CN109055711A - 一种连退机组炉区吨钢能耗的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种连退机组炉区吨钢能耗的获取方法，包括如下步骤，S1：获取带钢的训练参数，所述训练参数包括带钢的带宽l、带钢的密度ρ、带钢的带厚d和带钢的带速v；S2：构建单位时间带钢动能能耗模型求得Q_动，构建单位时间内连退机组炉区能耗模型求得Q_燃，Q_燃为单位时间内连退机组炉区总的热收入，Q_动为单位时间内带钢动能能耗；S3：连退机组炉区吨钢能耗的计算公式为，m为单位时间内进入连退机组炉区的带钢质量，通过连退机组炉区吨钢能耗的计算公式来获取连退机组炉区吨钢的能耗Q_吨，以为优化连退机组炉区和节约产能、降低成本提供理论基础。

Description

一种连退机组炉区吨钢能耗的获取方法

技术领域

本发明涉及连退机组的能耗优化技术领域，尤其涉及一种连退机组炉区吨钢能耗的获取方法。

背景技术

现如今中国已成为是全球的最大钢铁生产国，同时我国的铁矿石进口量也居于首位。仅2017一年，全球粗钢总产量高达16.912亿吨，其中中国粗钢产量为8.32亿吨，占全球总产量的49.7％，全球近50％的铁矿石都是被我国消费。钢铁作为工业的粮食，是人类生产活动过程中应用最多一种金属，具有使用强度高、机械性能优越、品种多样、矿产资源丰富、成本低以及易于生产等优点，在生活中各大领域得到了广泛的应用，并已经成为工业中必不可少的战略性物资，因而钢铁行业是已成为衡量一个国家工业发展程度的重要标志之一，也是我国实体经济的支柱之一。

建立连续退火产线退火炉的吨钢能量消耗模型，不仅可以用于描述和评估连退机组的能源使用情况，还可以知道后续的能量效率的优化研究。在当前的能效评估的研究中，在连续退火产线的研究中比较少，而“能量流(Energy Flow)”已经成为一种评估制造业能效的有效方法，并且在机床领域的研究已经达到了比较成熟的层次，Senthikumaar以最小刀具磨损和表面粗糙度为目标，优化车削Inconel 718时的工艺参数(Senthilkumaar J S,SelvaraniΡ,Arunachalam R M.Intelligent optimization and selection ofmachining parameters in finish turning and facing of Inconel 718.TheInternational Journal of Advanced Manufacturing Technology,2012,58(9-12):885-894.)。Kant(2014)建立能源消耗和表面粗糙度预测模型，通过响应曲面法优化能源消耗及表面粗糙度以获得最优工艺参数(Kant G,Sangwan K S.Ρrediction and optimizationof machining parameters for minimizing power consumption and surfaceroughness in machining.Journal of CleanerΡroduction,2014,83:151-164.)。Chauhan以生产总成本及单位生产成本为目标，通过TDΡSO算法对多工步车削过程工艺参数进行优化(Kant G,Sangwan K S.Ρrediction and optimization of machiningparameters for minimizing power consumption and surface roughness inmachining.Journal of Cleaner Ρroduction,2014,83:151-164.)。

钢铁行业工艺系统参数优化研究较少，Mehrdad基于遗传算法，利用一个多目标函数对冷轧损伤和能耗进行优化，首次实现用损伤力学优化建模，并提出了轧制时间表的概念(MehrdadΡoursina,etc.Application of genetic algorithms to optimization ofrolling schedules based on damage mechanics.Simulation Modeling Ρractice andTheory,2012(22):61-73.)。N Hajaliakbari建立了带钢吸收热量的数学模型，通过对带钢宽度、厚度、速度等参数优化，研究加热炉的最优效率(N Hajaliakbari,SHassanpour.Analysis of thermal energy performance in continuous annealingfurnace.Applied Energy,2017,206:829-842.)。

