CN104073623A - 一种辊底式退火炉温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及冶金生产技术领域。一种辊底式退火炉温度控制方法，第一步，计算工艺给定的升温曲线对应的产品加热段出口的目标温度；第二步，计算钢坯温度；第三步，计算钢坯到加热段段末的剩余加热时间；第四步，对加热温度进行前馈控制，以步骤2计算的钢坯温度为起点，利用步骤3计算的钢坯剩余加热时间t，以工艺曲线作为炉温输入，按照给定的时间步长Δt，预报钢坯到达加热段段末的温度T_pre，然后求出预报温度和目标温度的偏差，进而求出钢坯所在段的前馈温度控制量；第五步，利用加热段出口位置钢坯温度跟踪模型的计算结果和与钢坯在该处的目标温度的偏差，确定加热温度的反馈控制量；第六步，对辊底炉加热段进行“前馈+反馈”的温度设定控制。

Description

一种辊底式退火炉温度控制方法

技术领域

本发明涉及冶金生产技术领域，涉及退火炉温度控制方法。

背景技术

辊底式退火炉用炉内辊道运送热处理材，沿炉子整个长度每隔一定距离安装一根辊子，物料在辊子上运行，在辊子上面和下面的炉膛都可布置烧嘴供热，炉子划分为多个控制段，每个段又可以划分为多个控制区，每个控制区装有热电偶，用于炉温控制。一般特钢企业的热处理炉都没有数学模型，直接采用热处理温度曲线，通过L1控制各段的温度和辊道速度，满足热处理工艺对温度和时间的要求。可是，热处理炉实际的炉温曲线，并不能代表钢温曲线，这种差别对于很小规格或者很薄的产品，影响不是很显著，但是对于大规格的钢料，就有很大的影响了，尤其是对保温时间的影响，保温时间短了，会影响产品质量，保温时间长了，会影响节奏，也浪费能量。另外，升温控制段的操作控制方法也有很大的不确定性，产品温度波动比较大，导致能源的浪费和产品质量的波动。例如，对于需要球化退火的钢种，升温控制段温度和均热段保温时间的波动，直接影响产品质量；对于需要去应力退火的钢种，保温时间过短，达不到预期的效果，保温时间过长浪费能源。

为了解决上述存在的问题，操作人员只能在工艺允许的范围内，尽量让温度制度稳定，然而，对于多规格、多品种的特钢热处理钢材，由于缺乏模型，无法细化到一个产品一个工艺，而是分组，把品种规格相近的划分为一组，采用相同的热处理曲线，进行炉温控制。这种同一个钢种，尺寸不同，加热工艺相同的情况，由于加热过程中，尺寸效应的关系，将导致产品质量的波动。另外，由于辊底式退火炉升温控制段涉及的可控制段比较多，一般会采用比较保守的方法，钢坯入炉后，在工艺允许的情况下，尽可能加热，防止后面加热能力不足，或者达不到均热温度，这必然导致产品质量的波动和能源利用的不合理。这些控制方法，都比较保守，带有经验性质，无法解决目前特钢热处理炉温度控制面临的问题。因此，需要利用新的技术手段，对热处理过程进行精准高效的控制。这就需要从辊底炉的设备出发，把材料的参数、钢坯尺寸的参数、工艺的目标等作为输入，经过实时的模型运算，给出最合理的加热温度，并完成设定控制。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种辊底式退火炉温度控制方法，以解决上述技术问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种辊底式退火炉温度控制方法，其特征在于，第一步获取钢坯温度计算用数据，在产品装炉完成后，采用钢坯的温度模型计算工艺给定的升温曲线对应的产品加热段出口的目标温度；第二步，根据钢坯所在的位置和热电偶温度，利用温度模型计算钢坯温度；第三步，利用辊道的设定速度、各加热段的长度及钢坯的位置，计算钢坯到加热段段末的剩余加热时间；第四步，对加热温度进行前馈控制，以步骤2计算的钢坯温度为起点，利用步骤3计算的钢坯剩余加热时间t，以工艺曲线作为炉温输入，按照给定的时间步长Δt，预报钢坯到达加热段段末的温度T_pre，然后求出预报温度和目标温度的偏差，进而求出钢坯所在段的前馈温度控制量；第五步，利用加热段出口位置钢坯温度跟踪模型的计算结果和与钢坯在该处的目标温度的偏差，确定加热温度的反馈控制量；第六步，对辊底炉加热段进行“前馈+反馈”的温度设定控制。

