TWI544196B - 連續式加熱爐之自動溫控方法 - Google Patents

Description

連續式加熱爐之自動溫控方法

本發明是有關於一種溫度控制方法，且特別是有關於一種連續式加熱爐之自動溫控方法。

鋼胚之連續式加熱爐包含數個子區，例如預熱區、加熱區與均溫區。由於鋼胚較厚，且鋼胚之表面有鏽皮，因此無法直接測量鋼胚的溫度。故，加熱爐內所有鋼胚的溫度變化僅能利用數值方法來求得。

針對加熱爐之溫控，2001年出版之上海交通大學學報第35卷第9期中提出步進式加熱爐建模和爐溫優化設定策略的技術。另外，2006年出版之系統仿真學報第18卷第3期中提出步進式加熱爐爐溫優化算法的改進與計算機仿真的技術。在此步進式加熱爐爐溫優化算法的改進與計算機仿真技術中，係於離線狀態下，利用數值熱傳與最佳化方法，來計算最少在爐時間與最大在爐時間等情況之最佳爐溫配置，並製作爐溫設定值表。此外，在加熱製程中，對應於一在爐時間之最佳爐溫分配則可透過爐溫設定值表而利用內差的方式來查詢。否則，採用對胚溫與目標升溫曲線之差值進行爐溫補償，或依不同線速變化進行爐 溫修正。

此技術需先製作爐溫設定值表。此爐溫設定值表雖可在鋼胚穩定運行時有效穩定爐溫控制，但當軋延不順而使得鋼胚之在爐時間持續變化時，此爐溫設定值表中所列就非最佳爐溫值。而另外採用之補償或修正方法主要是在節省計算時間，並非用以協助尋求最適爐溫值。

由上述文獻與習知技術可歸納出目前針對加熱爐有兩種溫控方法。第一種方法是目標升溫曲線之爐溫控制法。此種習知技術係事先以數值熱傳計算法或經驗法則，來擬定鋼胚目標升溫曲線。再於加熱製程中，依鋼胚與目標曲線之溫度差值，調整當下之爐溫值。然而，由於最適目標曲線會隨目前鋼胚之胚溫與在爐時間而變，而可能導致鋼胚於同子區前後半段的爐溫設定質不同，如此一來會使得爐溫設定值變化劇烈，不僅影響加熱品質，更增加能耗。

第二種方法係以數值熱傳法求得鋼胚之不同在爐時間的最佳爐溫配置，並製作成表。於鋼胚加熱製程中，依不同在爐時間，由表中查詢所需爐溫值。但當鋼胚因延誤，例如軋延延誤，而溫度偏高，於回復原來在爐時間時，爐溫設定值仍為表中的爐溫值。如此一來，將導致鋼胚溫度持續偏高，造成能源的浪費。

傳統之鋼胚加熱爐爐溫控制均以一目標升溫曲線為標的，且於製程期間計算目前鋼胚溫度與目標溫度之間的差值，再乘以不同子區之權重值，藉此來調整爐溫。由 於鋼胚的在爐時間常因軋延狀況的影響而改變，導致目標升溫曲線與鋼胚之實際物理升溫曲線不同，進而使得鋼胚於同子區之前後半段的爐溫設定值不同。如此將造成爐溫設定值變化劇烈，增加能源消耗，並影響鋼胚之加熱品質。

因此，本發明之一態樣就是在提供一種連續式加熱爐之自動溫控方法，其直接以鋼胚出爐溫度、鋼胚溫度梯度與最小溫度分布變化曲線面積為目標函數進行爐溫值的計算。由於不以目前爐溫作為增減標的，而無需如習知技術般需跟隨目標升溫曲線來時時變更爐溫值，且因本方法可提前預測所需爐溫與出爐胚溫，因此可無需提前升高加熱爐之溫度，而可獲得最省能耗的溫度分布變化曲線，進而可節省能耗，並可提升鋼胚之加熱品質。

根據本發明之上述目的，提出一種連續式加熱爐之自動溫控方法，適用以在複數個鋼胚於加熱爐中時，調控此加熱爐之溫度。連續式加熱爐之自動溫控方法包含下列步驟。利用一處理器依據這些鋼胚在加熱爐中之目前位置與歷經時間，計算每一鋼胚之剩餘在爐時間。利用處理器根據這些鋼胚的熱傳能力與預設出爐溫度之一預設判斷式，從這些鋼胚中選出一目標溫控鋼胚。利用處理器依據目標溫控鋼胚之密度、比熱、熱傳導係數、寬度、與厚度，求出目標溫控鋼胚對於不同之加熱溫度的複數個溫度分布變化曲線。利用處理器依據每一溫度分布變化曲線計算出對應之所需能量。利用處理器由前述之所需能量中選出最 小能量，並將加熱爐之溫度調整為此最小能量所對應之加熱溫度。

