CN115896443A

CN115896443A - 一种加热辊底炉钢板的智能运行控制方法

Info

Publication number: CN115896443A
Application number: CN202110943340.8A
Authority: CN
Inventors: 贾凌锋; 吴祖国; 秦建超
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2021-08-17
Filing date: 2021-08-17
Publication date: 2023-04-04

Abstract

一种加热辊底炉钢板的智能运行控制方法，根据不同厚度的钢板建立钢板的运行控制，所述控制包括有：入炉运行的控制、出炉运行的控制及炉中运行的控制；所述入炉运行的控制、出炉运行的控制呈分别独立的控制设置；所述炉中运行的控制以出炉运行的控制为前提而设置。本发明的一种加热辊底炉钢板的智能运行控制方法，实现了不同厚度规格钢板在炉时间与保温时间的分别保证，并可针对不同厚度规格的钢板进行各自保温阶段的分别判定，使得运行控制精细化到每种钢板及同一规格下的每块钢板。

Description

一种加热辊底炉钢板的智能运行控制方法

技术领域

本发明属于工业炉热工领域，具体涉及一种加热辊底炉钢板的智能运行控制方法。

背景技术

热轧钢板的运行方式对产品工艺制度影响较大，作为产品的关键质量控制要素，国外法国斯坦因公司在辊底式辊底炉有着较强的研究与技术优势，但其对辊底炉内钢板运行方式的核心技术保密。

炉底辊工艺速度

钢板运行工艺速度V＝(有效加热长度—钢板长度)÷(板厚×升温速度+保温时间)

炉底辊速度分配

炉底辊速度分配原理：没有钢板控制的辊道单独分配固定低速，以保护炉辊并节能。有钢板的辊道按钢板影响范围分配速度。钢板影响范围是指钢板覆盖区域内的辊道。钢板影响范围内的辊道受钢板控制。按炉内的钢板跟踪镜像分配其所控制范围内的炉内辊道速度。

生产流程为：钢板辊道入炉，然后设定加热参数，当炉内检测温度达到设定温度时进入保温阶段，保温开始计时，等保温时间达到时，开启炉门，钢板高速出炉。钢板尺寸为(2000～12000)mm×(900～2300)mm×(2～12)mm。钢板厚度数据通过L2获取。当检测到辊底炉内有足够的装料空间，同时满足前一块钢板尾部之间的间隔距离要求时，就具备了入炉条件，在接到允许入炉的信号后，炉门开启，炉外装料辊道和炉内装料区域辊道同速运行，钢板以20m/min快速入炉；当钢板的尾部离开设置在装料炉口内侧的检测器后，关闭炉门，同时辊道降速并按照L1给定的工艺速度运行。

钢板出炉，在连续运行制度下，钢板头部运行到出炉口处金属检测器的位置，且炉内高温计判断钢板已达到设定的加热目标温度时，出料炉门打开，钢板长度范围所包含的辊道快速启动，将加热好的钢板快速送出炉外。

申请号为：CN201910444022.X的发明申请，公开了“一种基于带钢表面亮度检测的BMD产线速度控制方法”，其首先灰度值偏差大小以及计算出自动控制增益系数；然后通过灰度值偏差乘以控制增益系数，得到夹送辊速度的调整量，对调整量进行限幅。最后将限幅后的调整量与上一次计算的夹送辊速度进行相加，得到当前的夹送辊速度同时进行保存。

申请号为：CN201911053969.4的发明申请，公开了“轧制控制装置、轧制控制方法、以及轧制控制程序”，其中的轧制控制装置对由轧辊对进行轧制的轧制机进行控制，具备：根据板厚控制轧辊间隔并根据张力将输入侧的转矩控制为恒定值的单元；根据板厚控制轧辊间隔并根据张力控制从输入侧送出的被轧制材料的速度的单元；根据张力控制轧辊间隔并根据板厚控制从输入侧送出的被轧制材料的速度的单元；根据轧制状态选择基于上述各单元的控制中的任意一个的控制方式选择单元；以及根据板厚选择可否控制轧辊周速度并在选择了周速度的控制的情况下控制轧辊的周速度的轧辊速度选择控制单元。