第一步中，所述钢坯温度计算用数据包括钢坯的比热、密度、导热系数、尺寸等。在产品装炉完成后，采用工艺给定的升温曲线和炉辊移动速度，模拟钢坯在炉内运动，利用温度跟踪模型，计算钢坯在各个位置的温度，从而获得钢坯在各个加热段出口的温度，得出产品在各个加热段出口的目标温度。钢坯的温度模型采用热传导方程来表达，用差分算法来求解。

如果钢坯为圆钢，则钢坯的温度模型可以表达为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂T}{\∂t}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{c\ρ}}*(\frac{{\∂}^{2}T}{\∂r^2}+\frac{1}{r}\frac{\∂T}{\∂r})\\ T\left(r\right)=T_0\left(r\right)\\ \mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂r}{|}_{r=R}=q\\ \mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂r}{|}_{r=0}=0\end{array}\right.$

如果钢坯为板坯，则T可以表达为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂T}{\∂t}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{c\ρ}}*\frac{{\∂}^{2}T}{\∂x^2}\\ T\left(x\right)=T_0\left(x\right)\\ \mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂x}{|}_{x=h}=q\\ \mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂x}{|}_{x=0}=0\end{array}\right.$

q为钢坯对外进行热交换的热流，表达式如下：

q(t)=ε·σ·{(T_G(t)+273)⁴-(T_S(t)+273)⁴}

其中：

ε：炉内综合辐射系数

σ：Stiemann—Bltzmann常数

T_S(t)：钢坯表面温度

T_G(t)：退火炉炉气温度

R：圆钢半径

h：板坯厚度一半

c：钢坯的比热

ρ：钢坯的密度

λ：钢坯的导热系数

第二步中，把当前时刻退火炉炉内各个位置的热电偶温度，用直线连接起来，形成炉内的炉温曲线，再用钢坯所在的位置，进行插值，获得钢坯在炉内对应的炉气温度T_G，最后，利用钢坯的温度模型，采用步骤1给出的钢坯的温度模型计算钢坯平均温度T_act。

第三步中，利用公式计算钢坯所在加热段段末的剩余加热时间t，其中，l是钢坯所在加热段的剩余长度，钢坯所在位置当前段的剩余长度为该段的物理长度减去钢坯当前位置距离该段入口的长度。V为工艺给定的各段的辊道速度。

第四步中，利用公式求出钢坯所在段的前馈温度控制量，其中，i为段号，k_i为加热段的前馈控制系数k_i∈(0,1]，T_target为钢坯所在加热段的段末目标温度，T_pre为钢坯到达加热段段末的预报温度。

第五步中，反馈控制量为反馈温度值，利用公式计算得出反馈温度值，其中，i为段号，β_i∈[0,1]为各段的反馈比例系数，T_target为钢坯所在加热段的段末目标温度，T_act为钢坯跟踪温度。

第六步中，对辊底炉加热段进行“前馈+反馈”的温度设定控制。按照给定的周期对升温控制段的温度进行设定，均热段及其它段温度的设定值为工艺温度。加热各段炉气温度设定值为：其中i为升温控制段的段号，为工艺给出的各段炉温，为第i段的前馈控制量，为第i段的反馈控制量。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面进一步阐述本发明。