综述所述，目前工艺参数优化存在的问题主要有两点：

(1)现有的工艺参数优化的研究，主要对工时、成本、质量等目标进行重组、优化，而以能量效率为目标的研究少，而冷轧工艺系统能效研究就更少；

(2)在冷轧工艺系统能效的研究中，更多的研究侧重于单参数对能耗的影响，而忽略了多个参数之间相互联系对能耗的影响关系。

连续退火工艺作为钢铁生产的主要工序，其消耗的能量总量巨大，即使是很小比例的优化也能够节约很可观的能量输入。然而产线机组包含的工艺参数与钢种参数很多，生产过程复杂，少部分研究都是针对保温方式和废热回收上，没有针对工艺参数的研究上，也缺少一个工艺参数与能耗之间的能量模型，因此本发明主要着力于工艺参数和吨钢能耗之间的能量关系，为之后的多工艺参数优化工作提供基础。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种连退机组炉区吨钢能耗的获取方法，用于计算和评估吨钢的能耗，以为优化连退机组炉区和节约产能、降低成本提供理论基础。

本发明的实施例提供一种连退机组炉区吨钢能耗的获取方法，包括如下步骤，

S1：获取带钢的训练参数，所述训练参数包括带钢的带宽l、带钢的密度ρ、带钢的带厚d和带钢的带速v；

S2：构建单位时间带钢动能能耗模型求得Q_动，构建单位时间内连退机组炉区能耗模型求得Q_燃，Q_燃为单位时间内连退机组炉区总的热收入，Q_动为单位时间内带钢动能能耗；

S3：连退机组炉区吨钢能耗的计算公式为，

m为单位时间内进入连退机组炉区的带钢质量，通过连退机组炉区吨钢能耗的计算公式来获取连退机组炉区吨钢的能耗Q_吨。

进一步地，单位时间带钢动能的能耗包括对带钢加速到稳定运行时的能耗E_k1、使带钢从稳定运行减速到静止时的能耗E_k2和带钢稳定运行时的能耗E_k3，E_k1＝E_k2＝E_k，E_k为带钢达到稳定运行时的动能，E_k3<<E_k，故E_k3忽略不计，Q_动＝2E_k＝ldρv³。

进一步地，Q_燃＝q_总αQ_d

q_总为通入连退机组炉区内的燃气的总通气量，α为空气过剩系数，Q_d为燃烧气体热值。

进一步地，获取单位时间内带钢加热带走的能量Q₁、单位时间内废气带走的能量Q₂、通过炉壁的热对流和热辐射散失的能量Q₃、加热保护气体消耗的能量Q₄和预热助燃气消耗的能量Q₅，Q₁、Q₂、Q₃、Q₄和Q₅为连退机组炉区的热支出，通过连退机组炉区的热平衡，得到连退机组炉区热平衡方程，

Q_燃＝Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+Q₅。

进一步地，连退机组炉区包括预热炉、加热炉和退火炉，通过带钢出加热炉的温度T₁和环境温度T₀计算单位时间内带钢加热带走的能量Q₁：

G(τ)为钢带的定比压热容，τ为加热过程中的温度，

G(τ)＝1.34×10^-11τ⁵-3.7×10^-8τ⁴+4.007×10^-5τ³-0.02101τ²+5.672τ-179.6

通过废气热容C_f、单位理论助燃气消耗量L₀和废气出热交换器的温度T₃计算单位时间内废气带走的能量Q₂：

计算炉壁的热对流和热辐射散失的能量Q₃：

J取值1、2、3，分别对应预热炉、加热炉、均热炉；i取值1、2、3、4，分别对应炉壁、炉顶、炉底及炉门；An为对应对象的内表面积，Aw为对应对象的外表面积，T₄为炉内温度；α_n为炉壁内表面传热系数，T4≤823K时，α_n≈9.3+0.058T₁，T4＞823K时，1/α_n忽略不计；α_w为炉壁外表面传热系数，δ_k为炉壁各层材料厚度，λ_k为炉壁各层材料的热导率；

计算加热保护气体消耗的能量Q₄，

q_b为对应炉区保护气通入量，C_b为保护气体热容，T₆为保护气体出退火炉的温度，T₇为保护气体进退火炉的温度；

计算预热助燃气消耗的能量Q₅，

Q₅＝q_总L₀C_k(T₈-T₀)

C_k为空气的热容，T₈为进入烧嘴时空气预热温度。

进一步地，

进一步地，保护气体的成分为95％的N₂+5％的H₂。

进一步地，燃气为25％的焦炉煤气+75％的混合煤气，燃烧气体热值Q_d＝7530±418kJ/Nm³。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明所述的连退机组炉区吨钢能耗的获取方法，采用了完善的计算方法考虑能耗与吨钢各工艺参数与加工参数之间存在的关系，意义明显、合理、简单而准确，解决了吨钢在连续退火产线退火炉的能耗计算问题，能够有效的为后续研究能量效率优化研究提供基础，也可进行加工能耗评估与预测。

