CN115232959A - 一种连续退火炉加热过程中带钢规格切换的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续退火炉加热过程中带钢规格切换的控制方法，属于钢铁冶金技术领域，本发明通过协同优化控制带钢速度、辐射管温度和炉温的调整时间、调整幅度以及过渡卷的使用，保证整个切换过程带钢热处理温度均控制在工艺要求范围，方法立足实际，实现简单且准确可靠，适用性强，对突破实际生产中黑匣子退火炉加热过程非稳定工况带温精确稳定控制难题、提高加热段出口带钢温度在退火温度要求范围内的命中率、节能降本增效等具有重要意义。

Description

一种连续退火炉加热过程中带钢规格切换的控制方法

技术领域

本发明涉及钢铁冶金技术领域，具体涉及一种连续退火炉加热过程中(钢种不变)带钢规格的切换控制方法。

背景技术

连续退火炉是冷轧带钢生产中重要的热处理工序，通过连续退火炉进行带钢再结晶器退火，可消除冷轧过程的加工硬化和残余应力，恢复钢的塑性变形能力，改善钢的性能。很多高级别带钢产品都必须要经过连续退火处理，比如汽车用板、家电用板和电工用板等，以提高产品质量和市场竞争力。连续退火炉一般由预热段、辐射管加热段、均热段、缓冷段、闪冷段、过时效段和终冷段等工序组成。冷的带钢从进炉到出炉，需要通过高速(目前工艺速度已超过350m/min)运行，来完成这样一个很长的连续热处理过程，炉内带钢长度甚至达2000m以上。

在带钢连续退火炉中，带钢温度控制是热处理过程的核心，其中稳定工况是最常见，同时也是相对容易控制的一种工况。相比而言，在非稳定工况时，由于钢种、规格、热处理工艺、带速、操作参数等均处于变动状态，此时若操作不当，会造成带钢温度偏离设定值，非常容易引起带钢跑偏、瓢曲甚至断带。这里所说非稳定工况包括带钢钢种切换、规格过渡以及升降速(调整机组产量时)等生产工艺条件变化情况，属于非稳态生产情况。因此，非稳定工况时连续退火炉的热处理参数优化控制显得尤为重要。连续退火炉优化控制的主要目标之一是使得带钢在每个炉段出口处的温度与设定值尽量保持一致，从而保证带钢在炉内的温度经历满足退火工艺的技术要求。在整个连退炉中，辐射管加热段对于产品质量的影响起到了决定因素，而且由于加热段炉子热惯性最大，炉子的热惯性时间(约10～15min)远大于带钢在加热段驻留的时间(约1～5min)，使得加热段带温控制出现出非线性、大滞后的特点，再加上带钢规格和速度变化频繁，使加热段带温控制的扰动因素增加，造成加热段带温也是最难控制的，尤其是带温控制的即时性造成了很大的困难，而其它炉段则可通过即时调整操作参数控制带钢温度；其次，带钢温度最高值出现在辐射管加热段中，带钢强度最低，是瓢曲、断带事故的多发炉段。

在非稳定工况下，控制带钢温度的生产条件变化频繁，任何工艺参数的变化都有可能对带钢产品质量和性能产生较大的影响。尤其是连续退火炉加热过程带钢规格过渡时，如何动态地协同控制好带速(带钢速度)、辐射管温度和炉温等使得出炉带温稳定在热处理工艺要求范围内，同时尽可能缩短切换操作时间(即保证过渡状态时间最短)，不采用过渡卷或减少过渡卷使用，从而实现精准稳定控温和节能降本增效，是目前亟待解决的技术问题。为此，提出一种连续退火炉加热过程中带钢规格切换的控制方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何动态地协同控制好带速(带钢速度)、辐射管温度和炉温等使得出炉带温稳定在热处理工艺要求范围内，同时尽可能缩短切换操作时间(即保证过渡状态时间最短)，不采用过渡卷或减少过渡卷使用，从而实现精准稳定控温和节能降本增效，提供了一种连续退火炉加热过程中带钢规格切换的控制方法，通过协同优化控制带钢速度、辐射管温度和炉温的调整时间、调整幅度以及过渡卷的使用，保证整个切换过程带钢热处理温度均控制在工艺要求范围；本发明方法立足实际，实现简单且准确可靠，适用性强，对突破实际生产中黑匣子退火炉加热过程非稳定工况带温精确稳定控制难题、提高加热段出口带钢温度在退火温度要求范围内的命中率、节能降本增效等具有重要意义。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括以下步骤：

S1：通过前一钢卷带尾和后一钢卷带头焊缝位置的跟踪实现带钢位置的跟踪；

S2：根据辐射管加热段结构和工艺特点，通过辐射管、带钢、炉墙和炉气之间的传热计算，构建加热段全炉带钢温度分布计算模型，每隔设定时间计算带钢温度，再基于加热段全炉带钢温度分布计算模型，构建加热段各列辐射管温度的动态优化设定模型；

S3：根据焊缝前后带钢厚度跳跃幅度和能否满足焊接要求，分多种情况，采用不同的切换控制方式以及对应的动态切换控制参数，其中，前带钢与后带钢的钢种相同、规格不同。

更进一步地，在所述步骤S1中，焊缝位置的跟踪，是通过焊缝位置的实时计算来实现，计算公式如下：

L_w＝L_d+V_s·t

其中，L_w为焊缝位置，L_d为焊缝检测仪器的位置，V_s为当前时刻的带钢速度，t为焊缝经过焊缝检测仪器之后的时间。

更进一步地，在所述步骤S2中，所述加热段各列辐射管温度的动态优化设定模型根据已知钢种、热处理工艺要求和带钢规格，确定带钢速度、辐射管温度设定值、炉温优化设定值，使得机组产量最大，并基于加热段各列辐射管温度的动态优化设定模型计算，建立稳定工况下不同钢种、规格和带速下，满足退火工艺要求的最优热处理操作参数库，即稳定工况最优热处理操作参数库。

更进一步地，在所述步骤S3中，根据前后带钢截面积比值是否在0.8～1.2范围内判断是否满足焊接要求，以防止前后带钢焊接部位断裂。其中，带钢截面积等于带钢宽度和带钢厚度的乘积。

更进一步地，在所述步骤S3中，多种情况分别为前后带钢厚度跳跃幅度不超过0.4mm且能满足焊接要求、前后带钢厚度跳跃幅度超过0.4mm或不能满足焊接要求。这里由于带钢宽度对连续退火炉加热段出炉带温影响很小，所以主要考虑的是带钢厚度(薄规格变厚规格、厚规格变薄规格)切换过程的控制方式，以使不同规格带钢在整个切换过程退火温度处于热处理工艺要求范围内；而前后带钢宽度能满足焊接要求即可。

更进一步地，在所述步骤S3中，当焊缝前后带钢厚度跳跃幅度不超过0.4mm且能满足焊接要求，焊缝前后带钢是由薄规格变厚规格、厚规格变薄规格时的切换控制方式包括以下步骤：

S301：根据焊缝前后带钢钢种、前后带钢退火温度控制目标、前后带钢规格，并根据稳定工况最优热处理操作参数库，查找对应条件下的前带钢稳态工况和后带钢稳态工况对应的最优处理速度、各列辐射管温度及炉温设定值，其中，前带钢稳态工况记为稳态工况1，后带钢稳态工况记为稳态工况3；

S302：计算确定前后带钢规格过渡的中间稳态工况的最优处理速度、各列辐射管温度和炉温设定值及处理时间，其中，中间稳态工况记为稳态工况2；

S303：前带钢按照其对应的稳定工况1最优热处理操作参数进行生产，这里前带钢稳定工况1生产的热处理操作参数不限定于以上的最优热处理操作参数，任意生产的热处理操作参数也可采用此方式。

S304：根据加热段全炉带钢温度分布计算模型的动态仿真，计算前后带钢焊缝入炉前的辐射管温度和炉温调整时刻(或焊缝与加热段入口之间距离)；从该炉温调整时刻，降低辐射管温度，从稳定工况1的辐射管温度设定值按照实际辐射管温度下降速度，调整到稳定工况2的辐射管温度设定值，然后保持不变，达到稳态工况2的处理时间后，按照实际辐射管温度上升速度，提升辐射管温度，从稳定工况2的辐射管温度设定值调整到稳定工况3的辐射管温度设定值。