依據本發明之一實施例，上述計算每一鋼胚之剩餘在爐時間的步驟更包含依據每一鋼胚之一預設權重。

依據本發明之另一實施例，上述之預設判斷式為每一鋼胚之預設出爐溫度對上鋼胚之熱擴散係數和鋼胚之剩餘在爐時間之乘積的比值。

依據本發明之又一實施例，上述選出目標溫控鋼胚之步驟係選擇上述比值中之最大值所對應之鋼胚來做為目標溫控鋼胚。

依據本發明之再一實施例，上述選出目標溫控鋼胚之步驟係選擇上述比值中之平均值所對應之鋼胚來做為目標溫控鋼胚。

依據本發明之再一實施例，上述選出目標溫控鋼胚之步驟係選擇上述比值中之最小值所對應之鋼胚來做為目標溫控鋼胚。

依據本發明之再一實施例，上述求得目標溫控鋼胚對於上述加熱溫度的溫度分布變化曲線之步驟更包含依據目標溫控鋼胚之等效熱傳係數。

依據本發明之再一實施例，上述求得溫度分布變化曲線之步驟包含利用有限差分法(Finite Difference Method)或有限元素法(Finite Element Method)。

依據本發明之再一實施例，上述求得溫度分布變化曲線之步驟包含利用疊代法。

依據本發明之再一實施例，上述依據每一溫度分布變化曲線計算出對應之所需能量之步驟包含利用基因演算(Genetic Algorithm；GA)法、序列二次規畫(Sequential Quadratic Programming；SQP)法或模式搜尋(Hooke-Jeeves Algorithm)法。

100‧‧‧自動溫控方法

102‧‧‧步驟

104‧‧‧步驟

106‧‧‧步驟

108‧‧‧步驟

110‧‧‧步驟

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖係繪示依照本發明之一實施方式的一種連續式加熱爐之自動溫控方法的流程圖。

目前，為滿足鋼胚出爐溫度，以利後續鋼胚軋延製程的進行，通常會擬訂鋼胚入出加熱爐之間的升溫曲線，藉以作為爐溫控制的參考依據。然而，不同胚溫現況與不同在爐時間均有不同的升溫曲線，因此所擬定之升溫曲線難以符合鋼胚之實際升溫現象。如此一來，將使得爐溫為達成鋼胚命中目標升溫曲線而急遽升降溫，進而造成能耗增加與加熱品質不佳。

有鑑於此，本案提出一種連續式加熱爐之自動溫控方法，先於加熱區之子區中選取目標溫控鋼胚，再求出此目標溫控鋼胚之溫度分布變化歷程的曲線，並以目標溫控鋼胚之溫度分布變化歷程曲線與時間軸之面積最小化為目標函數。故，可在滿足鋼胚出爐溫度、鋼胚溫度梯度等條 件下，利用最佳化方法求得各子區之爐溫設定值，藉此可避免因追求鋼胚之目標升溫曲線而造成爐溫變化劇烈的問題，進而達到節省能耗與提升鋼胚之加熱品質的功效。

請參照第1圖，其係繪示依照本發明之一實施方式的一種連續式加熱爐之自動溫控方法的流程圖。在本實施方式中，連續式加熱爐之自動溫控方法100可用以在多個鋼胚於一加熱爐中進行加熱處理時，調控此加熱爐之溫度。這些鋼胚可包含不同鋼種之鋼胚，亦可包含相同鋼種之鋼胚，也就是說這些鋼胚可由同一種或二種以上之鋼種的鋼胚所組成。

對連續式加熱爐自動進行溫度控制時，可先如自動溫控方法100之步驟102所述般，先利用處理器，且依據這些鋼胚目前在加熱爐中的位置、與這些鋼胚到其目前位置所歷經之時間，來計算每個鋼胚的剩餘在爐時間。在一些實施例中，處理器可為電腦等具有邏輯運算功能的裝置。

在計算鋼胚之剩餘在爐時間時，可先計算在加熱爐中，各鋼胚之移動速度，其計算式如下列公式(1)所示。

在公式(1)中，V _j 為j鋼胚移動速度，P _j 為j鋼胚目前位置，P _z,in 為加熱爐之z子區的入口位置，tE _j,z 為目前j鋼胚在z子區中的實際在爐時間。利用上述公式(1)，並代入鋼胚目前位置、z子區的入口位置、與目前鋼胚在z子區中的實際在爐時間，即可計算出各鋼胚在z子區中的移動速度。