申请号为：CN202010767681.X的发明申请，公开了“一种低温辊底式热处理炉钢板加热的控制方法”，包括以下步骤：S1.建立辐射换热+对流换热的传热模型，计算钢板表面热流密度，计算炉内钢板实时温度；S2.判断钢板是否达到热处理目标温度，若未达到，则重复步骤S1，进入下一计算周期再次判断；若达到，开始保温，计算此时钢板所在炉内的位置，并计算钢板到达热处理炉出口时的保温时间；判断钢板到达热处理炉出口时的保温时间是否满足最短保温时间的工艺要求，若不满足，则调整炉温和/或辊速，重复步骤S1和S2，进入下一计算周期再次判断；若满足，则保持当前炉温和辊速。

发明内容

本发明提供了一种加热辊底炉钢板的智能运行控制方法，其技术方案具体如下：

一种加热辊底炉钢板的智能运行控制方法，其特征在于：

根据不同厚度的钢板建立钢板的运行控制，所述控制包括有：

入炉运行的控制、出炉运行的控制及炉中运行的控制；

所述入炉运行的控制、出炉运行的控制呈分别独立的控制设置；

所述炉中运行的控制以出炉运行的控制为前提而设置。

根据本发明的一种加热辊底炉钢板的智能运行控制方法，其特征在于：

所述炉中运行的控制，以炉内每一块钢板作为独立的控制对象，根据炉内钢板数量和位置建立炉内辊道全程动态分组，形成炉内每块钢板的独立控制或联合控制。

所述的入炉运行的控制，具体包括如下步骤：

S11：过程计算机实时判定待入炉钢板与在炉钢板是否是同一规格钢板，若是同一规则钢板，则进入步骤S12，否则进入步骤S13；

S12：实时检测辊底炉内的装料空间是否符合装料要求，若符合装料要求，则触发钢板的入炉运行，否则等待直至符合装料要求；

S13：根据工艺要求的加速速率和保温时间参数预测钢板的总在炉时间，并将预测的总在炉时间与炉内最后一块钢板的剩余在炉时间进行比较；

若预测的总在炉时间大于等于炉内最后一块钢板的剩余在炉时间则进入步骤S12，否则等待、直至预测的总在炉时间大于等于炉内最后一块钢板的剩余在炉时间后进入步骤S12。

所述出炉运行的控制以是否满足保温时间及其他出炉条件要求为依据，分别形成满足保温时间及其他出炉条件要求时的连续运行方式、不满足保温时间及其他出炉条件要求时的摆动运行方式、连续+摆动运行方式。

形成炉内每块钢板的独立控制或联合控制，具体为：

以每块钢板前后之间的工艺设定距离为限进行连锁区域的设置，

若前后钢板之间的距离小于工艺设定距离，则后一块钢板进入前一块钢板的连锁区域，按照前一块钢板的控制节拍形成联合控制，否则按照工艺设定对后一块钢板进行独立控制。

首先根据初始加热速率、钢板规格及目标保温时间确定钢板的运行速率，

然后根据预测保温时间与目标保温时间对上述确定的钢板运行速率进行修正，根据修正完成钢板运行速率的确定。

所述的连续运行方式、摆动运行方式、连续+摆动运行方式，具体为：

当满足保温时间及其他出炉条件要求时，按照工艺设定建立的控制对每块钢板建立控制、形成连续运行方式；

当不满足保温时间及其他出炉条件要求时，对位于出炉端的第一块钢板建立摆动运行方式的控制；对之后的钢板建立连续或连续+摆动运行方式的控制。

所述的“根据预测保温时间与目标保温时间对上述确定的钢板运行速率进行修正”，具体包括如下步骤：

S21：根据初始加热速率、钢板规格及目标保温时间确定钢板的运行速率；

S22：预测计算钢板的保温开始时刻及保温起始位置，并据此完成钢板保温时间的预测；

S23：将预测的钢板保温时间与目标保温时间进行比较，若满足偏差要求，则按照S21中确定的钢板运行速率建立钢板运行速率，否则对钢板运行速率进行修正，并根据修正后的钢板运行速率进入步骤S21，直至预测的钢板保温时间与目标保温时间满足偏差要求，则设定此次预测对应的钢板运行速率为钢板实际运行的钢板运行速率。