一种辊底式退火炉温度控制方法，其特征在于，第一步获取钢坯温度计算用数据，在产品装炉完成后，采用钢坯的温度模型计算工艺给定的升温曲线对应的产品加热段出口的目标温度；第二步，根据钢坯所在的位置和热电偶温度，利用温度模型计算钢坯温度；第三步，利用辊道的设定速度、各加热段的长度及钢坯的位置，计算钢坯到加热段段末的剩余加热时间；第四步，对加热温度进行前馈控制，以步骤2计算的钢坯温度为起点，利用步骤3计算的钢坯剩余加热时间t，以工艺曲线作为炉温输入，按照给定的时间步长Δt，预报钢坯到达加热段段末的温度T_pre，然后求出预报温度和目标温度的偏差，进而求出钢坯所在段的前馈温度控制量；第五步，利用加热段出口位置钢坯温度跟踪模型的计算结果和与钢坯在该处的目标温度的偏差，确定加热温度的反馈控制量；第六步，对辊底炉加热段进行“前馈+反馈”的温度设定控制。

第一步中，所述钢坯温度计算用数据包括钢坯的比热、密度、导热系数、尺寸等。在产品装炉完成后，采用工艺给定的升温曲线和炉辊移动速度，模拟钢坯在炉内运动，利用温度跟踪模型，计算钢坯在各个位置的温度，从而获得钢坯在各个加热段出口的温度，得出产品在各个加热段出口的目标温度。钢坯的温度模型采用热传导方程来表达，用差分算法来求解。

如果钢坯为圆钢，则钢坯的温度模型可以表达为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂T}{\∂t}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{c\ρ}}*(\frac{{\∂}^{2}T}{\∂r^2}+\frac{1}{r}\frac{\∂T}{\∂r})\\ T\left(r\right)=T_0\left(r\right)\\ \mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂r}{|}_{r=R}=q\\ \mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂r}{|}_{r=0}=0\end{array}\right.$

如果钢坯为板坯，则T可以表达为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂T}{\∂t}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{c\ρ}}*\frac{{\∂}^{2}T}{\∂x^2}\\ T\left(x\right)=T_0\left(x\right)\\ \mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂x}{|}_{x=h}=q\\ \mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂x}{|}_{x=0}=0\end{array}\right.$

q为钢坯对外进行热交换的热流，表达式如下：

q(t)=ε·σ·{(T_G(t)+273)⁴-(T_S(t)+273)⁴}

其中：

ε：炉内综合辐射系数

σ：Stiemann—Bltzmann常数

T_S(t)：钢坯表面温度

T_G(t)：退火炉炉气温度

R：圆钢半径

h：板坯厚度一半

c：钢坯的比热

ρ：钢坯的密度

λ：钢坯的导热系数

第二步中，把当前时刻退火炉炉内各个位置的热电偶温度，用直线连接起来，形成炉内的炉温曲线，再用钢坯所在的位置，进行插值，获得钢坯在炉内对应的炉气温度T_G，最后，利用钢坯的温度模型，采用步骤1给出的钢坯的温度模型计算钢坯平均温度T_act。

第三步中，利用公式计算钢坯所在加热段段末的剩余加热时间t，其中，l是钢坯所在加热段的剩余长度，钢坯所在位置当前段的剩余长度为该段的物理长度减去钢坯当前位置距离该段入口的长度。V为工艺给定的各段的辊道速度。

第四步中，利用公式求出钢坯所在段的前馈温度控制量，其中，i为段号，k_i为加热段的前馈控制系数k_i∈(0,1]，T_target为钢坯所在加热段的段末目标温度，T_pre为钢坯到达加热段段末的预报温度。

第五步中，反馈控制量为反馈温度值，利用公式计算得出反馈温度值，其中，i为段号，β_i∈[0,1]为各段的反馈比例系数，T_target为钢坯所在加热段的段末目标温度，T_act为钢坯跟踪温度。

第六步中，对辊底炉加热段进行“前馈+反馈”的温度设定控制。按照给定的周期对升温控制段的温度进行设定，均热段及其它段温度的设定值为工艺温度。加热各段炉气温度设定值为：其中i为升温控制段的段号，为工艺给出的各段炉温，为第i段的前馈控制量，为第i段的反馈控制量。

具体实施例：

一种特钢棒材连续辊底式退火炉，炉子长度112m，包括进炉段、出炉段和11个控制段，每个控制段又划分为2个控制区，每个控制区都设有热电偶。设计控制段长度及额定功率如下：

控制段号	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
														长度	3	6.07	4.95	4.95	7.875	7.875	8.1	11.25	11.25	11.25	11.25	11.47	12.6
设计功率KW	0	750	450	208	208	208	208	260	260	208	208	208	0

