CN110607433A - 一种用于钢管淬火炉热处理的控制方法 - Google Patents

一种用于钢管淬火炉热处理的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于钢管淬火炉热处理的控制方法，所述控制方法在一级控制系统和MES之间设置二级模型控制系统，所述二级模型控制系统包括物料跟踪模块、温度跟踪模块、温度设定模块和空燃比优化模块，物料跟踪模块实现炉内钢管的位置跟踪，温度跟踪模块实现炉内钢管的温度计算，温度设定模块实现炉内温度的优化设定，空燃比优化模块实现空燃比的优化设定。解决现有的热处理过程由于缺乏二级控制，对于小批量、多品种的情况，就要凭经验进行空炉，操作起来特别困难，产品质量不稳定，能源消耗大的问题。

Description

一种用于钢管淬火炉热处理的控制方法
技术领域
本发明涉及冶金生产技术领域，涉及热处理过程，具体地，一种用于钢管淬火炉热处理的控制方法。
背景技术
热处理工序是控制产品性能的关键环节，对炉气温度、在炉时间和炉内气氛有严格的要求，希望钢管出淬火炉时，具备均匀的奥氏体状态，表面少氧化和脱碳。这些工艺要求，必须通过精准控制热处理过程来实现。目前一般按照工艺规程表来控制，包括各段的炉气温度、齿位和节拍，工艺规程表是按照产品和规格来分类的。在实际生产过程中，操作工根据计划中要生产的产品规格，在L1上手工输入工艺设定值，这种情况，只适合大批量稳定生产的情况，同时，要求设备状态稳定。对于小批量、多品种的情况，就要凭经验进行空炉，操作起来特别困难，产品质量不稳定，能源消耗也大。
国内钢管产线热处理工序，由于没有二级模型控制系统，使得制造执行系统MES和一级控制系统，一直处于分离状态，自动化水平比较低。随着智能制造技术的开展，迫切需要实现信息系统和设备控制系统的一体化运行。
信息系统和操作系统无法对接，最大的问题是，实际生产当中，有很多不确定性，尤其是物料的不确定性，比如：现场不按照计划顺序生产，导致物料跟踪异常。总之，在不同产品规格情况下，如何确保物料跟踪的有效性、如何确保温度模型计算的精度、如何精准控制炉内气氛以及如何确保生产的稳定性，是模型控制系统必须解决的问题。
论文《钢管调质炉数学模型优化控制研究》建立了钢管淬火炉和回火炉数学模型。该论文的重点是导热模型的建立和节拍的优化，然而，对于实际生产当中，存在的很多不确定性，该论文无法提供有效解决方案。
智能热处理车间，迫切需要能够稳定实现信息系统和操作系统的无缝对接，实现钢管热处理生产过程的管控一体化。因此，必须开发新的模型技术，满足先进生产制造的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于钢管淬火炉热处理的控制方法，本发明通过在MES和一级控制系统之间设置二级模型控制系统，可以实现MES和生产装备的无缝链接，实现MES、二级模型控制系统、一级控制系统的一体化控制，可以实现炉内物料的动态跟踪、实现温度的优化设定、实现炉内气氛的精准控制、实现坯料温度的精确计算。用以解决现有的热处理过程由于缺乏二级控制，对于小批量、多品种的情况，就要凭经验进行空炉，操作起来特别困难，产品质量不稳定，能源消耗大的问题。
为实现上述目的，本发明的方案是：一种用于钢管淬火炉热处理的控制方法，所述控制方法在一级控制系统和MES之间设置二级模型控制系统，所述二级模型控制系统包括物料跟踪模块、温度跟踪模块、温度设定模块和空燃比优化模块，所述控制方法如下：
(1)对物料进行实时跟踪：根据接收到的装料信号、出钢信号以及步进梁移动信号，实时跟踪管坯在炉内的位置；