步骤S21中所述的预测计算钢板的保温开始时刻，具体包括如下步骤：

S31：基于热平衡方程的数值解建立对钢板温度的实时数值表征；

S32：将钢板温度的实时数值与钢板热处理的目标温度值进行比较，若比较结果符合工艺设定，则将该时刻点作为保温开始时刻，否则等待直至钢板温度的实时数值与钢板热处理的目标温度值的比较结果符合工艺设定。

所述的“对之后的钢板建立连续或连续+摆动运行方式的控制”，具体为：

若前后钢板之间的距离小于工艺设定距离，则后一块钢板进入前一块钢板的连锁区域，按照前一块钢板的控制节拍形成摆动运行方式的控制，否则按照工艺设定对后一块钢板建立连续运行方式的控制。

所述的摆动运行方式，具体为：

按照炉内辊道的周长建立摆动的距离，以先先后摆动设定的时间，然后停止设定的时间，最后向前摆动设定的时间的节拍建立对钢板的摆动运行方式的控制。

步骤S31具体为：

基于一维非稳态导热微分方程，根据数值法建立对钢板温度的表达如下：

其中，

t：钢板温度，单位：℃；

t_∞：炉子设定的炉温，单位：℃；

t₀：入炉时的初始温度，单位：℃；

h：钢板的综合换热系数，单位：W/(m²·℃)；

_τ：钢板加热时间，单位：S；

_ρ：钢板密度，单位：kg/m³；

_c：钢板比热，单位：kJ/(kg·℃)；

_δ：钢板厚度的一半，单位：mm。

所述钢板的综合换热系数，先根据不同炉温下的埋偶实验测定值进行拟合，然后再通过热平衡微分方程对拟合值进行验证从而确定。

所述钢板的综合换热系数，具体为：

其中，

_h：钢板的综合换热系数，单位：W/(m²·℃)；

t_∞：设定的炉温，单位：℃；

μ：升温速率调节参数；

K：不同炉温的炉温系数。

本发明的一种加热辊底炉钢板的智能运行控制方法，针对不同厚度的钢板建立了入炉运行的控制、出炉运行的控制及炉中运行的控制，实现了不同厚度规格钢板在炉时间与保温时间的分别保证，并可针对不同厚度规格的钢板进行各自保温阶段的分别判定，使得运行控制精细化到每种钢板及同一规格下的每块钢板。

