CN104498702A - 一种步进式加热炉及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种步进式加热炉及其使用方法，主要包括如下步骤：加热炉结构的优化和确定最优炉温分布状态并建立钢胚温度预报模型。本发明的有益效果是：加热炉是一类存在着时变、滞后、多变量、分布式参数、耦合等特点的复杂的工业控制对象，其目标是生产出满足轧钢机轧制要求的钢坯，主要的约束条件是钢坯的表而温度及满足温差满足相轧钢机的生产条件，对加热炉进行控制的方法是通过控制加热炉各段炉温来实现钢坯的温度分布要求；建立了钢胚温度预报模型，对加热炉加热温度进行优化，进一步降低了加热炉的能耗，提高了加热炉加热钢胚的效率。

Description

一种步进式加热炉及其使用方法

技术领域

本发明涉及钢铁制造技术领域，具体涉及一种可有效减少能耗，提高加热炉加热效率的一种步进式加热炉及其使用方法。

背景技术

随着现代化生产过程越来越复杂，规模越来越庞大以及原材料的短缺和能源危机的影响，企业间的竞争日趋激烈。相应的人们对于如何最大程度地捉高生产效率，提商产品的质量，降低生产成本的要求也是越来越高，因此对于整个工业过程控制提出了很高的要求。

钢铁工业是能源消耗的大户，其中仅加热炉的能耗就占到了钢铁生产企业总能耗的四分之一，提高加热炉的加热效率，降低能耗，对实现整个钢铁工业的节能降耗有着重要的意义，因此，对钢胚加热炉的优化控制在国内外都得到了重视。同时，随着现代化轧机向着连续、大型、高速、高精度和多品种方向发展，对钢坯的加热质量提出了越来越高的要求。

轧钢生产企业中的能量消耗主要分为两部分：钢坯在加热炉中加热时的能量消耗和轧制工序的能量消耗。钢坯出炉温度的分布情况要综合考虑加热能耗和轧制能耗，并且随着轧制温度的降低，轧制能耗会有所增加，而加热能耗则会显著降低，二者存在着一定的比例关系。生产实际表明，如果由于降低钢坯出炉温度而使得轧机能耗增加百分之一，则加热炉的能耗会相应地降低百分之十，所以低温轧制工艺在钢坯生产中得到了广泛的应用。因此，提高加热炉的加热效率、降低加热能耗，对整个钢铁工业降低生产成本和节能降耗是很有意义的。如何在保证被加热钢坯能够进行有效轧制的前提下，最大限度地降低加热能耗，已经成为冶金工业控制技术研究的重要方向。

加热炉控制的主要目标之一是炉温的动态实时最佳决策，其依据是钢胚产生的要求和钢坯的温度分布情况，由于在实际的生产过程中还无法实现钢坯温度的实时测量，所以建立能够准确预报钢坯在加热炉被加热过程中的温度分布显得很重要了。以往研究者的工作重点大多集中在寻找钢坯升温过程的多元回归模型，对于利用机理模型来计算钢坯温度的升温状况也大多选用一维热传导方程，而在利用状态空间方法计算加热炉内的钢坯温度分布时，多数模型都把钢坯的热物性参数设为定值，且边界条件被近似为热吸收率系数的函数，在工况变化较大时需要通过实验重新确定边界条件。

在加热炉炉温优化控制中，加热炉的优化控制指标应与生产目标一致，但实际生产中，优化指标很难把生产目标全部包括进来，因此在优化控制过程中如何选取优化栺标很关键，以往的研究对这个课题没能很好的体现。同时，目前对加热炉进行优化控制的方法大多集中于加热炉本身，而并没有把加热炉和轧钢机作为一个有机的整体进行考虑，这就造成优化控制策略常表现为局部最优。对加热炉进行以节能降耗为目标的优化控制研究，应该在考虑加热炉最优控制的同时，兼顾轧制工序的顺利生产和节能降耗。目前这一想法的实现还存在一定的困难。主要是由加热炉综合优化控制的复杂性所造成的。首先很多因素都会对加热炉的正常运行工况产生影响，比如产量波动、加热钢坯种类的变化、轧制节奏的变化等。另一方面，轧制机组生产过程的控制技术所要解决的问题主要集中在提高轧制成品的质量和提高轧制生产效率上面，轧钢过程与加热炉生产过程还是比较独立的，因此，如何对加热炉进行基于轧制生产信息反馈的综合优化控制，是一个有待解决的问题。

