CN106191411B - 一种用于厚钢板热处理的在炉时间控制方法 - Google Patents
一种用于厚钢板热处理的在炉时间控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于厚钢板热处理的在炉时间控制方法，所述的控制方法由模型计算机利用给定的温度跟踪模型，对淬火炉采用最大可行温度，预测计算钢板的最小在炉时间，并且在钢板保温温度达到之前，采用预测的方法，计算钢板保温时间，提前启动淬火机，以便减少钢板出钢的滞后时间，使钢板在满足保温温度和保温时间的前提下，最快出炉，解决传统的厚钢板热处理过程在钢板出钢时产生滞后，热处理效率低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及金属热处理模型控制领域，特别是一种用于厚钢板热处理的在炉时间控制方法。
背景技术
淬火炉是热处理的核心设备，用于钢板的加热，使钢板处于均匀的奥氏体状态，为淬火提供必要的初始条件。可见，淬火炉是热处理工序中确保产品质量的核心环节，同时，也是能耗和污染大户。研究如何在确保加热质量的前提下，降低能耗、提高热处理效率是热处理行业非常关注的发展方向。其中，在现有设备不作改变的情况下，充分利用计算机模型与控制技术，提高热处理效率尤为重要。
先进的淬火炉控制，都配有计算机模型控制系统，整个热处理过程采用计算机系统自动控制，从钢板的装炉到加热完成后出炉的整个过程都是计算机自动控制。只要热处理钢板的数据送入到热处理的计算机系统内，热处理炉按照计算机的设定自动将炉温调整到要求的温度，同时辊道自动调整到满足加热时间所需的运行速度。
在模型计算机控制系统中，钢板的保温温度和保温时间是工艺给定的，模型根据钢板的品种和规格，采用经验公式确定钢板的加热时间以及标准的加热温度。这样的功能能够满足正常的生产运行，但是，产能没有得到充分发挥，不利于提高热处理设备的效率；而且钢板在满足保温温度和保温时间的情况下，向淬火机发出出钢信号，并且，只有在接收到淬火机水阀打开信号后，才能出钢，由于启动淬火机需要一定的时间，从而导致钢板出钢的滞后，这也不利于提高热处理设备的效率。从模型和控制的角度看，主要问题在于：缺少根据模型在线确定最小在炉时间的方法和最快出钢的控制方法。也就是说，在满足保温温度和保温时间的前提下，把钢板的在炉时间降低到最小。
申请号为CN03145514.X的专利“可缩短涂料干燥固化加热时间的强制对流加热方法”使加热炉内或加热炉的加热区内的温度比涂料干燥、或熔融、或流平、或固化所需要的温度高50℃至500℃，能够较大幅度地缩短加热时间；另一个是由于采用强制对流加热方式，可以采用各种燃料作为加热能源。该专利是针对涂料干燥固化加热的，无法用于提高厚板淬火炉的产量。
申请号为CN200610027091.3的专利“热轧加热炉板坯剩余在炉时间确定方法”该方法采用统计模型，按照历史和当前的节奏，预报板坯的剩余在炉时间，提高模型的预报精度，从而提高控制水平。尽管该专利也涉及到时间的计算，但是采用的方法和达到的目的，都使得该专利无法用于提高厚板淬火炉产量。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于厚钢板热处理的在炉时间控制方法，所述的控制方法根据钢板的温度跟踪模型，对淬火炉采用最大可行温度，计算钢板的最小在炉时间，并且在钢板保温时间达到之前，采用预测的方法，提前启动淬火机，以便减少钢板出钢的滞后时间，使钢板在满足保温温度和保温时间的前提下，最快出炉，用以解决传统的厚钢板热处理过程在钢板出钢时产生滞后，热处理效率低的问题。