(2)对炉内管坯温度进行实时跟踪计算：通过炉内热电偶的位置及其测量温度，计算炉内不同位置点对应的炉温，根据所述的炉温计算管坯的表面热流，然后通过管坯的热传导方程，计算炉内管坯的温度分布；
(3)炉温优化设定：根据当前的生产节奏和工艺炉温，预测管坯的出炉温度和均热时间，再结合管坯工艺要求的出炉温度和均热时间，调整工艺炉温，使不同控制段内，预测的管坯出炉温度和均热时间满足工艺要求，实现炉温的动态调节；
(4)空燃比优化设定：建立不同煤气热值和空燃比的对应关系表，如果煤气热值的波动超过设定阈值，则根据当前煤气热值查表得到对应的空燃比，并将查表得到的空燃比作为控制设定值；
如果煤气热值的波动在给定范围内，则根据淬火炉内的氧含量，计算空燃比修正值，并将查表得到的空燃比减去空燃比修正值作为控制设定值。
进一步地，步骤(1)中，如果二级模型控制系统收到装料信号，同时装料位置为空，则管坯装入淬火炉，并进行管坯装入统计；如果二级模型控制系统收到步进梁移动信号，则二级模型控制系统根据步进梁移动距离更新炉内钢坯位置信息；如果二级模型控制系统收到出钢信号，而且管坯在炉内出钢位置，则二级模型控制系统进行管坯出钢统计。
进一步地，步骤(2)中，对于不同位置的炉温计算时，如果入炉侧没有热电偶则用换热前烟气测量温度替代；如果出炉侧没有热电偶，则根据烧嘴类型以及布置方式的具体情况，将炉内距离出炉侧位置最近的热电偶测量温度减去合理温度偏差后，作为出炉侧炉气温度；如果淬火炉不是箱形结构，在不同控制段之间存在炉气温度变化较大的过渡区域，可以结合炉内的“拖偶”测温试验，确定过渡区域在炉内的具体位置，过渡区域起点以及终点温度，采用相同控制段内距离该点最近的炉内热电偶测量温度。
进一步地，步骤(2)中，炉内位置p对应的炉气温度采用如下线性方程计算：
其中，Tc为对应于位置p的炉气温度，p1、p2是距离位置p前后最近的2个热电偶或烟气拐点的位置，T1、T2是距离位置p前后最近的2个热电偶或烟气拐点的温度。
进一步地，步骤(4)中，空燃比修正值的计算方法为：
其中，ΔLa表示空燃比修正值，分别表示k时刻测量的残氧量和加热炉控制目标残氧量，Kp、KI分别为比例调节系数和积分调节系数。
进一步地，步骤(3)中，如果预测产品出炉温度比目标温度低或均热时间比目标均热时间短，则适当提高工艺温度，反之，则适当降低工艺温度，然后利用调整后的工艺温度，再次预测产品出炉温度和均热时间，直到预测值达到工艺要求的范围。
进一步地，步骤(3)中，预测管坯出炉温度和均热时间的方法为：根据当前的生产节奏计算炉内管坯的剩余在炉时间，以工艺炉温作为热电偶的测量温度，采用步骤(2)的方法，计算管坯经过剩余在炉时间的加热，最终到达出炉位置时的出炉温度和均热时间，即为预测的出炉温度和均热时间。
进一步地，步骤(3)中，当炉温的调节范围超出工艺要求的限制范围时，要进行报警，即：
(3)当预测的出炉温度已经达到工艺要求上限，但预测均热时间还没有达到工艺要求的均热时间，则报警提示生产节奏过快；
当预测的出炉温度位于工艺要求下限，但均热时间已超过工艺要求的均热时间，则报警提示生产节奏过慢。本发明达到的有益效果：本发明通过在MES和一级控制系统之间设置二级模型控制系统，可以实现MES和生产装备的无缝链接，实现MES、二级模型控制系统、一级控制系统的一体化控制，可以实现炉内物料的动态跟踪、实现温度的优化设定、实现炉内气氛的精准控制、实现坯料温度的精确计算。
附图说明
图1是热处理生产系统结构原理图；
图2是炉温优化设定流程图；
图3是淬火炉内的炉温曲线图；
图4是炉内所有管坯的温度图；