由於加熱處理後之軋延速度的快慢會影響鋼胚的出爐速度，而導致鋼胚移動速度產生變異，進而使得鋼胚之剩餘在爐時間產生差異。因此，在一些實施例中，計算每個鋼胚的剩餘在爐時間的步驟102包含計算鋼胚之平均移動速度，其計算式如下列公式(2)所示。

在公式(2)中，V _avg,z 為鋼胚平均移動速度，n _z 為z子區內的鋼胚數量，j _z 為z子區中即將出爐之鋼胚指標(即鋼胚編號)，w為各鋼胚的預設權重。其中，z子區中即將出爐之鋼胚指標為在z子區內之所有鋼胚中最接近z子區之出口的鋼胚。在一些實施例中，可針對製程需求來設定各鋼胚的權重。舉例而言，由於即將出爐之鋼胚為在z子區中經歷最多加熱狀況，因此可將即將出爐之鋼胚的權重設定為1，而將剛進入z子區之鋼胚的權重設定為0。此例子僅為舉例說明，並非用以限制各鋼胚之權重的設定方式，而各鋼胚之權重的設定可依製程需求而調整。利用上述公式(2)，並代入z子區內的鋼胚數量、z子區中即將出爐之鋼胚指標、與各鋼胚的預設權重，即可計算出鋼胚在z子區內的平均移動速度。

接下來，可利用所求得之鋼胚平均移動速度來計算所有鋼胚穩定之剩餘在爐時間，其計算式如下列公式(3)所示。

在公式(3)中，tR _j 為j鋼胚穩定之剩餘在爐時間，P _dis 為加熱爐之出爐位置。利用上述公式(3)，並代入z子區內的鋼胚平均移動速度、加熱爐之出爐位置與鋼胚目前位置，即可計算出各鋼胚的穩定剩餘在爐時間。

由於連續式加熱爐之各子區內有數量不一的鋼胚，且這些鋼胚之鋼種也不盡相同，而這些鋼胚會依其鋼種或尺寸等性質條件而有不同的出爐溫度要求。然而，由於這些鋼胚位於同一加熱區，因而只能設定相同爐溫值。於是，如步驟104所述，先根據不同鋼種之鋼胚的熱傳能力與預設出爐溫度而求得預設判斷式。在一些實施例中，此預設判斷式為每一鋼胚之預設出爐溫度對上此鋼胚之熱擴散係數和此鋼胚之剩餘在爐時間之乘積的比值，即如下列公式(4)。

在公式(4)中，JS _j,z 為j鋼胚在z子區之判斷指標值，ΔT _j 為j鋼胚之要求出爐溫度T _j,dis 與目前鋼胚溫度T _j 之間的差，α _j 為j鋼胚之熱擴散係數，tR _j 為j鋼胚的剩餘在爐時間。利用處理器根據上述預設判斷式，即公式(4)來計算出各鋼胚之預設出爐溫度對上此鋼胚之熱擴散係數和此鋼胚之剩餘在爐時間之乘積的比值，此比值又稱為判斷指標值。而後，利用處理器依照一預設準則而從這些判斷指標值中選出一指標值，並以選出之指標值所對應之鋼胚來作 為目標溫控鋼胚。

在一實施例中，此預設準則為從這些判斷指標值中選出最大值者，並以此最大判斷指標值所對應之鋼胚來作為目標溫控鋼胚。在另一實施例中，此預設準則為選擇這些判斷指標值之平均值所對應之鋼胚來作為目標溫控鋼胚。在又一實施例中，此預設準則為從這些判斷指標值中選出最小值者，並以此最小判斷指標值所對應之鋼胚來作為目標溫控鋼胚。在一示範例子中，可選擇鋼胚所需之出爐溫度最大者來作為目標溫控鋼胚。

接下來，如步驟106所述，利用處理器，且依據步驟104所選出目標溫控鋼胚之密度、比熱、熱傳導係數、寬度與厚度，而求出此目標溫控鋼胚對加熱爐之此一子區中的不同加熱溫度的對應溫度分布變化歷程，而藉此可獲得對應之溫度分布變化曲線。在一些實施例中，求出此目標溫控鋼胚對不同加熱溫度的對應溫度分布變化曲線時，更可導入目標溫控鋼胚之等效熱傳係數。此外，加熱爐之溫度可導入加熱爐之上爐溫與下爐溫參數，以導入鋼胚之溫度梯度考量，而使所求得之溫度分布變化曲線具有更高的準確度。在一些示範例子中，可利用有限差分法或有限元素法，來進行目標溫控鋼胚之溫度計算。而後，可利用疊代法，即可求得不同爐溫下之鋼胚溫度分布變化歷程。