S305：从炉温调整时刻开始，随着辐射管温度降低，出炉带温随之下降，在这个过程中，为了保证出炉带温不低于热处理温度下限，当出炉带温下降至接近热处理温度下限时，马上降低一次带速，降低带速幅度不能过大，保证出炉带温不超过热处理温度上限即可；采用此办法，逐步调整带速，从稳定工况1的带速逐步降低到稳定工况2的最优处理带速设定值；然后在稳态工况2很低的带速、辐射管壁温和炉温下进行带钢厚度切换，当前后带钢焊缝出炉时，可保证较小的出炉带温跳跃，即出炉带温跳跃幅度可控制在(热处理温度上限－热处理温度下限)内。当前后带钢焊缝出炉后，随之辐射管温度的提升，在这个过程中，为了保证出炉带温不高于热处理温度上限，当出炉带温上升至接近热处理温度上限时，马上提升带速，提升带速幅度不能过大，保证出炉带温不低于热处理温度下限即可；采用此办法，逐步调整带速，从稳定工况2的带速逐步提升到稳定工况3的带速设定值。

S306：达到后带钢的热处理稳态工况3，完成带钢厚度由薄规格到厚规格或者由厚规格到薄规格切换。整个调整过程必须保证薄规格、厚规格带钢实际出炉温度均在热处理工艺要求范围之内，且过渡平稳，不产生大的温度波动，以保证产品性能及机组的稳定运行。

更进一步地，所述步骤S302的具体过程如下：

S3021：先选择稳态工况1的带钢速度作为稳态工况2的最优处理速度，在该带钢速度下，按照钢种、前带钢热处理温度上限(由薄变厚时)或前带钢热处理温度下限(由厚变薄时)、前带钢规格，由稳定工况最优热处理操作参数库查询得到稳态工况2的最优热处理操作参数(各列辐射管温度及炉温设定值)；

S3022：根据稳态工况2对应的最优热处理操作参数，再利用加热段全炉带钢温度分布计算模型，来验证在该带钢速度和稳态工况2的最优热处理操作参数下，用后带钢规格算出来的加热段出炉带钢温度是否低于热处理温度下限(由薄变厚时)或者高于热处理温度上限(由厚变薄时)，如果是，逐步选择更低的带钢速度，重复上述计算过程，直到用后带钢规格算出来的加热段出炉带钢温度刚好不低于热处理温度下限(由薄变厚时)或者不高于热处理温度上限(由厚变薄时)，此时的带钢速度即为稳态工况2的最优处理速度，以及可确定此时对应的各列辐射管温度及炉温设定值。

S3023：稳态工况2的处理时间的选取，只要保证前带钢出加热段的时候出炉带温稳定到接近热处理温度上限(由薄变厚时)或者接近热处理温度下限(由厚变薄时)基本保持不变。

更进一步地，在所述步骤S3中，当焊缝前后带钢厚度跳跃幅度超过0.4mm或不能满足焊接要求，无论带钢厚度是由薄变厚或厚变薄，在前后带钢之间插入一种厚度或多种厚度的过渡卷带钢进行过渡，转变为多步且满足焊缝前后带钢厚度跳跃幅度不超过0.4mm且能满足焊接要求情况的带钢厚度切换过程，每步分别按照焊缝前后带钢厚度跳跃幅度不超过0.4mm且能满足焊接要求情况下的切换控制方式，完成整个切换过程。

更进一步地，在前后带钢之间插入的一种厚度或多种厚度的过渡卷带钢要能满足焊接要求且带钢厚度跳跃不超过0.4mm。

更进一步地，在所述步骤S2中，构建加热段全炉带钢温度分布计算模型的具体步骤如下：

S11：针对实际带钢连续退火炉动态加热过程的结构、工艺、设备和自动控制系统，确定加热段内部辐射管布置和结构尺寸、带道长度和数量、带钢产品规格和钢种、工艺速度、炉墙内部材质、传热特点；

S12：设定加热段带钢温度分布计算模型的相关基础参数，包括带钢、辐射管和炉墙黑度、带钢密度和带钢比热容；

S13：根据加热段辐射管布置和炉膛结构，将加热段分成多个封闭计算区域和带钢单元；

S14：沿着带钢长度方向假设一种初始温度分布X_p，进行加热段全炉带钢温度分布初始化，即T_p'＝X_p，其中p＝0,1,2,...，加热段全炉带钢上共离散为p+1个点，T_p'为初始化的加热段全炉带钢温度分布；

S15：对于每个带钢单元i，进行热流密度计算，其中i＝1,2,...；

S16：基于传热学理论，对每个带钢单元依次进行热平衡关系计算，由带钢单元接收的热量等于带钢单元升温所需热量，计算得到带钢单元端点温度T_i+1，如下式所示：

式中，T_i和T_i+1分别是第i带钢单元起点和端点的温度，其中第i带钢单元起点即i点，端点即i+1点；q_i为第i带钢单元左右两侧表面总共接收到的热流密度，为第i带钢单元左右两侧表面的辐射热流密度和对流热流密度之和；ΔL_i,i+1为第i带钢单元上i点到i+1点的距离；ρ_s为带钢的密度；C_s,i为第i带钢单元的比热容，取第i带钢单元的平均温度求得比热容；δ_s为第i带钢单元的厚度，u_s为带钢速度；

S17：通过在加热段入口和出口安装的红外辐射高温计实时测量入炉和出炉处高速运行的带钢温度，采用热电偶实时测量各列辐射管热点温度和炉膛温度，获得入炉和出炉带温、各列辐射管温度、炉温、带钢速度、带钢规格实测数据，采用传热反问题方法在线实时校正加热段全炉带钢温度分布计算模型，对模型参数进行自学习修正，以自适应实际炉况的变化，其中，传热反问题方法是指根据加热段全炉带钢温度分布计算模型求解算出的出炉带温与实测出炉带温比较，来反推模型参数修正量。

S18：根据实时测量的模型输入参数，包括带钢宽度、厚度和速度、加热段入口带钢温度、各列辐射管温度和各区域炉温，以一定时间周期实时预测全炉带钢温度分布，实现带钢温度分布变化的动态跟踪。

更进一步地，在所述步骤S13中，封闭计算区域分为两种，第一种为包含辐射管的区域，第二种为不包含辐射管的区域，每个封闭计算区域由左侧带钢表面、右侧带钢表面、辐射管表面、炉墙和多个假想面构成。

更进一步地，在所述步骤S14中，初始化的加热段全炉带钢温度分布采用理论退火温度曲线上的对应位置温度数据，所述理论退火温度曲线是指从带钢入炉温度到期望出炉温度的线性加热曲线。

更进一步地，在所述步骤S15中，每个带钢单元接收的热流密度包括辐射热流密度与对流热流密度，所述辐射热流密度即带钢单元左右两表面的净辐射换热量，所述对流热流密度即炉气与带钢单元之间的对流换热量；

其中，辐射热流密度计算需要根据已经划分好的带钢单元左右两侧封闭计算区域，进行每个封闭计算区域的辐射换热计算，计算过程如下：

S1501：确定该封闭计算区域共有多少个表面组成，形成一个封闭的辐射换热系统，记这个表面数量为n；

S1502：采用Monte Carlo法计算内该封闭计算区域内每两个表面之间的辐射换热角系数f_ik，则i表面的有效辐射J_i通过下式表示：

其中，σ为Stefan-Boltzmann常数，ε_i为i表面黑度，T_i为i表面温度，f_ik为i表面到k表面的角系数；

上式为n个方程和n个未知的有效辐射J_i组成的方程组，采用迭代法可求出任意i表面的有效辐射J_i；

S1503：根据下式计算净辐射热流密度q_i，进而可得到每个带钢单元左右两表面的辐射热流密度：

对流热流密度的计算过程如下：

S1511：按照流体外掠平板的情况计算带钢单元与炉气的强制对流换热系数，根据努赛尔准数计算炉气与带钢的强制对流换热系数，如下式所示：

式中，h为对流换热系数；Nu为努赛尔准数；λ_f为导热系数；L为特征尺寸，指流体流过平板的长度；

S1512：根据牛顿冷却公式求得带钢单元表面的对流热流密度：

q_c＝2h_c(T_g-T_s)