为实现上述目的，本发明的方案是：一种用于厚钢板热处理的在炉时间控制方法，所述的控制方法由模型计算机根据钢板的温度跟踪模型，计算钢板的最小在炉时间，确定淬火炉内各控制段的温度，计算钢板的运行速度，并由热处理计算机根据模型计算机给出的计算参数来控制炉温和钢板运行速度，在钢板温度达到给定保温温度后，根据剩余保温时间来控制淬火机的启动时刻和出钢时刻；
所述控制方法的具体步骤如下：
(1)模型计算机获取钢板和淬火炉的相关参数信息，并给定钢板的保温温度、在炉时间和保温时间，所述的参数信息包括钢板的标准加热工艺、钢板的热物性参数、淬火炉综合辐射系数以及设备参数；
(2)根据步骤(1)中获取的相关参数信息以及钢板在淬火炉的控制段位置和淬火炉内热电偶的温度，采用基于热传导方程的钢板温度跟踪模型，对钢板沿厚度方向进行分层划分，实时计算淬火炉内钢板厚度方向的温度分布；
(3)淬火炉各控制段的温度采用最大可行炉温，将步骤(2)在初始时刻计算得到的钢板温度作为初始温度，并通过所述的钢板温度跟踪模型，对钢板沿厚度方向各层温度和钢板的平均温度进行预测计算，并记录预测的平均温度达到给定保温温度所用的时间，即预测的加热时间；
(4)用给定的在炉时间减去计算得到的预测加热时间，得到预测的保温时间，如果预测的保温时间和给定的保温时间偏差大于设定的误差，则对给定的在炉时间进行修正，并重复步骤(3)，直到预测的保温时间和给定的保温时间的偏差小于设定的误差，此时得到的修正后的在炉时间即为最小在炉时间；
(5)模型计算机记录钢板平均温度达到给定保温温度的控制段，该控制段之后的各控制段均采用与该控制段相同的炉温，该控制段之前的各控制段均采用最大可行炉温，并根据最小在炉时间，计算钢板满足预测加热时间的运行速度；
(6)由模型计算机将步骤(5)中得到的淬火炉各控制段的炉温及钢板运行速度发送给热处理计算机，由热处理计算机根据计算得到的钢板运行速度和各控制段炉温，调节淬火炉温度和辊道的运行速度；
(7)热处理计算机记录钢板平均温度达到保温温度的时刻，并实时计算剩余保温时间，当剩余保温时间小于淬火机的滞后时间时，启动淬火机，打开喷水阀门，当剩余保温时间等于零时，保温结束，执行出钢控制。
根据本发明所述的用于厚钢板热处理的在炉时间控制方法，所述的步骤(2)中，所述的钢板温度跟踪模型为：
其中，δ＝H/2，H为钢板厚度，m；为导温系数，m2/s；f0(x)为钢板厚度方向的初始温度分布，℃；qup为钢板上表面的热流，qlow为钢板下表面的热流，J；t为时间，s；c为钢板比热，J/(kg·K)；ρ为钢板密度，kg/m3；λ为钢板热导率，J/(m·s·K)。
根据本发明所述的用于厚钢板热处理的在炉时间控制方法，钢板上、下表面的热流分别为：
其中，Tup_gas为钢板所在位置上部炉气温度；Tlow_gas为钢板所在位置下部炉气温度， 是计算时升温段采用的炉温；fup_sur、flow_sur分别为钢板上下表面温度；σ为玻尔兹曼物理常数；εup、εlow分别为淬火炉上部和下部综合辐射系数，由埋偶实验确定。
根据本发明所述的用于厚钢板热处理的在炉时间控制方法，所述的步骤(4)中，对给定在炉时间进行修正的方法为：
t′0＝t0-△t
其中，t′0为对给定的在炉时间进行修正后的值，t0为给定的在炉时间，△t为预测的保温时间和给定的保温时间的偏差。
根据本发明所述的用于厚钢板热处理的在炉时间控制方法，所述的步骤(5)中，所述的钢板运行速度计算方法如下：
其中L为淬火炉炉长，l为钢板长度，tmin为计算得到的钢板最小在炉时间。
根据本发明所述的用于厚钢板热处理的在炉时间控制方法，所述的步骤(7)中，剩余保温时间为：
其中，TR为剩余保温时间，为给定的保温时间，tstart为钢板达到保温温度的时刻，tcurrent为当前时刻。