发明内容

本发明目的是提供一种可有效提高加热炉效率、降低加热炉能耗的一种步进式加热炉及其使用方法。

本发明为解决上述问题由如下技术方案来实现：

一种步进式加热炉及其使用方法，主要包括如下步骤：

(1)加热炉的优化：

将加热炉划分为预热段、一号加热段、二号加热段和匀热段，加热炉顶部设有两块隔热墙，加热炉中间高度设有梁；

(2)确定最优炉温分布状态并建立钢胚温度预报模型：

假设钢坯的热物性参数为定值，并且无内热源，取钢坯内的一个微小原体，令边长分别为dx、dy、dz，时间为dt，则在单位时间内，沿x轴方向导入的热量为：

微元的温度增量为右面的温度为则通过右面所导出的热量为：

${\mathrm{dQ}}_{x+x+\mathrm{dx}}=-\mathrm{\λ}\frac{\∂}{\∂x(T+\frac{\∂T}{\∂x}\mathrm{dx})\mathrm{dydzdt}}$

则微元体所得到的总热量为：

$\mathrm{dQ}=\mathrm{\λ}(\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂x}^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂y}^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂z}^2})\mathrm{dxdydzdt}$

上面各式中λ为导热系数，

根据工艺分析，实际炉温分布可以用沿着炉长方向下凹曲线形如T_炉(S)＝d₀+d₁s+d₂S²的形式来描述炉温的分布，d₀、d₁、d₂为炉温分布函数的系数，S为距离加热炉入口处的距离；所以，如果能够求得炉温分布函数的系数d₀、d₁、d₂就可以确定最优的炉温分布曲线。

进一步，步骤(1)所述加热炉的使用具体步骤如下：

钢坯进入加热炉之后，要通过预热段进行充分的预热，从而提高燃料的利用率，钢坯在加热初期会因温差过大而产生热应力，因此要求控制温升速度，然后进入加热段进行强化加热使得钢坯的平均温度达到轧制要求，最后进入均热段进行均热，使钢坯内外温度趋于一致；

加热炉的步进梁仲到钢坯底部的辊道之间，步进梁上升，将钢坯抬起一定高度，前进一段距离后停止，下降将钢坯放到固定梁上，步进梁继续下降脱离钢坯，到位后再后退回到下一原位，然后重复上述动作，如此循环往复，使得钢坯步进式地前进，循环经过加热炉的各段，最后把加热好的钢坯送到出钢端的出钢悬臂辊道上，然后由该组辊道将其运送出炉，经过高压水除磷后传送到轧机进行轧制；

其中，预热段的长度较长，可以充分利用烟气来预热装炉钢坯，钢坯经过预热段后进入加热段，加热段是加热炉中最重要的部分，钢坯在加热段被加热的程度决定了钢坯是否能被烧透，是否能够在加热炉的出口实现钢坯温度理想分布，均热段主要是将钢坯均匀加热到规定的出钢温度，若均热段温度过高，将出现钢体打滑现象，温度过低，则无法出钢，钢坯在加热炉中的加热过程中，同高温炉气、炉墙之间进行热量的交换，从而达到升温的目的。

本发明的有益效果是：加热炉是一类存在着时变、滞后、多变量、分布式参数、耦合等特点的复杂的工业控制对象，其目标是生产出满足轧钢机轧制要求的钢坯，主要的约束条件是钢坯的表而温度及满足温差满足相轧钢机的生产条件，对加热炉进行控制的方法是通过控制加热炉各段炉温来实现钢坯的温度分布要求；