式中，q_c为带钢单元左右两表面与炉气间对流换热的热流密度；h_c为炉气和带钢单元之间的强制对流换热系数，T_g和T_s分别表示所在区域炉膛温度和带钢单元温度。

更进一步地，在所述步骤S16中，将最新计算值T_i+1与先前假设温度值相比较，如果相差较大，即差值超过最大温度误差e，则使用这个新的温度T_i+1重新进行该带钢单元两侧封闭区域的辐射换热计算，反复迭代计算，直至相邻两次的计算温度足够接近为止，即差值在最大温度误差e范围内；同时，考虑到在上述辐射换热计算中使用的下游带钢温度是采用假设值，在算得一次全炉带钢温度分布后，用这个最新计算值再进行上述所有的计算，反复迭代计算全炉带钢温度分布，直到相邻两次计算的全炉带钢温度分布足够接近为止，这个迭代过程收敛标准是允许的最大温度误差e。

更进一步地，在所述步骤S2中，构建加热段各列辐射管温度的动态优化设定模型的具体步骤如下：

S21：对加热段不同钢种不同规格带钢的极限速度进行分析，即在指定的带钢连续热处理机组和辐射管极限加热能力的前提下，根据带钢钢种、规格、出炉带钢温度热处理工艺要求，采用加热段带钢温度分布计算模型推算极限速度；

S22：构建加热段各列辐射管温度的动态优化设定模型；

S23：在保证加热段出口带钢温度满足热处理工艺要求，存在多种不同的带钢加热升温模式，根据实际需要，选取不同的带钢加热模式进行计算优化。

更进一步地，在所述步骤S21中，带钢的极限速度计算过程如下：

S211：对带钢速度u赋初值u₀并设定终止误差ε；

S212：根据带钢钢种、宽度和厚度、所有列辐射管温度取最大值，利用加热段带钢温度分布计算模型，求得出炉带钢温度T₁；

S213：将T₁和出炉带温热处理工艺要求范围下限T₂比较，如果满足0≤ΔT＝T₁-T₂≤ε，则辐射管加热段极限带速u_max＝u，否则，给当前带钢速度增减一个微小量Δu，即u＝u±Δu，再带入加热段带钢温度分布计算模型重新求得出炉带钢温度T₁，直到满足条件0≤ΔT＝T₁-T₂≤ε，进而求出带钢的极限速度；

S214：整个连续退火机组的带钢极限速度同时受其他炉段的要求限制，包括过时效段工艺要求的最小过时效时间，过时效段带钢的极限速度为该炉段展开长度与最小过时效时间之比；最终机组的带钢极限速度取辐射管加热段与过时效段带钢极限速度中的最小值。

更进一步地，在所述步骤S22中，构建加热段各列辐射管温度的动态优化设定模型的具体过程如下：

S221：设定加热段各列辐射管温度的动态优化设定模型的相关基础参数，包括带钢、辐射管和炉墙黑度、带钢密度和带钢比热容；

S222：根据已知钢种的理论退火温度曲线产生加热段出口的期望带温T_exp，并设定一组各列辐射管温度试探值；

S223：将各列辐射管温度试探值输入到加热段全炉带钢温度分布计算模型，计算在辐射管试探值下的加热段出口带钢温度预测值T_p；

S224：根据目标函数△T＝T_p-T_exp<eps，判断是否需要调整各列辐射管温度，如果达不到目标函数条件，则同时采用下式调整各列辐射管温度：

T_i,tube＝T_i,tube-f*△T

式中，T_i,tube为第i列辐射管温度，f为辐射管温度调整系数，△T为加热段出口带钢温度预测值和期望值之差；

如果目标函数达到条件，即得到辐射管温度优化值，其中eps为温度误差收敛标准。

更进一步地，在所述步骤S23中，带钢加热升温模式包括各列辐射管温度相同模式与各列辐射管温度递增模式，其中，各列辐射管温度相同模式即各列辐射管均以相同温度进行加热，各列辐射管温度递增模式即第一列辐射管温度开始，各列辐射管温度增量相同，直到某一列辐射管温度达到最大值，之后的列辐射管温度都为最大值。

本发明相比现有技术具有以下优点：

(1)针对整个连续退火炉中对带钢产品质量和性能最重要的加热段，而且其复杂的热工行为和动态特性造成带温控制非线性、大滞后、时变性和多干扰特点，使加热段成为整个退火炉中带钢温度最难控制的炉段，为此，本发明提出一种连续退火炉加热过程钢种不变而带钢规格切换时的控制方法，通过协同优化控制带钢速度、辐射管温度和炉温的调整时间、调整幅度以及过渡卷的使用，保证整个切换过程带钢热处理温度均控制在工艺要求范围，从而实现在带钢规格切换的非稳定工况生产过程的精准稳定控温。

(2)本发明针对连续退火炉优化控制中最难的加热段非稳定工况，提出一种连续退火炉加热过程钢种不变而带钢规格切换时的控制方法，该方法根据焊缝前后带钢厚度跳跃幅度和能否满足焊接要求，分两种情况：前后带钢厚度跳跃幅度不超过0.4mm且能满足焊接要求、前后带钢厚度跳跃幅度超过0.4mm或不能满足焊接要求，采用不同的切换控制方法以及对应的动态切换控制参数，可保证各类不同规格带钢之间切换过程的顺利完成。

(3)本发明方法立足实际，实现简单且准确可靠，适用性强，为实际非稳定工况生产过程工艺和操作优化、在线优化控制等提供了重要依据和指导，对突破实际生产中黑匣子退火炉加热过程非稳定工况带温精确稳定控制难题、提高加热段出口带钢温度在退火温度要求范围内的命中率、节能降本增效等具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例一中一种连续退火炉加热过程钢种不变而带钢规格切换时的控制方法流程图；

图2为本发明实施例一中前后带钢厚度由薄变厚、跳跃幅度不超过0.4mm且能满足焊接要求的切换控制方法示意图；

图3为本发明实施例二中连续退火炉辐射管加热段示意图；

图4为本发明实施例二中DC04钢种带钢厚度从0.8mm切换到0.9mm过程控制示意图；

图5为本发明实施例三中的DC04钢种带钢厚度从0.8mm切换到1.0mm过程控制示意图；

图6为本发明实施例四中DC04钢种带钢厚度从0.7mm切换到1.0mm过程控制示意图；

图7为本发明实施例五中DC04钢种带钢厚度从1.2mm切换到1.5mm过程控制示意图；

图8为本发明实施例六中DC04钢种带钢厚度从1.0mm切换到0.8mm过程控制示意图；

图9为本发明实施例七中DC04钢种带钢厚度从1.0mm切换到0.7mm过程控制示意图；

图10为本发明实施例八中的退火炉加热段全炉带钢温度分布计算模型、加热段各列辐射管温度的动态优化设定模型构建流程图；

图11为本发明实施例八中的辐射管加热段全炉带钢温度分布计算模型流程图；

图12为本发明实施例八中的第i带钢单元和两侧的封闭计算区域示意图；

图13为本发明实施例八中的一个具体工况下的加热段全炉带钢温度分布示意图；

图14为本发明实施例八中的辐射管加热段极限带速计算流程图；

图15为本发明实施例八中的加热段各列辐射管温度设定值计算流程图；

图16为本发明实施例八中的满足加热段热处理工艺要求的不同加热模式带钢升温曲线。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例一

本发明提出的一种连续退火炉加热过程钢种不变而带钢规格切换时的控制方法，如图1所示。不同带钢规格切换生产过程实质上是指不同规格的前后带钢，焊接在一起在连续退火炉里进行热处理的过程。但是由于带钢宽度对连续退火炉加热段出炉带温影响很小，所以主要考虑的是带钢厚度(薄规格变厚规格、厚规格变薄规格)切换过程的控制方法。薄规格带钢和厚规格带钢以同样的速度在炉子内加热，薄带钢的升温速度要快于厚带钢，因此在加热段炉子出口，薄带钢的温度高于厚带钢。如果炉子与带钢的温差减小，则薄带钢和厚带钢的加热速度差也会减小，带钢速度的降低能补偿炉温的减少。所以，通过调节加热段辐射管温度、炉温和带钢速度，尽量减小退火炉与带钢间的温差，控制薄规格带钢和厚规格带钢的加热速度，以使不同规格带钢在整个切换过程退火温度处于热处理工艺要求范围内。本发明方法包含如下步骤：