图5是预测产品出炉时温度信息图。
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。
如图1所示，本发明在制造执行系统(MES)和一级控制系统(L1)之间设置了二级模型控制系统(L2)，实现了信息系统和操作系统的无缝对接。
二级模型控制系统：
本发明的二级模型控制系统包括通讯模块、物料跟踪模块、温度跟踪模块、温度设定模块和空燃比优化模块。
1，通讯模块，用于与MES和一级控制系统L1的通讯连接，从MES获得生产计划信息和热处理工艺信息，从L1获取淬火炉仪表信息和执行机构动作信息，为二级模型控制系统的计算提供必要的数据。
2，物料跟踪模块，用于通过检测淬火炉装料侧的装料信号、步进梁移动信号以及淬火炉出料侧的出料信号，实现对钢管在炉内位置的实时跟踪。具体如下：
如果收到一级控制系统发送的装料信号同时装料位置为空，则发送装料命令给一级控制系统，一级控制系统控制管坯装入淬火炉，物料跟踪模块进行管坯装入统计；
如果收到一级控制系统发送的步进梁移动信号，则二级模型控制系统根据步进梁移动距离更新炉内钢坯位置信息如果收到一级控制系统发送的出钢信号，而且管坯在炉内出钢位置，则物料跟踪模块进行管坯出钢统计。
3，温度跟踪模块，接收一级控制系统发送的炉内热电偶测量温度，通过炉内热电偶的位置和热电偶检测的温度，计算炉内不同位置点的炉气温度，并根据炉气温度计算钢坯的表面热流，然后通过管坯的热传导方程，计算炉内管坯的温度分布，并将得到的各管坯的温度分布情况发送给温度设定模块。
炉内位置p对应的炉气温度采用如下线性方程计算：
其中，Tc为对应于位置p的炉气温度，p1、p2是距离位置p前后最近的2个热电偶或烟气拐点的位置，T1、T2是距离位置p前后最近的2个热电偶或烟气拐点的温度。
4，温度设定模块，按照MES给定的工艺炉气温度和生产节奏作为基础值，根据温度跟踪模块的管坯温度，预测管坯的出炉温度和均热时间，并根据工艺要求的出炉温度和均热时间，动态调整炉气温度，实现炉温优化设定，并将调整后的炉温设定值发送给一级控制系统，以满足淬火炉的加热质量。
5，空燃比优化模块，实时接收一级控制系统发送的炉内煤气热值、煤气流量、空气流量和残氧量，在煤气热值波动超出给定范围时，即前一时刻煤气热值和当前时刻煤气热值的差值大于等于设定的阈值时，采用前馈控制进行空燃比的设定；在煤气热值波动在给定范围内，采用反馈控制进行空燃比的设定。
空燃比优化模块将空燃比的设定值通过通讯模块发送给一级控制系统，实现淬火炉炉内气氛的及时精准控制。
前馈控制进行空燃比设定的方法：建立不同煤气热值和空燃比的映射表，针对当前热值，从映射表中插值获取对应的空燃比La，采用La作为空燃比设定值；
反馈控制进行空燃比设定的方法为：计算空燃比修正值ΔLa，采用(La-ΔLa)作为空燃比设定值。
其中，ΔLa表示空燃比的反馈修正值，分别表示k时刻测量残氧量和加热炉控制目标残氧量，Kp、KI分别为比例调节系数和积分调节系数。
本发明的控制方法如下：
1，对物料进行实时跟踪：
根据接收到的装料信号、出钢信号以及步进梁移动信号，实时跟踪管坯在炉内的位置。
具体方法为：如果二级收到装料信号同时装料位置为空，则管坯装入淬火炉，并进行管坯装入统计。如果二级收到步进梁移动信号，则二级模型控制系统根据步进梁移动距离更新炉内钢坯位置信息。如果二级收到出钢信号，而且管坯在炉内出钢位置，则二级进行管坯出钢统计。
2，对炉内管坯温度进行实时跟踪计算：
通过炉内热电偶的位置及其测量温度，计算炉内不同位置点对应的炉温，根据所述的炉温计算管坯的表面热流，然后通过管坯的热传导方程，计算炉内管坯的温度分布。