附图说明

图1是本发明连退机组炉区吨钢能耗的获取方法的步骤图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本发明的实施例提供了一种连退机组炉区吨钢能耗的获取方法，可对带钢生产过程中的吨钢能耗进行计算和评估，并加以优化和调整，达到节约产能降低成本的目的，该计算方法包括如下步骤：

S1：获取带钢的训练参数，所述训练参数包括带钢的带宽l、带钢的密度ρ、带钢的带厚d和带钢的带速v等自变量参数和因变量参数。在本发明中，带钢实际的产品尺寸如带宽l、带厚d、密度ρ等结合连退机组炉对带钢加工的工艺参数如带速v等为自变量，通过这些自变量的改变二变化的参数为因变量，如通气量等，通过自变量与因变量之间的计算关系来指导生产，也可对新钢种的加工进行吨钢能耗预测以确定新的生产工艺。

S2：构建单位时间带钢动能能耗模型求得Q_动，构建单位时间内连退机组炉区能耗模型求得Q_燃，Q_燃为单位时间内连退机组炉区总的热收入，Q_动为单位时间内带钢动能能耗。

吨钢的能量消耗更能直观的反应冷轧工艺的优劣。在以吨钢能耗作为目标函数时，考虑实际生产中的能量消耗，带钢的动能是不可忽视的一环，因此这里引入带钢动能来表征对吨钢能耗的影响。带钢在开卷加速与收卷的减速过程中，其所消耗的能耗较为巨大，不容忽视，而在其稳定运行过程中，其受到摩擦等阻力或者所需的牵引力非常小，其稳定运行时的动能能耗E_k3远小于对带钢加速到稳定运行时的能耗E_k1或者使带钢从稳定运行减速到静止时的能耗E_k2。故吨钢在单位时间内的动能能耗Q_动主要包括括对带钢加速到稳定运行时的能耗E_k1和使带钢从稳定运行减速到静止时的能耗E_k2两部分能耗，这两部分能耗近似相等或者相等，且等于或者约等于带钢达到稳定运行时的动能E_k，即，E_k1＝E_k2＝E_k，或者E_k1≈E_k2≈E_k。在本发明中，忽略E_k3不计，单位时间带钢动能能耗模型为：利用该模型来计算Q_动，m为单位时间内进入连退机组炉区的带钢质量，m＝ldρv。

在本领域中，Q_动和E_k的单位均为kJ/min，m的单位为kg/min，ν的单位为m/min，l的单位为mm；d的单位为mm；ρ的单位为t/m³。故在计算Q_动需要对模型中的等式就行变换：

本发明实施例中的连退机组炉区包括预热炉、加热炉和退火炉，加热炉包括加热段和均热段，燃料燃烧主要集中在加热段和均热段，加热炉中总共具有14组燃气通道，加热段主要用于将带钢从常温加热到退火所需温度，因此占用12道燃气通道，而均热段主要是维持带钢温度不变，因此所需燃料不多，仅需2道燃气管道就足够，燃烧过程释放出来的能量与单位时间内通气流量有关，故单位时间内连退机组炉区能耗模型为Q_燃＝q_总αQ_d，q_总为通入连退机组炉区内的燃气的总通气量，α为空气过剩系数，Q_d为燃烧气体热值。

本发明实施例采用燃气加热，在连退机组炉区中，采用的燃气为煤气，且煤气为25％的焦炉煤气+75％的混合煤气，热值为Q_d＝7530±418kJ/Nm³。

由连退机组炉区的热平衡可知，单位时间内连退机组炉区总的热收入Q_燃应该等于单位时间内连退机组炉区总的热支出，为了更好的研究和掌握连退机组炉区的能量消耗之间的相互关系，可以用总的热支出代替总的热收入进行对吨钢能耗的评估和计算。

热支出包括单位时间内带钢加热带走的能量Q₁、单位时间内废气带走的能量Q₂、通过炉壁的热对流和热辐射散失的能量Q₃、加热保护气体消耗的能量Q₄和预热助燃气消耗的能量Q₅，Q₁、Q₂、Q₃、Q₄和Q₅之和为总的热支出，即Q_燃＝Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+Q₅。可以通过现有的一些检测方式获取Q₁、Q₂、Q₃、Q₄和Q₅，本发明的实施例采用S1获取的自变量参数和因变量参数通过的计算方式来计算Q₁、Q₂、Q₃、Q₄和Q₅。