本发明达到的有益效果：本发明所述的控制方法淬火炉采用最大可行加热温度，利用钢板的温度跟踪模型，计算出钢板达到保温温度的最小在炉时间，并且在钢板保温时间达到之前，采用预测的方法，提前启动淬火机，以便减少钢板出钢的滞后时间。从而使淬火炉在钢板满足保温温度和保温时间的条件下，把钢板的在炉时间降低到最小，采用最短滞后时间出炉，实现钢板的最快出炉。这种模型控制方法，能够在确保产品加热质量的前提下，减少钢板总的在炉时间，提高淬火炉的产量，进而提高热处理效率，加快生产节奏。
附图说明
图1是本发明的控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步详细的说明。
本发明的控制方法将淬火炉采用最大可行加热温度，利用钢板的温度跟踪模型，计算出钢板达到保温温度的最小在炉时间，并且在钢板保温时间达到之前，采用预测的方法，提前启动淬火机，以便减少钢板出钢的滞后时间，提高热处理效率。如图1所示，本发明的具体工作过程如下：
1，模型计算机获取模型计算所需的相关参数信息，并给定钢板的保温温度、在炉时间和保温时间，所述的参数信息包括钢板类型、钢板的标准加热工艺、钢板的热物性参数、淬火炉综合辐射系数、淬火炉热电偶温度以及设备参数。
2，根据步骤1中获取的参数信息，实时计算钢板厚度方向的温度分布。
钢板温度跟踪模型f(x,t)为标准的一维热传导方程，形式如下：
其中，δ＝H/2，H为钢板厚度，m；为导温系数，m2/s；f0(x)为钢板厚度方向的初始温度分布，℃；qup为钢板上表面的热流，qlow为钢板下表面的热流，J；t为时间，s；c为钢板比热，J/(kg·K)；ρ为钢板密度，kg/m3；λ为钢板热导率，J/(m·s·K)。
qup、qlow的表达式分别为：
其中，Tup_gas为钢板所在位置上部炉气温度；Tlow_gas为钢板所在位置下部炉气温度， 是计算时升温段采用的炉温；fup_sur、flow_sur分别为钢板上下表面温度；σ为玻尔兹曼物理常数；εup、εlow分别为淬火炉上部和下部综合辐射系数，由埋偶实验确定。
3，进行加热工艺设定计算。
首先，根据给定的在炉时间t0和淬火炉各控制段的最大可行炉温，采用步骤2钢板温度跟踪模型计算的初始温度f0(x)，按照一定的计算周期，例如10秒钟，采用与步骤2相同形式的温度模型，对钢板厚度方向各层温度以及平均温度进行预测计算。记录钢板平均温度达到保温温度所用的时间，即预测的加热时间tpre，并利用给定的在炉时间t0减去预测的加热时间tpre，获得预测的保温时间ts，即：ts＝t0-tpre。
钢板厚度方向各层温度的预测计算方法为：
假设时间步长为△t，沿钢板厚度方向，从钢板下表面开始到上表面，将钢板划分为j＝1,2,3...N层，j＝1为第一层即下表面，j＝N为最后一层即上表面，△xj为j+1层和j层节点的距离。则根据初始时刻t钢板各层温度求得的t+△t时刻的各层温度为：
钢板平均温度的预测计算方法为：
其中，为钢板t时刻平均温度；
cpj为各层比热；
ft(j)为钢板内部温度。
其次，计算预测的保温时间ts和工艺给定的保温时间的偏差△t，即：
如果偏差|△t|大于给定的误差δ，则对给定在炉时间进行修正，修正后的给定在炉时间为t′0＝t0-△t，再重复上述计算过程，直到偏差|△t|小于给定的误差δ，最终获得钢板的最小在炉时间tmin＝t′0。
最后，记录达到保温温度的控制段k，控制段k之后的其余各控制段，可采用和控制段k相同的炉温，1-k段采用最大可行炉温，再根据最小在炉时间，计算钢板满足预测加热时间的运行速度。钢板的运行速度计算方法如下：
其中，L为淬火炉炉长，l为钢板长度，tmin为迭代计算得到的钢板最小在炉时间。
4，由模型计算机将淬火炉各控制段的炉温及钢板运行速度发送给热处理计算机，作为热处理计算机的设定参数，由热处理计算机调节淬火炉温度和辊道的运行速度。同时，热处理计算机记录钢板平均温度达到保温温度的时刻，并实时计算剩余保温时间，当剩余保温时间小于淬火机的滞后时间时，启动淬火机，打开喷水阀门，当剩余保温时间等于零时，保温结束，执行出钢控制。其中淬火机的滞后时间根据淬火机设备滞后特性确定。