步骤1、进行连续退火炉动态加热过程带钢位置跟踪。通过前一钢卷带尾和后一钢卷带头焊缝位置的跟踪实现带钢位置的跟踪，这里焊缝位置的跟踪是通过焊缝位置的实时计算来实现跟踪，计算公式如式(1)所示，前后带钢焊缝在炉内的位置变化跟踪是实现退火炉非稳定工况过程控制的基础。

L_w＝L_d+V_s·t (1)

式中：L_w为焊缝位置，L_d为焊缝检测仪器的位置，V_s为当前时刻的带钢速度，t为焊缝经过焊缝检测仪器之后的时间。

步骤2、根据辐射管加热段结构和工艺特点，通过辐射管、带钢、炉墙和炉气等之间的传热计算，建立加热段全炉带钢温度分布计算模型，每隔一定时间计算带钢温度。再基于加热段全炉带钢温度分布计算模型，构建加热段各列辐射管温度的动态优化设定模型，该模型主要是根据已知钢种、热处理工艺要求和带钢规格，确定带钢速度、辐射管温度设定值、炉温优化设定值，使得机组产量最大。本发明该步骤的实质在保证加热段出口带钢温度在热处理退火温度要求范围内对带速、辐射管温度和炉温设定值的动态优化，从而建立稳定工况下不同钢种、规格和带速下，满足退火工艺要求的最优热处理操作参数库。

步骤3、根据焊缝前后带钢厚度跳跃幅度和能否满足焊接要求，分两种情况：前后带钢厚度跳跃幅度不超过0.4mm且能满足焊接要求、前后带钢厚度跳跃幅度超过0.4mm或不能满足焊接要求，采用不同的切换控制方法以及对应的动态切换控制参数。其中焊接要求：为了防止前后带钢焊接部位断裂，根据前后带钢截面积比值如果在0.8～1.2范围内认为满足焊接要求。

第一种情况、前后带钢厚度跳跃幅度不超过0.4mm且能满足焊接要求的切换控制方法：在带钢钢种不变，不管带钢厚度是由薄变厚或厚变薄，厚度跳跃幅度是0.1mm、0.2mm、0.3mm和0.4mm等，如果前后带钢能满足焊接要求，则其退火温度控制最准确和稳定的切换控制方法是将带速降低、辐射管温度和炉温降低，在低速、低辐射管温度和炉温下，进行厚度跳跃，出炉带温跳跃较小，能很好控制在热处理温度要求范围内。

当连续退火机组完成前后带钢(由薄规格变厚规格或者由厚规格变薄规格)焊接后，开始带钢的动态切换控制参数计算，包括如下分步骤：

(1)根据焊缝前后带钢钢种(钢种不变)、前后带钢退火温度控制目标(T_目标1和T_目标2)、前后带钢规格(由薄变厚或由厚变薄)，根据步骤2得到的稳定工况最优热处理操作参数库，查找对应条件下的前带钢稳态工况(记为稳态工况1)和后带钢稳态工况(记为稳态工况3)对应的最优处理速度(带钢速度)、各列辐射管温度及炉温设定值。

(2)计算确定前后带钢规格过渡的中间稳态工况(记为稳态工况2)的最优处理速度、各列辐射管温度及炉温设定值。可先选择在稳态工况1的带钢速度下，按照钢种、前带钢热处理温度上限(由薄变厚时)或前带钢热处理温度下限(由厚变薄时)、前带钢规格，根据步骤2得到稳态工况2对应的最优热处理操作参数(各列辐射管温度及炉温设定值)，再利用加热段全炉带钢温度分布计算模型，来验证在该带钢速度和稳态工况2的最优热处理操作参数下，用后带钢规格算出来的加热段出炉带钢温度是否低于热处理温度下限(由薄变厚时)或者高于热处理温度上限(由厚变薄时)，如果是，逐步选择低一点的带钢速度，重复上述计算过程，直到用后带钢规格算出来的加热段出炉带钢温度刚好不低于热处理温度下限(由薄变厚时)或者不高于热处理温度上限(由厚变薄时)，此时的带钢速度即为稳态工况2的最优处理速度，以及可确定此时对应的各列辐射管温度及炉温设定值。稳态工况2的处理时间的选取，只要保证前带钢出加热段的时候出炉带温稳定到接近热处理温度上限(由薄变厚时)或者接近热处理温度下限(由厚变薄时)基本保持不变。

(3)前带钢按照其对应的稳定工况1最优热处理操作参数进行生产。这里前带钢稳定工况1生产的热处理操作参数不限定于以上的最优热处理操作参数，任意生产的热处理操作参数也可采用以下方法。

(4)根据加热段全炉带钢温度分布计算模型的动态仿真，计算前后带钢焊缝入炉前的辐射管温度和炉温调整时刻(或焊缝与加热段入口之间距离)。从炉温调整时刻，降低辐射管温度，从稳定工况1的辐射管温度设定值按照实际辐射管温度下降速度，调整到稳定工况2的辐射管温度设定值，然后保持不变，达到稳态工况2的处理时间后，按照实际辐射管温度上升速度，提升辐射管温度，从稳定工况2的辐射管温度设定值调整到稳定工况3的辐射管温度设定值。本发明辐射管温度上升和下降速度分别取2.1℃/min和-2.1℃/min，同时认为各区域炉温比所在列的辐射管温度低50℃左右。

(5)从炉温调整时刻开始，随着辐射管温度降低，出炉带温随之下降，在这个过程中，为了保证出炉带温不低于热处理温度下限，当出炉带温下降至接近热处理温度下限时，马上降低带速，带速降低的速度取0.33m/s/s，降低带速幅度不能过大，本发明不超过30m/min，降低带速幅度过大会使出炉带温超过热处理温度上限。采用此办法，逐步调整带速，从稳定工况1的带速逐步降低到稳定工况2的最优处理带速设定值。当前后带钢焊缝出炉后，随之辐射管温度的提升，出炉带温随之上升，在这个过程中，为了保证出炉带温不高于热处理温度上限，当出炉带温上升至接近热处理温度上限时，马上提升带速，带速提升的速度取0.1m/s/s，提升带速幅度不能过大，本发明不超过30m/min，提升带速幅度过大会使出炉带温低于热处理温度下限。采用此办法，逐步调整带速，从稳定工况2的带速逐步提升到稳定工况3的带速设定值。

(6)最后达到后带钢的热处理稳态工况3，完成带钢厚度由薄规格到厚规格切换。整个调整过程必须保证薄规格、厚规格带钢实际出炉温度均在热处理工艺要求范围之内，且过渡平稳，不产生大的温度波动，以保证产品性能及机组的稳定运行。

第二种情况、前后带钢厚度跳跃幅度超过0.4mm或不能满足焊接要求的切换控制方法。在带钢钢种不变，不管带钢厚度是由薄变厚或厚变薄，如果带钢厚度跳跃较大时(比如跳跃0.5mm等)或不能满足焊接要求时，必须中间接入一种厚度或多种厚度的过渡卷带钢进行过渡，分步完成，其中过渡卷带钢的安排应能满足焊接要求和带钢厚度跳跃不超过0.4mm。此时，就转变为多步满足第一种情况的带钢厚度切换过程，分别按照第一种情况的切换控制方法，可顺利完成整个切换过程。