(1)计算单位时间内带钢加热带走的能量Q₁：

通过带钢出加热炉的温度T₁和环境温度T₀计算单位时间内带钢加热带走的能量Q₁：

G(τ)为钢带的定比压热容，τ为加热过程中的温度。

计算带钢的温升时，把带钢密度ρ看做常数，定比压热容G(τ)是变量。无论是常规对流换热、冲击射流对流换热还是辐射换热，计算带钢温升时，都可使用带钢传导传热计算模型。由于带钢的加热温度幅度很大，最大温度幅度从室温15℃上升至退火所需温度，定比压热容G(τ)的变化值最大可达150～200J/(kg·℃)，因此不能将带钢的定比压热容作为常量带入计算。在绝对温度τ＝100K～1500K范围内，带钢定比热容G(τ)为：

G(τ)＝1.34×10^-11τ⁵-3.7×10^-8τ⁴+4.007×10^-5τ³-0.02101τ²+5.672τ-179.6

通过查阅资料，确定了不同钢种对应的退火温度，如下表1所示。

表1连续退火钢种退火最终温度

(2)计算单位时间内废气带走的能量Q₂：

通过废气热容C_f、单位理论助燃气消耗量L₀和废气出热交换器的温度T₃计算单位时间内废气带走的能量Q₂：

其中，

在热处理过程中，很多热量都是通过废气带走散失浪费掉，此处计算的是辐射管燃烧结束，通过热交换器后废气所带走的余热。本发明实施例中，废气热容C_f为0.0015MJ/(m3·K)，最终离开热交换器温度T₃为150℃。

(3)计算通过炉壁的热对流和热辐射散失的能量Q₃：

J取值1、2、3，分别对应预热炉、加热炉、均热炉；i取值1、2、3、4，分别对应炉壁、炉顶、炉底及炉门；An为对应对象的内表面积，Aw为对应对象的外表面积，T₄为炉内温度；α_n为炉壁内表面传热系数，T4≤823K时，α_n≈9.3+0.058T₁，T4＞823K时，1/α_n忽略不计；α_w为炉壁外表面传热系数，δ_k为炉壁各层材料厚度，λ_k为炉壁各层材料的热导率。

退火段炉壁的能量散失由墙壁的热辐射与对流换热组成，在连续退火过程中，是一个稳态过程，其热散失还与炉温、炉壁材料等因素密切相关，在计算炉壁的热散失过程中，通过热力学知识，计算带钢的热平衡方程计算炉温，然后计算炉壁材料热散失过程得到最终的炉壁表面散热量量Q₃。

(4)计算加热保护气体消耗的能量Q₄：

q_b为对应炉区保护气通入量，C_b为保护气体热容，T₆为保护气体出退火炉的温度，T₇为保护气体进退火炉的温度。

在退火产线，带钢在加热过程中，不可能完全封闭加热炉，这就会导致在炉内不可避免的带入一定空气，并使得带钢被氧化，而保护气体的成分为95％的N₂+5％的H₂，用于保护带钢被氧化，同时对于已经氧化部分，可以被保护气体中还原性气体H₂还原，以保证加工的质量，而保护气体在加热炉中也会被加热而带走一部分能量，即Q₄。保护气体中，预热区最终加热温度为428℃，加热与均热区保护气体温度与炉温相等。

(5)计算预热助燃气消耗的能量Q₅：

Q₅＝q_总L₀C_k(T₈-T₀)

C_k为空气的热容，T₈为进入烧嘴时空气预热温度。

空气作为助燃气体参与到加热过程中，在保证加热效率的前提下，通过预热空气能提高能量利用效率，在连退产线，空气一般会被预热到450℃然后在进入辐射管进行助燃。

S3：连退机组炉区吨钢能耗的计算公式为，

通过连退机组炉区吨钢能耗的计算公式来获取连退机组炉区吨钢的能耗Q_吨。总的热支出与Q_吨的关系为：

综述上文内容，再通过查表，获知自变量参数后，将自变量参数带入上述公式中得到：

通过连退机组炉区吨钢能耗的计算公式和总的热支出与Q_吨的关系，完善的计算方法考虑能耗与吨钢各工艺参数与加工参数之间存在的关系，意义明显、合理、简单而准确，解决了吨钢在连续退火产线退火炉的能耗计算问题，能够有效的为后续研究能量效率优化研究提供基础，也可进行加工能耗评估与预测。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种连退机组炉区吨钢能耗的获取方法，其特征在于：包括如下步骤，