剩余保温时间的计算方法为：
其中，TR为剩余保温时间，为给定的保温时间，tstart为钢板达到保温温度的时刻，tcurrent为当前时刻。
本发明的控制方法以达到钢板加热工艺要求的保温温度为目标，按照最大可行炉温，采用模型确定钢板的最小在炉时间，并且在钢板保温时间达到之前，采用预测的方法，提前启动淬火机，以便减少钢板出钢的滞后时间。本发明在不改变现有设备的前提下，仅通过模型控制软件，就能够做到尽量减少钢板总的在炉时间，加快生产节奏，提高淬火炉产能。
实施例：
下面以某低碳钢钢板，厚度40mm，长度5000mm为实例，对本发明做进一步详细的说明，本实施例中，用于上述钢板加热的辊底式淬火炉，沿长度方向分为10个控制段，每个控制段有上下两个炉温控制区。
1.通过模型计算机获取预测计算所需要的相关参数信息。
各控制段长度、标准工艺如下表1所示，该标准加热工艺的升温时间为43分钟，保温时间为14分钟。实施例钢种的物性参数如表2所示。
表1 淬火炉控制段长度及对应于钢板目标温度为910℃的标准工艺炉温
表2 钢板热物性参数
2.采用给定的温度跟踪模型，进行炉内钢板的温度计算，本实例中，温度模型的综合辐射系数为0.95。
3.进行加热工艺计算。
采用最大可行炉温，采用步骤2的温度模型，进行迭代计算，使得钢板满足加热工艺保温时间和保温温度的要求。
表3 本发明采用的工艺炉温
迭代计算的结果是：本发明控制方法的加热时间为39分钟，明显少于标准工艺的43分钟。考虑工艺给定的保温时间14分钟，则钢板的最小在炉时间为：tmin＝39min+14min＝53min。
热处理的长度为60.11m，钢板长度5m，钢板在热处理炉的运行速度为：
模型计算机把表3的各段炉温和钢板的运行速度V设定给基础自动化执行。
4.钢板出炉时刻控制。
首先记录步骤2温度跟踪模型计算的钢板的平均温度达到保温温度的时刻tstart，实时计算剩余保温时间TR，如果剩余保温时间TR不大于淬火机的滞后时间TD＝1.5min，则启动淬火机，打开喷水阀门；如果剩余保温时间TR为零，则执行出钢控制。
本发明在不改变现有设备的前提下，仅通过模型控制软件，使得钢板总的在炉时间从43min减少到39min，同时减少滞后时间1.5min，对比结果如表4所示，钢板总的在炉时间减少了5.5min，与标准工艺方法比较，节奏提高了9.4％，因而加快了生产节奏，提高了淬火炉产能。
表4.钢板在炉时间对比
| 方法类别 | 升温时间 | 保温时间 | 出钢滞后时间 | 总在炉时间 |
| 标准工艺方法 | 43min | 14min | 1.5min | 58.5min |
| 本发明方法 | 39min | 14min | 0min | 53min |
本发明根据钢种规格和设备的加热能力，采用模型确定钢板的最小在炉时间，能够克服采用经验方法加热时间长的缺点。根据保温时间和淬火机的滞后时间，采用预测的方法，提前启动淬火机，克服了现有技术钢板出炉滞后的缺陷。本专利在不改变现有设备的前提下，仅通过模型控制软件，就能够做到：尽量减少钢板总的在炉时间，加快生产节奏，提高淬火炉产能。
Claims (5)
1.一种用于厚钢板热处理的在炉时间控制方法，其特征在于：所述的控制方法由模型计算机根据钢板的温度跟踪模型，计算钢板的最小在炉时间，确定淬火炉内各控制段的温度，计算钢板的运行速度，并由热处理计算机根据模型计算机给出的计算参数来控制炉温和钢板运行速度，在钢板温度达到给定保温温度后，根据剩余保温时间来控制淬火机的启动时刻和出钢时刻；
所述控制方法的具体步骤如下：