建立了钢胚温度预报模型，对加热炉加热温度进行优化，进一步降低了加热炉的能耗，提高了加热炉加热钢胚的效率。

附图说明

图1为本发明步进式加热炉结构示意图；

图2为本发明最优炉温分布曲线。

具体实施方式

为了使本发明的内容更容易被轻松地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明进一步详细地说明。

一种步进式加热炉及其使用方法，主要包括如下步骤：

(1)加热炉的优化：

如图1所示，将加热炉划分为预热段6、一号加热段5、二号加热段4和匀热段3，加热炉顶部设有两块隔热墙1，隔热墙1用于减少二号加热段热量4散失，加热炉中间高度设有梁2；具体操作步骤为：

钢坯进入加热炉之后，要通过预热段进行充分的预热，从而提高燃料的利用率，钢坯在加热初期会因温差过大而产生热应力，因此要求控制温升速度，然后进入一号加热段5和二号加热段4进行强化加热使得钢坯的平均温度达到轧制要求，最后进入均热段进行均热，使钢坯内外温度趋于一致；

加热炉的步进梁2仲到钢坯底部的辊道之间，步进梁2上升，将钢坯抬起一定高度，前进一段距离后停止，下降将钢坯放到固定梁2上，步进梁2继续下降脱离钢坯，到位后再后退回到下一原位，然后重复上述动作，如此循环往复，使得钢坯步进式地前进，循环经过加热炉的各段，最后把加热好的钢坯送到出钢端的出钢悬臂辊道上，然后由该组辊道将其运送出炉，经过高压水除磷后传送到轧机进行轧制；

其中，预热段的长度较长，可以充分利用烟气来预热装炉钢坯，钢坯经过预热段后进入一号加热段5和二号加热段4，一号加热段5和二号加热段4是加热炉中最重要的部分，钢坯在一号加热段5和二号加热段4被加热的程度决定了钢坯是否能被烧透，是否能够在加热炉的出口实现钢坯温度理想分布，均热段主要是将钢坯均匀加热到规定的出钢温度，若均热段温度过高，将出现钢体打滑现象，温度过低，则无法出钢，钢坯在加热炉中的加热过程中，同高温炉气、炉墙之间进行热量的交换，从而达到升温的目的。

(2)确定最优炉温分布状态并建立钢胚温度预报模型：

假设钢坯的热物性参数为定值，并且无内热源，取钢坯内的一个微小原体，令边长分别为dx、dy、dz，时间为dt，则

在单位时间内，沿x轴方向导入的热量为：

微元的温度增量为右面的温度为则通过右面所导出的热量为：

${\mathrm{dQ}}_{x+x+\mathrm{dx}}=-\mathrm{\λ}\frac{\∂}{\∂x(T+\frac{\∂T}{\∂x}\mathrm{dx})\mathrm{dydzdt}},$

则微元体所得到的总热量为：

$\mathrm{dQ}=\mathrm{\λ}(\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂x}^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂y}^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂z}^2})\mathrm{dxdydzdt},$

上面各式中λ为导热系数，

根据工艺分析，实际炉温分布可以用沿着炉长方向下凹曲线形如T_炉(S)＝d₀+d₁s+d₂S²的形式来描述炉温的分布，d₀、d₁、d₂为炉温分布函数的系数，S为距离加热炉入口处的距离；所以，如果能够求得炉温分布函数的系数d₀、d₁、d₂就可以确定最优的炉温分布曲线，如图2所示。

加热炉在生产过程中是有其生产目标的，即在保证出炉时刻钢坯的表面温度分布和中心温度分布达到要求的同时，兼顾加热炉的燃料消耗最少，钢坯的氧化烧损量最小等指标，因此本文建立了炉温优化目标函数，因为最优炉温优化目标的求解过程包含有钢坯表面和中心温度分布的信息，所以本文针对所研究的钢坯建立了钢坯温度的预报模型。