实施例二

本实施例带钢连续退火炉为立式连退炉，产品定位为汽车板和家电板等，产品规格为(0.25～2.50)×(900～2000)mm²，最大工艺速度达到420m/min。该退火炉动态加热过程(辐射管加热段)如图3所示，炉内带钢在一定张力作用下由炉辊驱动，绕炉辊上下往返运行，通过带钢表面两侧的辐射管(W型)间接加热带钢。同时，为了防止带钢被氧化，炉内充满了保护性气体(约95％N₂+5％H₂)，可看作透明介质。所以，在辐射管加热段，带钢、辐射管、炉墙、炉辊等之间发生动态热交换，同时，由于相邻行程之间带钢温度相差较大也存在辐射换热，相互影响，必须加以考虑。此外带钢在运动过程中与炉气还存在对流换热，也应该考虑。该辐射管加热段，包含29个带钢道次，每个带道长度约21m，带钢在加热段总长度约650m，同时还布置了31列辐射管，根据带钢运行方向依次标记为AA、AB、AC、…、BH，每列布置了多排辐射管，加热段总共布置了346个W型辐射管。此外，在加热段设置了多根K型热电偶检测不同区域炉膛温度和不同列辐射管热点温度，其中，炉内不同区域根据炉温检测点和带钢运行方向依次标记为Zone1、Zone2、Zone3、…、Zone15。

本实施例现有不同厚度带钢之间切换生产：DC04钢种的带钢厚度从0.8mm切换到0.9mm，前后带钢宽度均为1800mm，前后带钢的加热段出口热处理温度工艺要求范围均为[830℃，850℃]。本实施例带钢厚度跳跃0.1mm且能满足焊接要求，采用本发明第一种情况的前后带钢厚度跳跃幅度不超过0.4mm且能满足焊接要求的切换控制方法，不用接入过渡卷过渡，具体的切换过程控制方法如图4所示，其中辐射管温度只列出了AA列、AB列、AC列、AD列、AE列变化曲线，其他列类似。首先，降低各列辐射管温度和各区炉温，当加热段出炉带温下降到830℃热处理温度下限时，保持各列辐射管温度和炉温不变，立刻将带钢速度由200m/min下降到173m/min保持不变，马上出炉带温会随之升高。在带钢速度刚开始为173m/min时，前后带钢的焊缝正好进入加热段。在焊缝出加热段的时候，出炉带温已经升高到热处理温度上限，但此时薄规格带钢已经出了加热段，厚规格带钢出炉温度立刻大幅度降低，降低到接近热处理温度下限830℃，此时提高辐射管温度和炉温到0.9mm规格正常操作带速下最佳热处理参数。在提高辐射管温度和炉温的过程中，出炉带温也会升高，当升高到热处理温度上限850℃时，立刻调整带速将其从173m/min提升到200m/min(0.9mm规格DC04带钢正常操作速度)，随之出炉带温会先降低一段时间，然后又缓慢升高，最后稳定到840℃左右。整个调整过程必须保证薄规格和厚规格带钢实际出炉温度均在热处理工艺要求的范围内，且过渡平稳，不产生大的温度波动，以保证产品性能及机组的稳定运行。

由上可知，在带钢厚度跳跃(0.1mm)不大时，可以不用过渡卷，通过协调辐射管温度、炉温和带速，就可使DC04带钢加热段出炉温度在规格变换过程一直保持在热处理工艺要求范围[830℃，850℃]内，但是在这个调整过程中，有几个操作关键点非常重要，分别是：①焊缝到达加热段出口的时间点A点或距离；②开始降速的时间点B点；③带速降到多少或称为中间过渡的稳态工况带速？或者说带速降低幅度为多少；④开始提速的时间点C点；⑤后带钢的最佳热处理参数。这些关键操作点均可按照上述本发明方法得到。

实施例三

本实施例的带钢连续退火炉具体情况同实施例二，不同之处是：

本实施例现有不同厚度带钢之间切换生产：DC04钢种的带钢厚度从0.8mm切换到1.0mm，前后带钢宽度均为1800mm，前后带钢的加热段出口热处理温度工艺要求范围均为[830℃，850℃]。本实施例带钢厚度跳跃0.2mm且能满足焊接要求，采用本发明第一种情况的前后带钢厚度跳跃幅度不超过0.4mm且能满足焊接要求的切换控制方法，不用接入过渡卷过渡，具体的切换过程控制方法如图5所示，其中辐射管温度只列出了AA列、AB列、AC列、AD列、AE列变化曲线，其他列类似。对于该非稳定工况，需要充分利用前后带钢焊缝在加热段出口时的出炉带温跳跃在热处理工艺要求范围[830℃，850℃]内，那么带钢由薄规格切换到厚规格的出炉带温跳跃最大只有20℃，而此时带钢厚度跳跃达到0.2mm时，必须在很低的带速、辐射管壁温和炉温下进行，才能保证前后带钢出炉温度在热处理工艺要求范围[830℃，850℃]内，本实施例中间过渡的稳态工况带速取100m/min，按照本发明方法在辐射管壁温和炉温调整过程中，多步调整带速协同配合，可保证焊缝出炉前和出炉后前后带钢出炉温度都在热处理工艺要求范围内，具体切换调整过程不再赘述。

实施例四

本实施例的带钢连续退火炉具体情况同实施例二，不同之处是：

本实施例现有不同厚度带钢之间切换生产：DC04钢种的带钢厚度从0.7mm切换到1.0mm，前后带钢宽度均为1800mm，前后带钢的加热段出口热处理温度工艺要求范围均为[830℃，850℃]。本实施例带钢厚度从0.7mm到1.0mm，由薄规格到厚规格带钢跳跃0.3mm，较大，不能满足焊接要求，采用本发明第二种情况的前后带钢厚度跳跃幅度超过0.4mm或不能满足焊接要求的切换控制方法，必须中间要接入一种厚度过渡卷带钢进行过渡，才能保证整个切换过程出炉带钢温度均在热处理工艺要求范围内。本实施例在带钢厚度0.7mm过渡到1.0mm之间，接入一段0.8mm厚的DC04带钢作为过渡卷，这样整个切换过程就分为：①带钢厚度从0.7mm过渡到0.8mm；②带钢厚度从0.8mm过渡到1.0mm。这两个切换过程厚度跳跃0.1mm和0.2mm分别按照本发明第一种情况切换控制方法就可完成，具体如图6所示，其中辐射管温度只列出了AA列、AB列、AC列、AD列、AE列变化曲线，其他列类似。

实施例五

本实施例的带钢连续退火炉具体情况同实施例二，不同之处是：

本实施例现有不同厚度带钢之间切换生产：DC04钢种的带钢厚度从1.2mm切换到1.5mm，前后带钢宽度均为1800mm，前后带钢的加热段出口热处理温度工艺要求范围均为[830℃，850℃]。本实施例带钢厚度跳跃0.3mm较大但是能满足焊接要求，采用本发明第一种情况的前后带钢厚度跳跃幅度不超过0.4mm且能满足焊接要求的切换控制方法，不用接入过渡卷过渡，具体的切换过程控制方法如图7所示，其中辐射管温度只列出了AA列、AB列、AC列、AD列、AE列变化曲线，其他列类似。对于该非稳定工况，需要充分利用前后带钢焊缝在加热段出口时的出炉带温跳跃在热处理工艺要求范围[830℃，850℃]内，那么带钢由薄规格切换到厚规格的出炉带温跳跃最大只有20℃，而此时带钢厚度跳跃达到0.3mm时，必须在很低的带速、辐射管壁温和炉温下进行，才能保证前后带钢出炉温度在热处理工艺要求范围[830℃，850℃]内，本实施例中间过渡的稳态工况带速取60m/min，按照本发明方法在辐射管壁温和炉温调整过程中，多步调整带速协同配合，可保证焊缝出炉前和出炉后前后带钢出炉温度都在热处理工艺要求范围内，但是整个过程时间较长，接近2小时，具体切换调整过程不再赘述。

实施例六

本实施例的带钢连续退火炉具体情况同实施例二，不同之处是：

本实施例现有不同厚度带钢之间切换生产：DC04钢种的带钢厚度从1.0mm切换到0.8mm，前后带钢宽度均为1800mm，前后带钢的加热段出口热处理温度工艺要求范围均为[830℃，850℃]。本实施例带钢厚度跳跃0.2mm且能满足焊接要求，采用本发明第一种情况的前后带钢厚度跳跃幅度不超过0.4mm且能满足焊接要求的切换控制方法，不用接入过渡卷过渡，具体的切换过程控制方法如图8所示，其中辐射管温度只列出了AA列、AB列、AC列、AD列、AE列变化曲线，其他列类似。对于该非稳定工况，需要充分利用前后带钢焊缝在加热段出口时的出炉带温跳跃在热处理工艺要求范围[830℃，850℃]内，那么带钢由厚规格切换到薄规格的出炉带温跳跃最大只有20℃，而此时带钢厚度跳跃达到0.2mm时，必须在很低的带速、辐射管壁温和炉温下进行，才能保证前后带钢出炉温度在热处理工艺要求范围[830℃，850℃]内，本实施例中间过渡的稳态工况带速取100m/min，按照本发明方法在辐射管壁温和炉温调整过程中，多步调整带速协同配合，可保证焊缝出炉前和出炉后前后带钢出炉温度都在热处理工艺要求范围内，具体切换调整过程不再赘述。