附图说明

图1为本发明的炉内钢板运行示意图；

图2为本发明中的入炉运行控制的步骤示意图；

图3为本发明中的钢板运行速率修正的步骤示意图；

图4为本发明中的预测计算钢板的保温开始时刻的步骤示意图；

图5为本发明实施例中的钢板入炉控制流程图；

图6为本发明实施例中的钢板炉内按需摆动控制流程图；

图7为本发明实施例中的炉底辊运行状态转换控制示意图；

图8为本发明实施例中的钢板炉内运行控制流程图；；

图9为本发明实施例中的钢板几何模型示意图。

具体实施方式

下面，根据说明书附图和具体实施方式对本发明的一种加热辊底炉钢板的智能运行控制方法作进一步具体说明。

一种加热辊底炉钢板的智能运行控制方法，

入炉运行的控制、出炉运行的控制及炉中运行的控制；

所述炉中运行的控制以出炉运行的控制为前提而设置。

其中，

所述的入炉运行的控制，如图2所示，具体包括如下步骤：

其中，

形成炉内每块钢板的独立控制或联合控制，具体为：

其中，

如图3所示，所述的“根据预测保温时间与目标保温时间对上述确定的钢板运行速率进行修正”，具体包括如下步骤：

其中，如图4所示，

其中，

所述的摆动运行方式，具体为：

其中，

步骤S31具体为：

其中，

t：钢板温度，单位：℃；

t_∞：炉子设定的炉温，单位：℃；

t₀：入炉时的初始温度，单位：℃；

_h：钢板的综合换热系数，单位：W/(m²·℃)；

_τ：钢板加热时间，单位：S；

_ρ：钢板密度，单位：kg/m³；

_c：钢板比热，单位：kJ/(kg·℃)；

_δ：钢板厚度的一半，单位：mm。

其中，

所述钢板的综合换热系数，具体为：

其中，

_h：钢板的综合换热系数，单位：W/(m²·℃)；

t_∞：设定的炉温，单位：℃；

μ：升温速率调节参数；

K：不同炉温的炉温系数。

工作过程、原理及实施例

下述的工作过程原理阐述，需结合图1、5、6、7、8、9对各相应部分进行理解。

钢板入炉：当检测到辊底炉内有足够的装料空间，同时满足前一块钢板尾部之间的间隔距离要求时，就具备了入炉条件，在接到允许入炉的信号后，炉门开启，炉外装料辊道和炉内装料区域辊道同速运行，钢板以20m/min快速入炉；当钢板的尾部离开设置在装料炉口内侧的检测器后，关闭炉门，同时辊道降速并按照给定的工艺速度运行。

当进行换规格生产时候，对新来的钢板根据工艺要求的加热速率和保温时间参数预测计算钢板的总在炉时间，如果新钢板的总在炉时间比炉内最后一块钢板的剩余在炉时间大时，则新钢板可入炉；否则，新钢板等待，直到满足新钢板的总在炉时间比炉内最后一块钢板的剩余在炉时间大，则对新钢板下发入炉指令。

钢板在炉内加热的时间随钢板的厚度增加而加长，为了在有限炉长的条件下不同厚度钢板能得到不同的在炉加热和保温时间，炉内辊道采取不同的运行制度。根据装炉系统提供的钢板数据(厚度、加热工艺、长度、重量等)自动选择钢板在炉内的运行制度，钢板在炉内运行制度为连续运行、摆动运行、连续+摆动三种方式。

钢板在炉内传送并加热，根据工艺速度的高低，决定实际运行速度，或者直接以工艺速度前进，或者以摆动前进的方式运行。

当出炉方向最前端的钢板到达待出炉位置，等待出炉。如果温度条件或时间条件或其它出炉端连锁条件等不满足，该块钢板将自动原地摆动，该块钢板之后的其余钢板根据炉内辊道传动模型自行决定或者继续前进或者跟随摆动。

控制功能说明：

如图6所示，当装炉辊道检测有钢等待入炉时，由跟踪知道炉内入炉辊道组无钢，则装料炉门打开，钢板以最高速度快速进入炉内。

钢板炉内运行具备三种运行方式：连续模式、摆动模式、连续+摆动模式。以炉内每一块钢板作为一个独立的控制对象，根据炉内钢板数量和位置实现炉内辊道全程动态分组，实现炉内每块钢板的独立控制和联合控制。

当炉内有钢板等待出炉时，由跟踪知道炉外辊道无钢且允许出钢，则出料炉门打开，钢板以最高速度快速出炉。

炉内每块钢板各自以自己的工艺速度前进，当第一块钢板的出炉条件满足时，将发出出炉请求，并以出炉速度高速出炉。

当第一块钢板到达出炉位置，其余出炉条件不满足时，钢板开始摆动。钢板先向后摆动X秒；暂停Y秒；再向前向前摆动Z秒。完成一个摆动周期。

当装炉端钢板摆动时，炉内后部有装炉空间时，可以继续装钢，进入炉内的钢板，在前面还有前进的空间时，钢板不需要摆动，可以继续前进。

钢板与前面的钢板的间距小于安全距离时，将与前一块速度同步。当前一块钢板向后摆动时，后一块钢板跟随前一块钢板也向后摆动。当前一块向前摆动时，后一块钢板与前一块钢板间距大于安全间距，与前一块解除速度同步，以自己的工艺速度继续前进；当与前一块钢板间距小于安全间距，与前一块速度同步，如此循环实现后一块钢板的自动摆动。每一块进行上述循环，实现炉内钢板的按需传递摆动。

如图7所示，炉内辊道控制原理为：钢板控制其影响范围内的辊道，对其分配各种速度；钢板控制范围外的辊道集中单独分配速度。炉内钢板和辊道具有复杂多样的速度控制模式，并在一定条件下互相转换：