利用该退火炉，对某合金钢圆棒进行去应力退火，规格Ф40mm，炉底布料强度500kg/m，退火工艺如下，其中控制段1～4为升温段，5～7为均热段，8～11控制段烧嘴不工作，随炉冷却。表中，升温段的工艺炉温为该控制段第2个控制区的设定炉温，升温段第一个控制区的设定炉温为前后两个控温区设定温度的平均值；均热段的工艺炉温为该控制段2个控制区的设定炉温。

退火工艺要求：产品进入均热段（第5控制段）时达到平均温度680±5℃，均热保温时间不低于2.5小时。

根据步骤1，获取各控制段对应于标准工艺炉温下的产品段末目标温度为：

炉段号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
												工艺炉温℃	550	600	670	680	680	680	680	-	-	-	-
产品段末温度℃	333.8	548.9	635.7	675.8	679.7	680.0	679.5	-	-	-	-

本实施例中，炉内沿长度方向有2批产品，产品1位于控制段2的中间位置，产品2位于控制段4的中间位置。在炉内实际热电偶测量温度的基础上，通过步骤2实时迭代计算得到的当前状态下的产品1的温度为440℃，产品2的温度为665℃，当前各辊道速度均为9m/h。

通过步骤3计算得到，产品1和产品2到达本控制段入口位置所需的预计时间分别为0.275h和0.4375h。利用标准工艺温度作为炉内温度曲线，以当前状态下的产品温度为起点，迭代计算产品到达对应升温控制段段末的温度分别为332.0℃和676.5℃。

在进行炉温调节时，只针对产品所在的控制段进行调节，没有产品或均热段，不进行炉温调节，按照工艺炉温设定，即当前状态下，可以设定控制段1为550℃，控制段3为670℃，控制段5、6、7均为680℃。

当前状态下，控制段2和控制段4的段末位置没有产品，因此反馈温度取0℃，取升温段的炉温前馈调节系数k_i均为0.75，则可以得到控制段2和控制段4的炉温前馈调节值分别为2.4℃和-0.93℃。

$\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{foreback}}^2=(T_{t\arg \mathrm{et}}-T_{\mathrm{pre}})/k_i=(333.8-332.0)/0.75=2.4$

$\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{foreback}}^4=(T_{t\arg \mathrm{et}}-T_{\mathrm{pre}})/k_i=(675.8-676.5)/0.75=-0.93$

取整后得到当前状态下的设定炉温为：

炉段号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
												工艺炉温℃	550	602	670	679	680	680	680	-	-	-	-

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种辊底式退火炉温度控制方法，其特征在于，第一步获取钢坯温度计算用数据，在产品装炉完成后，采用钢坯的温度模型计算工艺给定的升温曲线对应的产品加热段出口的目标温度；第二步，根据钢坯所在的位置和热电偶温度，利用温度模型计算钢坯温度；第三步，利用辊道的设定速度、各加热段的长度及钢坯的位置，计算钢坯到加热段段末的剩余加热时间；第四步，对加热温度进行前馈控制，以步骤2计算的钢坯温度为起点，利用步骤3计算的钢坯剩余加热时间t，以工艺曲线作为炉温输入，按照给定的时间步长Δt，预报钢坯到达加热段段末的温度T_pre，然后求出预报温度和目标温度的偏差，进而求出钢坯所在段的前馈温度控制量；第五步，利用加热段出口位置钢坯温度跟踪模型的计算结果和与钢坯在该处的目标温度的偏差，确定加热温度的反馈控制量；第六步，对辊底炉加热段进行“前馈+反馈”的温度设定控制。

2.根据权利要求1所述的一种辊底式退火炉温度控制方法，其特征在于，第一步中，所述钢坯温度计算用数据包括钢坯的比热、密度、导热系数、尺寸。

3.根据权利要求2所述的一种辊底式退火炉温度控制方法，其特征在于，在产品装炉完成后，采用工艺给定的升温曲线和炉辊移动速度，模拟钢坯在炉内运动，利用温度跟踪模型，计算钢坯在各个位置的温度，从而获得钢坯在各个加热段出口的温度，得出产品在各个加热段出口的目标温度。