同一钢种带钢由薄规格到厚规格与由厚规格到薄规格的切换控制方法，原理上非常相似，不管带钢厚度跳跃是0.1mm、0.2mm、0.3mm和0.4mm等，在满足焊接要求条件下，均可在低带速、低辐射管壁温和炉温下完成前后带钢厚度切换，保证整个切换过程出炉带温跳跃在热处理工艺要求范围[830℃，850℃]内。

实施例七

本实施例的带钢连续退火炉具体情况同实施例二，不同之处是：

本实施例现有不同厚度带钢之间切换生产：DC04钢种的带钢厚度从1.0mm切换到0.7mm，前后带钢宽度均为1800mm，前后带钢的加热段出口热处理温度工艺要求范围均为[830℃，850℃]。本实施例带钢厚度从1.0mm到0.7mm，由厚规格到薄规格带钢跳跃0.3mm，较大且不能满足焊接要求，采用本发明第二种情况的前后带钢厚度跳跃幅度超过0.4mm或不能满足焊接要求的切换控制方法，必须中间要接入一种厚度过渡卷带钢进行过渡，才能保证整个切换过程出炉带钢温度均在热处理工艺要求范围内。本实施例在带钢厚度1.0mm过渡到0.7mm之间，接入一段0.8mm厚的DC04带钢作为过渡卷，这样整个切换过程就分为：①带钢厚度从1.0mm过渡到0.8mm；②带钢厚度从0.8mm过渡到0.7mm。这样分解的两个切换过程厚度跳跃分别为0.2mm和0.1mm，分别按照本发明第一种情况切换控制方法就可完成，具体如图9所示，其中辐射管温度只列出了AA列、AB列、AC列、AD列、AE列变化曲线，其他列类似。

实施例八

本实施例对实施例一中的退火炉加热段全炉带钢温度分布计算模型、加热段各列辐射管温度的动态优化设定模型进行补充说明，如图10所示，包括两大部分，第一部分是构建退火炉加热段全炉带钢温度分布计算模型，第二部分是构建加热段各列辐射管温度的动态优化设定模型，具体说明如下：

第一部分、构建退火炉加热段全炉带钢温度分布计算模型，如图11所示，主要包含以下分步骤：

步骤1.1、针对实际带钢连续退火炉动态加热过程的结构、工艺、设备和自动控制系统，确定加热段内部辐射管布置和结构尺寸、带道长度和数量、带钢产品规格和钢种、工艺速度、炉墙内部材质等情况。

本实施例带钢连续退火炉为立式连退炉与实施例二中的立式连退炉相同。

步骤1.2、设定加热段带钢温度分布计算模型的相关基础参数，包括带钢、辐射管和炉墙黑度、带钢密度和带钢比热容等。

本实施例中取值如下：带钢黑度取0.3，其对带钢温度的计算影响较大，可根据实测数据进行验证。辐射管的黑度取0.9。炉墙由于其内表面是光亮的不锈钢钢板，接近重辐射面，其黑度取0.075。带钢密度认为是常数，取7800kg/m³，带钢的比热容C_p采用下式进行计算。

C_p＝0.0019T²-1.5263T+791.65 (1)

步骤1.3、根据加热段辐射管布置和炉膛结构，将加热段分成很多封闭的辐射换热计算区域和带钢单元，比如图3中由虚线构成的封闭计算区域E11、E12、…、En1等，由P1点到P2点构成的带钢单元S11、由P2点到P3点构成的带钢单元S12等。封闭计算区域有两种：包含辐射管的区域和不包含辐射管的区域，构建封闭计算区域主要是为了计算带钢与辐射管、炉墙之间的辐射换热。这里应该注意，带钢左右两侧封闭计算区域的构建至关重要，每个封闭区域由左侧带钢表面、右侧带钢表面、辐射管表面、炉墙和多个假想面等n个表面构成。

步骤1.4、沿着带钢长度方向假设一种初始温度分布X_p(p＝0,1,2,...)，进行加热段全炉带钢温度分布初始化，即T_p'＝X_p,p＝0,1,2,...，其中，加热段全炉带钢上共离散为p+1个点，T_p'(p＝0,1,2,...)为初始化的加热段全炉带钢温度分布。本发明刚开始初始化的加热段全炉带钢温度分布采用理论退火温度曲线上的对应位置温度数据，所谓理论退火温度曲线是指从带钢入炉温度到期望出炉温度的线性加热曲线。

步骤1.5、对于每个带钢单元i＝1,2,...，进行热流密度计算。每个带钢单元接收的热流密度主要包括此带钢单元左右两表面的净辐射换热量(即辐射热流密度)、炉气与此带钢单元的对流换热量(即对流热流密度)。

要计算每个带钢单元左右两表面的辐射热流密度，根据上面已经划分好的辐射换热封闭计算区域，取其中一部分为例进行说明，比如图12中第i带钢单元，通过两侧封闭区域E1和E2辐射换热计算，求得该带钢单元两侧表面的辐射热流密度。而对于封闭区域E1和E2的辐射换热计算要知道该封闭体系中所有物体的温度、黑度和两两物体间的角系数，其中黑度已知，两两物体间的角系数也可确定，故还要知道辐射管温度、第i、j和k带钢单元的温度、炉墙的温度(取炉膛温度)。由带钢走向可知，第k带钢单元的温度已先计算，取该段带钢的平均温度，即(T_k+T_k+1)/2。第i和j带钢单元温度要作假设，本发明取理论退火温度曲线在此位置的带钢温度。

上述E1或E2每个封闭计算区域的辐射换热计算，采用如下方法：如果该封闭计算区域共有n个表面组成了该辐射换热系统；接下来，首先采用Monte Carlo法精确计算该封闭系统内每两个表面之间的角系数f_ik，则i表面的有效辐射J_i可用式(2)表示，式(2)为n个方程和n个未知的有效辐射J_i组成的方程组，采用迭代法可求出任意i表面的有效辐射J_i，那么就可以根据式(3)算出净辐射热流密度q_i，由此就可以得到每个带钢单元左右两表面的辐射热流密度。

式中：σ为Stefan-Boltzmann常数，ε_i为i表面黑度，T_i为i表面温度，f_ik为i表面到k表面的角系数。

对于带钢与炉气的对流换热，由于带钢在炉内高速运动，属于强制对流换热，可按照流体外掠平板的情况计算带钢与炉气的强制对流换热系数，再根据牛顿冷却公式可求得带钢单元表面的对流换热热流密度，如式(4)所示。

q_c＝2h_c(T_g-T_s) (4)

式中，q_c为带钢单元左右两表面与炉气间对流换热的热流密度，单位为W/m²；h_c为炉气和带钢单元之间的强制对流换热系数，单位为W/(m²·K)，T_g和T_s分别表示所在区域炉膛温度和带钢单元温度；根据努赛尔准数计算炉气与带钢的强制对流换热系数，如下式所示：

式中，h为对流换热系数，单位为W/(m²·K)；Nu为努赛尔准数；λ_f为导热系数，单位为W/(m·K)；L为特征尺寸，指流体流过平板的长度，单位为m。

公式(5)中努赛尔准数的计算根据流体在边界层不同的流动形态，采用不用的计算公式，如下所示：

层流区：Nu＝0.664Re^1/2Pr^1/3 Re<5×10⁵ (6)

湍流区：Nu＝(0.037Re^4/5-850)Pr^1/3 5×10⁵≤Re<10⁷ (7)