炉底辊根据钢板位置动态的划入前一块钢板范围的前一组辊道或后一块钢板范围的后一组辊道，速度为工艺速度；

钢板范围外的辊道保持固定低速，以保护炉辊并节能；

当工艺速度低于炉底辊电机及逆变器设备安全保护最低速度时，钢板一边摆动一边前进，尽量避免影响加热速率、浪费有效加热空间的全炉整体摆动；

出炉条件不满足时，进行按需传递摆动。

出炉条件不满足时，小于安全间距时，摆动向后端装炉方向传递；

炉内位置跟踪严重错误时，进行保护性全炉整体摆动；

炉底辊静止超时后，进行保护性全炉整体摆动。

如图8所示，钢板的炉内运行流程，以第一块钢板为例进行描述：第一块钢板装入炉内后，如果还没有前进到出炉位置，钢板可以继续以工艺速度前进。

如果第一块钢板已经前进到出炉位置，系统将进行出炉条件判断，如果出炉条件满足(加热时间满足要求，加热温度满足要求，出料炉门准备好，出料辊道准备好)，钢板将以出炉速度自动高速出钢。

如果第一块钢板已经前进到出炉位置，出炉条件不满足，钢板将自动进入按需传递摆动模式。

按需传递摆动模式为以按需摆动速度，先向后摆动x分钟，停止y秒钟，再向前摆动z分钟，如此循环摆动。摆动的距离约为炉内辊道的周长，使炉内辊道在热负荷下在横向的各个方向均匀受力，防止变形，以保护炉内辊道。

第一块钢板出炉条件满足时，钢板将继续自动高速出炉，并结束炉内跟踪。

每块钢板装入炉内后，系统根据该钢板的钢种、厚度在层别表中搜索，得到该钢板的加热速率(min/mm)、目标温度和目标保温时间。根据初始加热速率(min/mm)、钢板规格、目标保温时间确定钢板的运行速率，在保证热负荷能够满足，且不超温的情况下，升温段采用最大温度设定值进行温度控制，预测计算钢板的保温开始时刻和保温起始位置，进而预测钢板的保温时间，然后将保温时间与目标保温时间比较，如果保温时间不满足偏差要求，则对钢板运行速率进行修正，通过修正后的钢板运行速率，对保温时间再一次预测，直到保温时间满足偏差要求为止。

钢板处于保温阶段时，根据实际已经保温的时间、钢板当前位置、目标保温时间，确定钢板的运行速率。

钢板是否达到热处理目标温度的判断条件为：

t_m-t≤5℃时，t为钢板计算温度(℃)，t_m为钢板热处理目标温度(℃)；满足条件时，钢板进入保温阶段，开始计时。

上述中的预测计算钢板的保温开始时刻，根据以下进行：

如图9所示的钢板几何模型，初始温度为t₀，厚度为2δ钢板在炉内一维非稳态加热过程，上下对称分析，体积为V、表面积为A、密度为ρ、比热为c以及初始温度为t₀，放入温度为t_∞、综合传热系数为h的环境中，在任一时刻系统的热平衡关系为：

初始条件为τ＝0，t＝t₀引入过余温度：θ＝t-t_∞方程简化为：

θ|_τ＝0＝θ₀分离变量积分并代入初始条件得出

傅立叶数

其中

为热扩散率，λ为钢板导热系数，ρ为钢板密度kg/m³，c为钢板比热kJ/(kg·℃)。对于厚度为2δ的钢板对称分析，V/A＝δ。因此，钢板温度为

t_∞为炉膛设定温度，θ₀＝t₀-t_∞

炉内有辐射传热和对流传热两种传热方式，钢板的综合换热系数h和温度的关系通过不同炉温下的埋偶实验数据和辐射及对流传热系数计算，通过热平衡关系式

进行验证，拟合不同炉温下的数据得到：

t_∞设定的炉温℃(钢板目标温度+10～15℃)；

τ为加热时间，s；δ为钢板厚度D/2，mm；

μ升温速率调节参数，μ调节范围0.8～1.2，当模型计算的钢板升温速率太快时，把μ调小，反之调大。

K值取值0.002～0.0025，不同炉温的系数通过炉子埋偶试验计算修正。

t_m钢板目标温度℃。