4.根据权利要求3所述的一种辊底式退火炉温度控制方法，其特征在于，钢坯的温度模型采用热传导方程来表达，用差分算法来求解，钢坯为圆钢，则钢坯的温度模型可以表达为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂T}{\∂t}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{c\ρ}}*(\frac{{\∂}^{2}T}{\∂r^2}+\frac{1}{r}\frac{\∂T}{\∂r})\\ T\left(r\right)=T_0\left(r\right)\\ \mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂r}{|}_{r=R}=q\\ \mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂r}{|}_{r=0}=0\end{array}\right.$

q为钢坯对外进行热交换的热流，表达式如下：

q(t)=ε·σ·{(T_G(t)+273)⁴-(T_S(t)+273)⁴}

其中：ε：炉内综合辐射系数，σ：Stiemann—Bltzmann常数，T_S(t)：钢坯表面温度，T_G(t)：退火炉炉气温度，R：圆钢半径，h：板坯厚度一半，c：钢坯的比热，ρ：钢坯的密度，λ：钢坯的导热系数。

5.根据权利要求3所述的一种辊底式退火炉温度控制方法，其特征在于，钢坯的温度模型采用热传导方程来表达，用差分算法来求解，钢坯为板坯，则T可以表达为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂T}{\∂t}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{c\ρ}}*\frac{{\∂}^{2}T}{\∂x^2}\\ T\left(x\right)=T_0\left(x\right)\\ \mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂x}{|}_{x=h}=q\\ \mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂x}{|}_{x=0}=0\end{array}\right.$

q为钢坯对外进行热交换的热流，表达式如下：

q(t)=ε·σ·{(T_G(t)+273)⁴-(T_S(t)+273)⁴}

其中：ε：炉内综合辐射系数，σ：Stiemann—Bltzmann常数，T_S(t)：钢坯表面温度，T_G(t)：退火炉炉气温度，R：圆钢半径，h：板坯厚度一半，c：钢坯的比热，ρ：钢坯的密度，λ：钢坯的导热系数。

6.根据权利要求1所述的一种辊底式退火炉温度控制方法，其特征在于，第二步中，把当前时刻退火炉炉内各个位置的热电偶温度，用直线连接起来，形成炉内的炉温曲线，再用钢坯所在的位置，进行插值，获得钢坯在炉内对应的炉气温度T_G，最后，利用钢坯的温度模型，采用步骤1给出的钢坯的温度模型计算钢坯平均温度T_act。

7.根据权利要求1所述的一种辊底式退火炉温度控制方法，其特征在于，第三步中，利用公式计算钢坯所在加热段段末的剩余加热时间t，其中，l是钢坯所在加热段的剩余长度，钢坯所在位置当前段的剩余长度为该段的物理长度减去钢坯当前位置距离该段入口的长度，V为工艺给定的各段的辊道速度。

8.根据权利要求1所述的一种辊底式退火炉温度控制方法，其特征在于，第四步中，利用公式求出钢坯所在段的前馈温度控制量，其中，i为段号，k_i为加热段的前馈控制系数k_i∈(0,1]，T_target为钢坯所在加热段的段末目标温度，T_pre为钢坯到达加热段段末的预报温度。

9.根据权利要求1所述的一种辊底式退火炉温度控制方法，其特征在于，第五步中，反馈控制量为反馈温度值，利用公式计算得出反馈温度值，其中，i为段号，β_i∈[0,1]为各段的反馈比例系数，T_target为钢坯所在加热段的段末目标温度，T_act为钢坯跟踪温度。

10.根据权利要求1所述的一种辊底式退火炉温度控制方法，其特征在于，第六步中，对辊底炉加热段进行“前馈+反馈”的温度设定控制。按照给定的周期对升温控制段的温度进行设定，均热段及其它段温度的设定值为工艺温度，加热各段炉气温度设定值为：其中i为升温控制段的段号，为工艺给出的各段炉温，为第i段的前馈控制量，为第i段的反馈控制量。