最优炉温分布的求解就是对炉温优化的目标函数的迭代寻优过程，由于热轧生产过程中有很多的生产目标，所以我们将比较重要的生产目标设定为约束条件，由于炉温优化目标函数非常复杂难于求解，采用常规的优化方法求解困难较大，本文可采用智能搜索算法-遗传算法进行了相关参数的求解。

建立了不同于传统控制方式的基于分散推理结构的炉温优化方法对加热炉炉温进行优化控制，模糊控制的优点是不需要机理模型为依据，是一种基于语言规则推理的全新控制方式，针对加热炉这种复杂多变的研究对象，模糊控制方法的引入是合理的，采用的二维模糊控制系统作为摸糊控制的具体形式，把钢坯温度偏差和温度偏差的变化率和作为控制系统的输入，充分考虑到了控制的速度和精度问题。

以上显示和描述了本发明的基本原理、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 (2)

1.一种步进式加热炉及其使用方法，其特征在于：主要包括如下步骤：

(1)加热炉的优化：

将加热炉划分为预热段、一号加热段、二号加热段和匀热段，加热炉顶部设有两块隔热墙，加热炉中间高度设有梁；

(2)确定最优炉温分布状态并建立钢胚温度预报模型：

假设钢坯的热物性参数为定值，并且无内热源，取钢坯内的一个微小原体，令边长分别为dx、dy、dz，时间为dt，则在单位时间内，沿x轴方向导入的热量为： ${\mathrm{dQ}}_x=-\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂x}\mathrm{dydzdt},$

微元的温度增量为右面的温度为则通过右面所导出的热量为：

${\mathrm{dQ}}_{x+x+\mathrm{dx}}=-\mathrm{\λ}\frac{\∂}{\∂x(T+\frac{\∂T}{\∂x}\mathrm{dx})\mathrm{dydzdt}}$

则微元体所得到的总热量为：

$\mathrm{dQ}=\mathrm{\λ}(\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂x}^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂y}^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂z}^2})\mathrm{dxdydzdt}$

上面各式中λ为导热系数，

根据工艺分析，实际炉温分布可以用沿着炉长方向下凹曲线形如T_炉(S)＝d₀+d₁s+d₂S²的形式来描述炉温的分布，d₀、d₁、d₂为炉温分布函数的系数，S为距离加热炉入口处的距离；所以，如果能够求得炉温分布函数的系数d₀、d₁、d₂就可以确定最优的炉温分布曲线。

2.根据权利要求1所述的一种步进式加热炉及其使用方法，其特征在于：步骤(1)所述加热炉的使用具体步骤如下：

钢坯进入加热炉之后，要通过预热段进行充分的预热，从而提高燃料的利用率，钢坯在加热初期会因温差过大而产生热应力，因此要求控制温升速度，然后进入加热段进行强化加热使得钢坯的平均温度达到轧制要求，最后进入均热段进行均热，使钢坯内外温度趋于一致；

加热炉的步进梁仲到钢坯底部的辊道之间，步进梁上升，将钢坯抬起一定高度，前进一段距离后停止，下降将钢坯放到固定梁上，步进梁继续下降脱离钢坯，到位后再后退回到下一原位，然后重复上述动作，如此循环往复，使得钢坯步进式地前进，循环经过加热炉的各段，最后把加热好的钢坯送到出钢端的出钢悬臂辊道上，然后由该组辊道将其运送出炉，经过高压水除磷后传送到轧机进行轧制；

其中，预热段的长度较长，可以充分利用烟气来预热装炉钢坯，钢坯经过预热段后进入加热段，加热段是加热炉中最重要的部分，钢坯在加热段被加热的程度决定了钢坯是否能被烧透，是否能够在加热炉的出口实现钢坯温度理想分布，均热段主要是将钢坯均匀加热到规定的出钢温度，若均热段温度过高，将出现钢体打滑现象，温度过低，则无法出钢，钢坯在加热炉中的加热过程中，同高温炉气、炉墙之间进行热量的交换，从而达到升温的目的。