涉及的热传导方程表达式为：
T(r)＝T0(R1≤r≤R2,t＝0)
其中，r为径向坐标变量，m；t为时间变量，s；T为钢管的温度，K；λ为钢管的导热系数W/(m·K)；ρ为钢管的密度，kg/m3；c为钢管的比热容，J/(kg·K)；qin,qout为钢管内、外表面热流密度，W/m2；T0为初始温度，K；R1,R2分别是钢管的内、外径，m。
涉及的钢管内、外表面热流密度qin、qout计算表达式为：
其中，φin,φout分别是钢管内外表面的综合辐射系数；σ是物理常数；Tc是炉气温度，K；Tin,Tout分别是钢管的内外表温度，K。
涉及的炉气温度计算方法为：根据热电偶位置及其测量温度、炉型结构等具体情况，采用线形方程计算出炉气温度Tc。一般来说，如果入炉侧没有热电偶，可以用换热前烟气测量温度替代；如果出炉侧没有热电偶，根据烧嘴类型以及布置方式的具体情况，将炉内距离出炉侧位置最近的热电偶测量温度减去合理温度偏差后，作为出炉侧炉气温度；如果淬火炉不是箱形结构，在不同控制段之间存在炉气温度变化较大的过渡区域，可以结合炉内的“拖偶”测温试验，确定过渡区域在炉内的具体位置，过渡区域起点以及终点温度，采用相同控制段内距离该点最近的炉内热电偶测量温度。
炉内位置p对应的炉气温度采用如下线性方程计算：
其中，p1、p2、T1、T2分别是距离位置p前后最近的2个热电偶或烟气拐点的位置以及温度。
3，炉温优化设定：
根据当前的生产节奏和工艺炉温，以及步骤2得到的管坯实时温度，预测管坯的出炉温度和均热时间，并根据工艺要求的管坯不同控制段的出炉温度和均热时间，调整工艺炉温，如果预测产品的出炉温度比工艺要求的出炉温度低或均热时间比工艺要求的均热时间短，则适当提高工艺炉温，反之，则适当降低工艺炉温，然后利用调整后的工艺炉温，再次预测产品出炉温度和均热时间，使不同控制段内，预测的管坯出炉温度和均热时间满足工艺要求的出炉温度和均热时间的要求，并取调整后的工艺炉温，进行加权计算，作为该控制段新的炉温设定值，实现炉温的动态调节。
为了确保产品质量，钢管热处理过程的温度调节窗口很窄，而且一般不允许工艺温度差异超出控制精度要求的产品在同一个控制段同时加热。所以炉温优化设定，一般是根据控制过程的波动，在产品温度跟踪基础上，实现炉温一定范围内的动态调节，当调节范围超出工艺限制要求，进行报警：
(1)当预测的出炉温度已经达到工艺要求上限，但均热时间还未达到工艺要求，则报警提示生产节奏过快；
(2)预测的出炉温度位于工艺要求的下限，但均热时间已超过工艺要求的范围，则报警提示生产节奏过慢。
4，空燃比优化设定：
如果前一时刻煤气热值Hold和当前时刻煤气热值Hnew的差值大于等于阈值kv，则根据煤气热值查表计算空燃比，进行前馈设定控制；如果煤气波动在给定范围内，则根据氧含量，计算空燃比修正量，进行反馈设定控制。
其中，按照前馈控制计算空燃比的方法为，建立不同煤气热值和空燃比的映射表，针对当前热值，从映射表中插值获取对应的空燃比La；
按照反馈控制计算空燃比修正值的方法为：
其中，ΔLa表示空燃比的反馈修正值，分别表示k时刻测量残氧量和加热炉控制目标残氧量，Kp、KI分别为比例调节系数和积分调节系数。
因此，在煤气热值剧烈波动时，采用La进行空燃比设定，而当煤气热值基本稳定后，采用(La-ΔLa)进行空燃比设定。
实施例
(1)某淬火炉有齿位10个，共有炉尾段、加热段、均热段等3个物理段，其中炉尾段不控温，各控制段位置以及热电偶位置如下，并假设炉气温度沿热电偶位置呈线性分布，具体参见表一：
表一