S1：获取带钢的训练参数，所述训练参数包括带钢的带宽1、带钢的密度ρ、带钢的带厚d和带钢的带速v；

S2：构建单位时间带钢动能能耗模型求得Q_动，构建单位时间内连退机组炉区能耗模型求得Q_燃，Q_燃为单位时间内连退机组炉区总的热收入，Q_动为单位时间内带钢动能能耗；

S3：连退机组炉区吨钢能耗的计算公式为，

m为单位时间内进入连退机组炉区的带钢质量，通过连退机组炉区吨钢能耗的计算公式来获取连退机组炉区吨钢的能耗Q_吨。

2.如权利要求1所述的连退机组炉区吨钢能耗的获取方法，其特征在于：单位时间带钢动能的能耗包括对带钢加速到稳定运行时的能耗E_k1、使带钢从稳定运行减速到静止时的能耗E_k2和带钢稳定运行时的能耗E_k3，E_k1＝E_k2＝E_k，E_k为带钢达到稳定运行时的动能，E_k3＜＜E_k，故E_k3忽略不计，Q_动＝2E_k＝ldρv³。

3.如权利要求2所述的连退机组炉区吨钢能耗的获取方法，其特征在于：

Q_燃＝q_总αQ_d

q_总为通入连退机组炉区内的燃气的总通气量，α为空气过剩系数，Q_d为燃烧气体热值。

4.如权利要求2所述的连退机组炉区吨钢能耗的获取方法，其特征在于：获取单位时间内带钢加热带走的能量Q₁、单位时间内废气带走的能量Q₂、通过炉壁的热对流和热辐射散失的能量Q₃、加热保护气体消耗的能量Q₄和预热助燃气消耗的能量Q₅，Q₁、Q₂、Q₃、Q₄和Q₅为连退机组炉区的热支出，通过连退机组炉区的热平衡，得到连退机组炉区热平衡方程，

Q_燃＝Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+Q₅。

5.如权利要求4所述的连退机组炉区吨钢能耗的获取方法，其特征在于：连退机组炉区包括预热炉、加热炉和退火炉，通过带钢出加热炉的温度T₁和环境温度T₀计算单位时间内带钢加热带走的能量Q₁：

G(τ)为钢带的定比压热容，τ为加热过程中的温度，

G(τ)＝1.34×10^-11τ⁵-3.7×10^-8τ⁴+4.007×10^-5τ³-0.02101τ²+5.672τ-179.6

通过废气热容C_f、单位理论助燃气消耗量L₀和废气出热交换器的温度T₃计算单位时间内废气带走的能量Q₂：

计算炉壁的热对流和热辐射散失的能量Q₃：

J取值1、2、3，分别对应预热炉、加热炉、均热炉；i取值1、2、3、4，分别对应炉壁、炉顶、炉底及炉门；An为对应对象的内表面积，Aw为对应对象的外表面积，T₄为炉内温度；α_n为炉壁内表面传热系数，T4≤823K时，α_n≈9.3+0.058T₁，T4＞823K时，1/α_n忽略不计；α_w为炉壁外表面传热系数，δ_k为炉壁各层材料厚度，λ_k为炉壁各层材料的热导率；

计算加热保护气体消耗的能量Q₄，

q_b为对应炉区保护气通入量，C_b为保护气体热容，T₆为保护气体出退火炉的温度，T₇为保护气体进退火炉的温度；

计算预热助燃气消耗的能量Q₅，

Q₅＝q_总L₀C_k(T₈-T₀)

C_k为空气的热容，T₈为进入烧嘴时空气预热温度。

6.如权利要求4所述的连退机组炉区吨钢能耗的获取方法，其特征在于：

7.如权利要求4所述的连退机组炉区吨钢能耗的获取方法，其特征在于：保护气体的成分为95％的N₂+5％的H₂。

8.如权利要求3所述的连退机组炉区吨钢能耗的获取方法，其特征在于：燃气为25％的焦炉煤气+75％的混合煤气，燃烧气体热值Q_d＝7530±418kJ/Nm³。