度且可供煤气量大于需求量，则增加炉温，重复步骤5)，如果小于目标温度且可供煤气量等于需求量，则转入下一块坯料的加热过程；

10)如果坯料平均温度大于出炉目标温度且可供煤气量小于需求量，则降低炉温，重复步骤5)；如果如果坯料平均温度大于出炉目标温度且可供煤气量大于需求量，则标记此坯块值，并判断是否是最后一块坯料，如果是则结束，如果不是转入步骤6)。

2.根据权利要求1所述的步进式加热炉基于热平衡的炉温优化方法，其特征是：所述的步骤1)中，沿炉长方向每支钢坯为一个微元段。

3.根据权利要求1所述的步进式加热炉基于热平衡的炉温优化方法，其特征是：所述的步骤5)中Q_r,i、Q_k,i、Q_m,i、Q_f,i+1为热收入项：

①供入本微元段燃料的燃烧发热量：Q_r,i＝η_r,iV_m,iq_d，

②供入本微元段空气和燃料的物理热：Q_k,i＝V_k,iC_kT_k,i，Q_m,i＝V_m,iC_mT_m,i，

③从上游微元段流入本微元段的烟气带来的物理热:Q_f,i+1＝V_f,i+1C_yT_L,i+1，

其中：η_r,i燃料燃烧程度；V_m,i燃料的体积流量；q_d为燃料的低发热值；V_k,i为供入微元段的空气流量；C_k为空气的比热；T_k,i为空气的预热温度；V_m,i为供入微元段的燃料流量，C_m为燃料的比热，T_m,i为燃料的预热温度，V_f,i+1为从上游微元段流入本微元段的烟气量；C_y为烟气的比热，T_L,i+1为本微元段上游微元段的炉温。

4.根据权利要求3所述的步进式加热炉基于热平衡的炉温优化方法，其特征是：Q_g,i+Q_c,i+Q_e,i+Q_f,i+Q_y,i为热支出项，①微元段内的钢坯吸热:Q_g,i＝m_g,i∫∫_钢坯截面C_g(T_g,i–T_g,i-1)d_xd_y

②微元段内的冷却件吸热:Q_c,i＝∑Q_c,i(T_L,i,T_c,i)

③微元段的炉壳散热:Q_e,i＝Q_e,i(T_L,i,T_a)

④从本微元段流出到下游相邻微元段的烟气所带走的物理热:Q_f,i＝V_f,iC_yT_L,i；

⑤从本微元段排出的烟气所带走的物理热:Q_y,i＝V_y,iC_yT_L,i；

其中：m_g,i为本微元段中钢坯的质量流量；T_g,i、T_g,i-1本微元段和下游微元段中钢坯的截面温度场；C_g为钢坯的比热，T_L,i为本微元段的炉温；T_a为炉子的环境温度；V_y,i为从本微元段排出的烟气量。

5.根据权利要求1所述的步进式加热炉基于热平衡的炉温优化方法，其特征是：步骤4)中加热段分为两段。

6.根据权利要求5所述的步进式加热炉基于热平衡的炉温优化方法，其特征是：步骤4)中预热段的温度范围为650-950℃；加热段中的两段，温度范围分别为950-1200℃、1050-1300℃；均热段的温度范围为1150-1280℃。

7.根据权利要求1所述的步进式加热炉基于热平衡的炉温优化方法，其特征是：所述的步骤1)中每个钢坯划分为27×19×25节点。

8.根据权利要求1所述的步进式加热炉基于热平衡的炉温优化方法，其特征是：所述的步骤6)中根据步长可以确定炉内钢坯间距和支数，从而确定每支钢坯在炉内的位置或所在微元段。