(1)模型计算机获取钢板和淬火炉的相关参数信息，并给定钢板的保温温度、在炉时间和保温时间，所述的参数信息包括钢板的标准加热工艺、钢板的热物性参数、淬火炉综合辐射系数以及设备参数；
(2)根据步骤(1)中获取的相关参数信息以及钢板在淬火炉的控制段位置和淬火炉内热电偶的温度，采用基于热传导方程的钢板温度跟踪模型，对钢板沿厚度方向进行分层划分，实时计算淬火炉内钢板厚度方向的温度分布；
(3)淬火炉各控制段的温度采用最大可行炉温，将步骤(2)在初始时刻计算得到的钢板温度作为初始温度，并通过所述的钢板温度跟踪模型，对钢板沿厚度方向各层温度和钢板的平均温度进行预测计算，并记录预测的平均温度达到给定保温温度所用的时间，即预测的加热时间；
(4)用给定的在炉时间减去计算得到的预测加热时间，得到预测的保温时间，如果预测的保温时间和给定的保温时间偏差大于设定的误差，则对给定的在炉时间进行修正，并重复步骤(3)，直到预测的保温时间和给定的保温时间的偏差小于设定的误差，此时得到的修正后的在炉时间即为最小在炉时间；
(5)模型计算机记录钢板平均温度达到给定保温温度的控制段，该控制段之后的各控制段均采用与该控制段相同的炉温，该控制段之前的各控制段均采用最大可行炉温，并根据最小在炉时间，计算钢板满足预测加热时间的运行速度；
(6)由模型计算机将步骤(5)中得到的淬火炉各控制段的炉温及钢板运行速度发送给热处理计算机，由热处理计算机根据计算得到的钢板运行速度和各控制段炉温，调节淬火炉温度和辊道的运行速度；
(7)热处理计算机记录钢板平均温度达到保温温度的时刻，并实时计算剩余保温时间，当剩余保温时间小于淬火机的滞后时间时，启动淬火机，打开喷水阀门，当剩余保温时间等于零时，保温结束，执行出钢控制。
2.根据权利要求1所述的用于厚钢板热处理的在炉时间控制方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，所述的钢板温度跟踪模型为：
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其中，δ＝H/2，H为钢板厚度，m；为导温系数，m2/s；f0(x)为钢板厚度方向的初始温度分布，℃；qup为钢板上表面的热流，qlow为钢板下表面的热流，J；t为时间，s；c为钢板比热，J/(kg·K)；ρ为钢板密度，kg/m3；λ为钢板热导率，J/(m·s·K)；Tup_gas为钢板所在位置上部炉气温度；Tlow_gas为钢板所在位置下部炉气温度， 是计算时升温段采用的炉温；fup_sur、flow_sur分别为钢板上下表面温度；σ为玻尔兹曼物理常数；εup、εlow分别为淬火炉上部和下部综合辐射系数，由埋偶实验确定。
3.根据权利要求1所述的用于厚钢板热处理的在炉时间控制方法，其特征在于，所述的步骤(4)中，对给定在炉时间进行修正的方法为：
t′0＝t0-Δt
其中，t′0为对给定的在炉时间进行修正后的值，t0为给定的在炉时间，Δt为预测的保温时间和给定的保温时间的偏差。
4.根据权利要求1所述的用于厚钢板热处理的在炉时间控制方法，其特征在于，所述的步骤(5)中，所述的钢板运行速度计算方法如下：
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其中L为淬火炉炉长，l为钢板长度，tmin为计算得到的钢板最小在炉时间。
5.根据权利要求1所述的用于厚钢板热处理的在炉时间控制方法，其特征在于，所述的步骤(7)中，剩余保温时间为：
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其中，TR为剩余保温时间，为给定的保温时间，tstart为钢板达到保温温度的时刻，tcurrent为当前时刻。
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