(2)L1获取的热电偶测量温度信息如表一所示，当前热值为2800kcal，和上一次采用周期的热值波动范围在20kcal以内，热值波动较小，烟气检测残氧量2％。
(3)当前淬火炉内所有产品钢种规格是一样的，工艺要求钢管出炉温度>800℃，对应保温时间>15min，烟气残氧量控制在1％以内。当前生产节奏为80s/根钢管，炉内产品跟踪实绩如表二：
表二
在物料跟踪模块，因炉内装钢位置1存在产品，如果获取装料信号，则进行跟踪报警，由人工进行信息维护；如果获取移动信号，则炉内所有管坯位置根据移动齿位，进行更新，比如，每次移动1个齿位，则所有管坯则在现有齿位基础上加1；如果当前获取了抽钢信号，因为出炉位置，即齿位110处，没有产品，则不进行物料跟踪信息处理。
根据热电偶位置、温度以及炉温线形分布的假设，根据公式：
可以得到炉内所有位置的炉温，炉温曲线如图3所示。
如果φin,φout分别取0.15，0.65，实时触发炉内温度跟踪，以触发时刻管坯所在位置的炉温、管坯上一次计算温度为基础，计算当前管坯温度。实时跟踪得到的炉内所有管坯的温度如图4所示。
炉温优化设定：取炉内所有产品，分别预测产品在当前炉温和生产节奏下的出炉温度和均热时间。以位置1的产品为例，预测产品出炉时温度信息如图5所示。从图中可以看出，当前炉温和生产节奏下，产品移动至齿位74时，加热温度达到800℃，出炉温度865℃，按照当前节奏计算，均热时间＝(110-74)÷3×80÷60＝16min。
按照工艺要求，从预测结果看，均热时间满足要求，而出炉温度可以适当降低。因此可以调整均热段温度。选择固定降温幅度，例如-2℃，重新预测产品出炉状态，并不断迭代，直到满足工艺要求。计算结果显示，迭代5次，即均热段温度降低至870℃时，为可行热处理工艺。
此时到达齿位75时，产品预测温度800℃，出炉温度854℃，均热时间＝(110-75)÷3×80÷60＝15.56min。
调整前后对比：
从温度跟踪实绩来看，热处理过程非常稳定，炉内均为同一类产品，不同位置产品预测出炉温度和均热时间基本一致。因此加权后的工艺炉温，和上面调整后的工艺炉温一致。
空燃比调节：建立的热值和空燃比的映射关系表如下：
根据当前热值2800kcal，可以得到前馈空燃比为2.72。假设取Kp＝2.5，Ki＝1，积分项k＝3，最近3次计算周期内检测到残氧量分别为2％，2％，1％，则反馈修正空燃比为：
当前计算设定空燃比：
(La-ΔLa)＝2.72-0.045＝2.675
本发明通过在MES和一级控制系统之间设置二级模型控制系统，可以实现MES和生产装备的无缝链接，实现MES、二级模型控制系统、一级控制系统的一体化控制，可以实现炉内物料的动态跟踪、实现温度的优化设定、实现炉内气氛的精准控制、实现坯料温度的精确计算。

Claims (8)

1.一种用于钢管淬火炉热处理的控制方法，其特征在于：所述控制方法在一级控制系统和MES之间设置二级模型控制系统，所述二级模型控制系统包括物料跟踪模块、温度跟踪模块、温度设定模块和空燃比优化模块，所述控制方法如下：
(1)对物料进行实时跟踪：根据接收到的装料信号、出钢信号以及步进梁移动信号，实时跟踪管坯在炉内的位置；
(2)对炉内管坯温度进行实时跟踪计算：通过炉内热电偶的位置及其测量温度，计算炉内不同位置点对应的炉温，根据所述的炉温计算管坯的表面热流，然后通过管坯的热传导方程，计算炉内管坯的温度分布；
(3)炉温优化设定：根据当前的生产节奏和工艺炉温，预测管坯的出炉温度和均热时间，再结合管坯工艺要求的出炉温度和均热时间，调整工艺炉温，使不同控制段内，预测的管坯出炉温度和均热时间满足工艺要求，实现炉温的动态调节；