式中，Re为雷诺数，

其中u为流体速度，ν为运动粘度；Pr为普朗特数。此外，定性温度为所在区域炉膛区域温度和所计算带钢单元温度的平均值，定型尺寸L为所计算带钢单元长度。

步骤1.6、基于传热学理论，对每个带钢单元依次进行热平衡关系计算，由带钢单元接收的热量等于带钢单元升温所需热量(自身焓的增量)，可计算得到带钢单元端点温度T_i+1，如公式(8)所示。将最新计算值T_i+1与先前假设温度值相比较，如果相差较大，则使用这个新的温度T_i+1重新进行该带钢单元两侧封闭区域的辐射换热计算，反复迭代计算，直至相邻两次的计算温度足够接近为止(允许的最大温度误差为e)。同时，考虑到在上述辐射换热计算中使用的下游带钢温度是采用假设值，本实施例中在算得一次全炉带钢温度分布后，用这个最新计算值再进行上述所有的计算，反复迭代计算全炉带钢温度分布，直到相邻两次计算的全炉带钢温度分布足够接近为止，这个迭代过程收敛标准是允许的最大温度误差为e。

本实施例中最大温度误差e取值为0.1℃。

式中，T_i和T_i+1分别是第i带钢单元起点(i点)和端点(i+1点)的温度；q_i为第i带钢单元左右两侧表面总共接收到的热流密度，为第i带钢单元左右两侧表面的辐射热流密度和对流热流密度之和；ΔL_i,i+1为第i带钢单元上i点到i+1点的距离；ρ_s为带钢的密度；C_s,i为第i带钢单元的比热容，取第i带钢单元的平均温度求得比热容；δ_s为第i带钢单元的厚度，u_s为带钢速度。

步骤1.7、通过在加热段入口和出口安装响应快的红外辐射高温计实时测量入炉和出炉处高速运行的带钢温度，采用热电偶实时测量各列辐射管热点温度和炉膛温度等，获得入炉和出炉带温、各列辐射管温度、炉温、带速(即带钢速度)、带钢规格等实测数据，采用传热反问题方法在线实时校正加热段全炉带钢温度分布计算模型，对模型参数(如带钢黑度等)进行了自学习修正，以自适应实际炉况的变化，其中，传热反问题方法是指根据加热段全炉带钢温度分布计算模型求解算出的出炉带温与实测出炉带温比较，来反推模型参数修正量。

步骤1.8、基于准确的加热段全炉带钢温度分布计算模型，实现动态热过程跟踪。也就是根据实时测量的模型输入参数，包括带钢宽度、厚度和速度、加热段入口带钢温度、各列辐射管温度和各区域炉温，以一定时间周期实时预测全炉带钢温度分布，实现带钢温度分布变化的动态跟踪。

采用以上方法，本实施例针对具体工况：钢种：DC04，带钢速度：190m/min，带钢宽度：1470mm，带钢厚度：1.004mm，加热段入口带温191℃，辐射管AA列：746℃，AB列：797.5℃，AC列：777℃，AD列：748℃，AE列：755℃，AF列：691.5℃，AG列：743.5℃，AH列：808℃，AJ列：814.5℃，AK列：835.5℃，AL列：811℃，AM列：792.5℃，AN列：707℃，AP列：729.5℃，AQ列：770℃，AR列：833℃，AS列：790℃，AT列：757.5℃，AV列：903℃，AW列：865℃，AX列：862℃，AY列：870.5℃，AZ列：918℃，BA列：937℃，BB列：851.5℃，BC列：951℃，BD列：951.5℃，BE列：914.5℃，BF列：935℃，BG列：947℃，BH列：809℃，炉温Zone1：703℃，Zone2：737℃，Zone3：733℃，Zone4：672℃，Zone5：705℃，Zone6：744℃，Zone7：722℃，Zone8：715℃，Zone9：732℃，Zone10：852℃，Zone11：872℃，Zone12：927℃，Zone13：768℃，Zone14：891℃，Zone15：847℃；计算得到加热段出口带钢温度为837.65℃，全炉带钢温度分布如图13所示。

第二部分、加热段各列辐射管温度的动态优化设定模型。该模型是以第一部分的加热段全炉带钢温度分布计算和跟踪模型为基础来建立的，通过该模型计算可以优化现场的辐射管温度和炉温设定值参数，以提高加热段出口带钢温度在退火温度要求范围内的命中率。加热段正常工况计算优化中，最主要的一类是：已知钢种、热处理工艺要求和带钢规格，确定带钢速度、辐射管温度设定值、炉温设定值，使得机组产量最大。其本质仍然是在保证加热段出口带钢温度在热处理温度要求范围内对带速和辐射管温度设定值、炉温设定值的动态优化，也就是加热段各列辐射管温度的动态优化设定模型，包括如下分步骤：

步骤2.1、辐射管加热段往往成为限制整个连续退火机组产量的关键炉段，有必要先对该炉段不同钢种不同规格带钢的极限速度进行分析。在特定的带钢连续热处理机组和辐射管极限加热能力的前提下，根据带钢钢种、规格、出炉带钢温度热处理工艺要求，采用加热段带钢温度分布计算模型推算极限速度(机组所允许的最高速度)，如图14所示，首先带速u赋初值u₀并设定终止误差ε，再根据带钢钢种、宽度和厚度、所有列辐射管温度取最大值，利用加热段带钢温度分布计算模型，求得出炉带钢温度T₁，将T₁和出炉带温热处理工艺要求范围下限T₂比较，如果满足0≤ΔT＝T₁-T₂≤ε，则辐射管加热段极限带速u_max＝u，否则，需要给现在的带速增减一个微小量Δu，即u＝u±Δu，再带入加热段带钢温度分布计算模型重新求得出炉带钢温度T₁，直到满足条件0≤ΔT＝T₁-T₂≤ε，求出极限带速，程序停止。本发明实施例ε取0.1℃，Δu取1.0m/min

但是，整个连续退火机组的极限带速还受其他炉段的要求限制，比如过时效段工艺要求最小过时效时间，所以该炉段极限带速应该为该炉段展开长度与最小过时效时间之比。最终机组的极限带速应该取辐射管加热段与其他炉段极限带速中的最小值。本发明采用机组的极限带速作为产量最大化的带速。

步骤2.2、在以上基础上，构建加热段各列辐射管温度的动态优化设定模型，如图15所示。具体如下：首先，设定该模型的基本参数(同步骤1.2)，根据已知钢种的理论退火温度曲线产生加热段出口的期望带温T_exp，设定一组各列辐射管温度试探值。然后，全部输入到加热段全炉带钢温度分布计算模型，计算在辐射管试探值下的加热段出口带钢温度预测值T_p。其次，根据目标函数△T＝T_p-T_exp<eps，判断是否需要调整各列辐射管温度，如果达不到目标函数条件，则同时采用下式调整各列辐射管温度，如果目标函数达到条件，就可得到辐射管温度优化值。其中eps为温度误差收敛标准。

T_i,tube＝T_i,tube-f*△T i＝1,2,...,31 (9)

式中，T_i,tube为第i列辐射管温度，f为辐射管温度调整系数，△T为加热段出口带钢温度预测值和期望值之差。

在本实施例中，eps取0.5℃，辐射管温度调整系数f取0.1，各区域炉温设定值取值为所在列的辐射管温度设定值减去50℃。

步骤2.3、满足热处理工艺要求的不同带钢加热模式优化并选择。

通过以上加热段各列辐射管温度的动态优化设定模型可知，加热段出口要获得期望的带钢温度，加热段炉膛内的各列辐射管温度的设定值存在多种组合都可以满足要求，不同的组合对应不同的带钢加热模式。也就是说，要保证加热段出口带钢温度满足热处理工艺要求，存在多种不同的带钢加热升温模式，可以根据实际需要，选取不同的带钢加热模式进行计算优化。本发明提出两种满足热处理工艺要求的典型带钢加热模式，对应的加热段各列辐射管温度设定值组合也存在两种模式：各列辐射管温度相同模式(加热模式一)和各列辐射管温度递增模式(加热模式二)。对于加热模式二，即各列辐射管温度递增模式，本发明从第一列辐射管温度开始，各列温度增量取15℃，直到某一列辐射管温度达到最大值，之后的列辐射管温度都为最大值。