接著，如步驟108所述，利用處理器，且依據步驟106所獲得之隨時間歷程變化的溫度分布變化曲線，來計算這些溫度分布變化曲線所對應之溫度分布變化曲線與時間 軸的面積，這些面積即代表在這些溫度分布變化曲線的情況下鋼胚所需之加熱能量。在一些實施例中，可利用基因演算法、序列二次規畫法或模式搜尋法等最佳化方法，並以目標溫控鋼胚之溫度分布變化曲線與時間軸之面積(即溫度分布變化曲線對時間進行積分所得)最小為目標函數，來直接求解符合目標溫控鋼胚之出爐溫度與溫度梯度的爐溫值。在一示範例子中，所求得之爐溫值為加熱爐之上爐溫值，其中由於上爐溫與下爐溫之間有一預設固定差值，因此求得上爐溫值即可進一步計算出下爐溫值。

接著，如步驟110所述，利用處理器來從步驟108所求得的所需能量中選出最小能量者，並以此最小能量所對應之加熱溫度來作為加熱爐之此一子區的爐溫值。而後，處理器即可對加熱爐發出控制訊號，來將此子區的爐溫值調整為所求出之加熱溫度。

由上述之實施方式可知，本發明之一優點就是因為本發明之連續式加熱爐之自動溫控方法係直接以鋼胚出爐溫度、鋼胚溫度梯度與最小溫度分布變化曲線面積為目標函數進行爐溫值的計算。由於不以目前爐溫作為增減標的，而無需如習知技術般需跟隨目標升溫曲線來時時變更爐溫值，且因本方法可提前預測所需爐溫與出爐胚溫，因此可無需提前升高加熱爐之溫度，而可獲得最省能耗的溫度分布變化曲線，進而可節省能耗，並可提升鋼胚之加熱品質。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限 定本發明，任何在此技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧自動溫控方法

102‧‧‧步驟

104‧‧‧步驟

106‧‧‧步驟

108‧‧‧步驟

110‧‧‧步驟

Claims (10)

1. 一種連續式加熱爐之自動溫控方法，適用以在複數個鋼胚於一加熱爐中時，調控該加熱爐之溫度，且該連續式加熱爐之自動溫控方法包含：利用一處理器依據該些鋼胚在該加熱爐中之目前位置與歷經時間，計算每一該些鋼胚之一剩餘在爐時間；利用該處理器根據該些鋼胚的熱傳能力與預設出爐溫度之一預設判斷式，從該些鋼胚中選出一目標溫控鋼胚；利用該處理器依據該目標溫控鋼胚之密度、比熱、熱傳導係數、寬度、與厚度，求出該目標溫控鋼胚對於不同之複數個加熱溫度的複數個溫度分布變化曲線；利用該處理器依據每一該些溫度分布變化曲線計算出對應之一所需能量；以及利用該處理器由該些所需能量中選出一最小能量，並將該加熱爐之溫度調整為該最小能量所對應之該加熱溫度。
2. 如請求項1所述之連續式加熱爐之自動溫控方法，其中計算每一該些鋼胚之該剩餘在爐時間的步驟更包含依據每一該些鋼胚之一預設權重。
3. 如請求項1所述之連續式加熱爐之自動溫控方法，其中該預設判斷式為每一該些鋼胚之預設出爐溫度對上該鋼胚之熱擴散係數和該鋼胚之剩餘在爐時間之乘積的一比值。
4. 如請求項3所述之連續式加熱爐之自動溫控方法，其中選出該目標溫控鋼胚之步驟係選擇該些比值中之最大 值所對應之該鋼胚來做為該目標溫控鋼胚。
5. 如請求項3所述之連續式加熱爐之自動溫控方法，其中選出該目標溫控鋼胚之步驟係選擇該些比值中之平均值所對應之該鋼胚來做為該目標溫控鋼胚。
6. 如請求項3所述之連續式加熱爐之自動溫控方法，其中選出該目標溫控鋼胚之步驟係選擇該些比值中之最小值所對應之該鋼胚來做為該目標溫控鋼胚。
7. 如請求項1所述之連續式加熱爐之自動溫控方法，其中求得該目標溫控鋼胚對於該些加熱溫度的該些溫度分布變化曲線之步驟更包含依據該目標溫控鋼胚之等效熱傳係數。
8. 如請求項1所述之連續式加熱爐之自動溫控方法，其中求得該些溫度分布變化曲線之步驟包含利用有限差分法或有限元素法。
9. 如請求項1所述之連續式加熱爐之自動溫控方法，其中求得該些溫度分布變化曲線之步驟包含利用疊代法。
10. 如請求項1所述之連續式加熱爐之自動溫控方法，其中依據每一該些溫度分布變化曲線計算出對應之該所需能量之步驟包含利用基因演算法、序列二次規畫法或模式搜尋法。