(4)空燃比优化设定：建立不同煤气热值和空燃比的对应关系表，如果煤气热值的波动超过设定阈值，则根据当前煤气热值查表得到对应的空燃比，并将查表得到的空燃比作为控制设定值；
如果煤气热值的波动在给定范围内，则根据淬火炉内的氧含量，计算空燃比修正值，并将查表得到的空燃比减去空燃比修正值作为控制设定值。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤(1)中，如果二级模型控制系统收到装料信号，同时装料位置为空，则管坯装入淬火炉，并进行管坯装入统计；如果二级模型控制系统收到步进梁移动信号，则二级模型控制系统根据步进梁移动距离更新炉内钢坯位置信息；如果二级模型控制系统收到出钢信号，而且管坯在炉内出钢位置，则二级模型控制系统进行管坯出钢统计。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤(2)中，对于不同位置的炉温计算时，如果入炉侧没有热电偶则用换热前烟气测量温度替代；如果出炉侧没有热电偶，则根据烧嘴类型以及布置方式的具体情况，将炉内距离出炉侧位置最近的热电偶测量温度减去合理温度偏差后，作为出炉侧炉气温度；如果淬火炉不是箱形结构，在不同控制段之间存在炉气温度变化较大的过渡区域，可以结合炉内的“拖偶”测温试验，确定过渡区域在炉内的具体位置，过渡区域起点以及终点温度，采用相同控制段内距离该点最近的炉内热电偶测量温度。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤(2)中，炉内位置p对应的炉气温度采用如下线性方程计算：
其中，Tc为对应于位置p的炉气温度，p1、p2是距离位置p前后最近的2个热电偶或烟气拐点的位置，T1、T2是距离位置p前后最近的2个热电偶或烟气拐点的温度。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤(4)中，空燃比修正值的计算方法为：
其中，ΔLa表示空燃比修正值，XT分别表示k时刻测量的残氧量和加热炉控制目标残氧量，Kp、KI分别为比例调节系数和积分调节系数。
6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤(3)中，如果预测产品出炉温度比目标温度低或均热时间比目标均热时间短，则适当提高工艺温度，反之，则适当降低工艺温度，然后利用调整后的工艺温度，再次预测产品出炉温度和均热时间，直到预测值达到工艺要求的范围。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，步骤(3)中，预测管坯出炉温度和均热时间的方法为：根据当前的生产节奏计算炉内管坯的剩余在炉时间，以工艺炉温作为热电偶的测量温度，采用步骤(2)的方法，计算管坯经过剩余在炉时间的加热，最终到达出炉位置时的出炉温度和均热时间，即为预测的出炉温度和均热时间。
8.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤(3)中，当炉温的调节范围超出工艺要求的限制范围时，要进行报警，即：
(1)当预测的出炉温度已经达到工艺要求上限，但预测均热时间还没有达到工艺要求的均热时间，则报警提示生产节奏过快；
(2)当预测的出炉温度位于工艺要求下限，但均热时间已超过工艺要求的均热时间，则报警提示生产节奏过慢。
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