在本实施例中，针对具体工况：钢种为DC04，其加热段出口退火温度要求为840℃，加热段入口实测温度为151℃，带钢宽度为1800mm，带钢厚度为1.0mm，带钢速度为180m/min，辐射管平均壁温最高能加热到950℃等。在这样的工况条件下，本发明提出的两种带钢加热模式，如图16所示，对应的辐射管和炉膛温度设定值如下表1所示。由此结果可知，加热模式一各列辐射管温度设定值相同，温度较高，相比加热模式二能源损耗更大，无疑增加了生产成本，但其优点是在炉子里面带钢达到再结晶温度的时间要长一些，使退火后带钢的晶粒度相比加热模式二要大一些；而加热模式二非常接近理论退火工艺曲线，其最大优点就是节能降耗。在带钢退火组织和性能能满足要求的条件下，从成本最低化角度考虑，采用加热模式二更经济。上述优化中，如果要使机组产量最大化，带钢速度应取步骤2.1得到的极限带速进行辐射管和炉膛温度设定值计算。

表1计算优化的加热模式一和加热模式二对应辐射管和炉膛温度设定值

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种连续退火炉加热过程中带钢规格切换的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：通过前一钢卷带尾和后一钢卷带头焊缝位置的跟踪实现带钢位置的跟踪；

S2：根据辐射管加热段结构和工艺特点，通过辐射管、带钢、炉墙和炉气之间的传热计算，构建加热段全炉带钢温度分布计算模型，每隔设定时间计算带钢温度，再基于加热段全炉带钢温度分布计算模型，构建加热段各列辐射管温度的动态优化设定模型；

S3：根据焊缝前后带钢厚度跳跃幅度和能否满足焊接要求，分多种情况，采用不同的切换控制方式以及对应的动态切换控制参数，其中，前带钢与后带钢的钢种相同、规格不同。

2.根据权利要求1所述的一种连续退火炉加热过程中带钢规格切换的控制方法，其特征在于：在所述步骤S1中，焊缝位置的跟踪，是通过焊缝位置的实时计算来实现，计算公式如下：

L_w＝L_d+V_s·t

其中，L_w为焊缝位置，L_d为焊缝检测仪器的位置，V_s为当前时刻的带钢速度，t为焊缝经过焊缝检测仪器之后的时间。

3.根据权利要求1所述的一种连续退火炉加热过程中带钢规格切换的控制方法，其特征在于：在所述步骤S2中，所述加热段各列辐射管温度的动态优化设定模型根据已知钢种、热处理工艺要求和带钢规格，确定带钢速度、辐射管温度设定值、炉温优化设定值，使得机组产量最大，并基于加热段各列辐射管温度的动态优化设定模型计算，建立稳定工况下不同钢种、规格和带速下，满足退火工艺要求的最优热处理操作参数库，即稳定工况最优热处理操作参数库。

4.根据权利要求1所述的一种连续退火炉加热过程中带钢规格切换的控制方法，其特征在于：在所述步骤S3中，根据前后带钢截面积比值是否在0.8～1.2范围内判断是否满足焊接要求，其中，带钢截面积等于带钢宽度和带钢厚度的乘积。

5.根据权利要求1所述的一种连续退火炉加热过程中带钢规格切换的控制方法，其特征在于：在所述步骤S3中，多种情况分别为前后带钢厚度跳跃幅度不超过0.4mm且能满足焊接要求、前后带钢厚度跳跃幅度超过0.4mm或不能满足焊接要求。

6.根据权利要求5所述的一种连续退火炉加热过程中带钢规格切换的控制方法，其特征在于：在所述步骤S3中，当焊缝前后带钢厚度跳跃幅度不超过0.4mm且能满足焊接要求，焊缝前后带钢是由薄规格变厚规格、厚规格变薄规格时的切换控制方式包括以下步骤：

S301：根据焊缝前后带钢钢种、前后带钢退火温度控制目标、前后带钢规格，并根据稳定工况最优热处理操作参数库，查找对应条件下的前带钢稳态工况和后带钢稳态工况对应的最优处理速度、各列辐射管温度及炉温设定值，其中，前带钢稳态工况记为稳态工况1，后带钢稳态工况记为稳态工况3；

S302：计算确定前后带钢规格过渡的中间稳态工况的最优处理速度、各列辐射管温度和炉温设定值及处理时间，其中，中间稳态工况记为稳态工况2；

S303：前带钢按照其对应的稳定工况1最优热处理操作参数进行生产；

S304：根据加热段全炉带钢温度分布计算模型的动态仿真，计算前后带钢焊缝入炉前的辐射管温度和炉温调整时刻；从该炉温调整时刻，降低辐射管温度，从稳定工况1的辐射管温度设定值按照实际辐射管温度下降速度，调整到稳定工况2的辐射管温度设定值，然后保持不变，达到稳态工况2的处理时间后，按照实际辐射管温度上升速度，提升辐射管温度，从稳定工况2的辐射管温度设定值调整到稳定工况3的辐射管温度设定值；

S305：从炉温调整时刻开始，随着辐射管温度降低，出炉带温随之下降，当出炉带温下降至接近热处理温度下限时，降低一次带速，降低带速幅度须保证出炉带温不超过热处理温度上限；采用上述方式，逐步调整带速，从稳定工况1的带速逐步降低到稳定工况2的最优处理带速设定值；然后在稳态工况2的带速、辐射管壁温和炉温下进行带钢厚度切换，当前后带钢焊缝出炉时，控制出炉带温跳跃幅度小于热处理温度上限减去热处理温度下限的差值；当前后带钢焊缝出炉后，随之辐射管温度的提升，当出炉带温上升至接近热处理温度上限时，提升一次带速，提升带速幅度须保证出炉带温不低于热处理温度下限；采用上述方式，逐步调整带速，从稳定工况2的带速逐步提升到稳定工况3的带速设定值；

S306：达到后带钢的热处理稳态工况3，完成带钢厚度由薄规格到厚规格或者由厚规格到薄规格切换。

7.根据权利要求6所述的一种连续退火炉加热过程中带钢规格切换的控制方法，其特征在于：所述步骤S302的具体过程如下：

S3021：先选择稳态工况1的带钢速度作为稳态工况2的最优处理速度，在该带钢速度下，按照钢种、前带钢热处理温度上限(由薄变厚时)或前带钢热处理温度下限(由厚变薄时)、前带钢规格，由稳定工况最优热处理操作参数库查询得到稳态工况2的最优热处理操作参数(各列辐射管温度及炉温设定值)；

S3022：根据稳态工况2对应的最优热处理操作参数，再利用加热段全炉带钢温度分布计算模型，来验证在该带钢速度和稳态工况2的最优热处理操作参数下，用后带钢规格算出来的加热段出炉带钢温度是否低于热处理温度下限(由薄变厚时)或者高于热处理温度上限(由厚变薄时)，如果是，逐步选择更低的带钢速度，重复上述计算过程，直到用后带钢规格算出来的加热段出炉带钢温度刚好不低于热处理温度下限(由薄变厚时)或者不高于热处理温度上限(由厚变薄时)，此时的带钢速度即为稳态工况2的最优处理速度，以及确定此时对应的各列辐射管温度及炉温设定值；

S3023：稳态工况2的处理时间的选取，须保证前带钢出加热段的时候出炉带温稳定到接近热处理温度上限(由薄变厚时)或者接近热处理温度下限(由厚变薄时)保持不变。

8.根据权利要求5所述的一种连续退火炉加热过程中带钢规格切换的控制方法，其特征在于：在所述步骤S3中，当焊缝前后带钢厚度跳跃幅度超过0.4mm或不能满足焊接要求，无论带钢厚度是由薄变厚或厚变薄，在前后带钢之间插入一种厚度或多种厚度的过渡卷带钢进行过渡，转变为多步且满足焊缝前后带钢厚度跳跃幅度不超过0.4mm且能满足焊接要求情况的带钢厚度切换过程，每步分别按照焊缝前后带钢厚度跳跃幅度不超过0.4mm且能满足焊接要求情况下的切换控制方式，完成整个切换过程。

9.根据权利要求8所述的一种连续退火炉加热过程中带钢规格切换的控制方法，其特征在于：在前后带钢之间插入的一种厚度或多种厚度的过渡卷带钢须满足焊接要求且带钢厚度跳跃不超过0.4mm。

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