TWI794058B

TWI794058B - 爐溫控制方法與加熱系統

Info

Publication number: TWI794058B
Application number: TW111110008A
Authority: TW
Inventors: 江全義; 王朝華; 李明飛; 陳冠男
Original assignee: 中國鋼鐵股份有限公司
Priority date: 2022-03-18
Filing date: 2022-03-18
Publication date: 2023-02-21
Also published as: TW202337585A

Abstract

本發明提出一種爐溫控制方法，包括：取得每一個工件所對應之目標溫度、工件成份以及工件尺寸；根據工件成份以及工件尺寸來計算工件之配置參數，此配置參數用以計算對應的工件在加熱爐內的計算溫度；根據工件的排程計算每一個工件的一在爐時間；根據目標溫度、計算溫度與在爐時間建立一目標函數，並且調整加熱爐的一控制參數使得目標函數有極值；以及根據控制參數來控制加熱爐。

Description

爐溫控制方法與加熱系統

本發明是有關於一種加熱爐之溫度控制方法，且特別是有關於一種可節省能源之加熱爐溫度控制方法。

在軋鋼製程中，加熱爐是用於將鋼胚加熱，使鋼胚能在加熱爐中到達適合軋延之溫度，再將鋼胚輸送至軋延機台進行軋延。在加熱鋼胚的過程中，若被加熱之鋼胚溫度低於適合軋延之溫度下限時，將會對之後的軋延作業及製品品質產生不良的影響。然而，若被加熱之鋼胚溫度過高，則會過度浪費能源在加熱鋼胚上，使得軋鋼製程的成本上升。另外，鋼胚的加熱時間也會影響相對應之軋延進度。因此，需要一種加熱爐之溫度控制方法，以將鋼胚加熱至適合軋延之溫度，同時減少加熱爐之能源損耗。

本揭露的實施例提出一種爐溫控制方法，適用於加熱爐，此加熱爐用以加熱多個工件，爐溫控制方法由一電腦系統執行。爐溫控制方法包括：取得每一個工件所對應之目標溫度、工件成份以及工件尺寸；根據每一個工件的工件成份以及工件尺寸來計算工件之配置參數，此配置參數用以計算對應的工件在加熱爐內的計算溫度；根據工件的排程計算每一個工件在加熱爐內的一在爐時間；根據每一個工件的目標溫度、計算溫度與在爐時間建立一目標函數，並且調整加熱爐的一控制參數使得目標函數有極值；以及根據控制參數來控制加熱爐。

在一些實施例中，上述根據工件的排程計算每一個工件在加熱爐內的在爐時間的步驟包括：對於每一個工件，根據排程取得順序在之前的至少一個先前工件，並且累加先前工件的預估軋延時間以作為工件的在爐時間。

在一些實施例中，上述的目標函數如以下數學式所示。

其中

與

為權重，

為目標溫度，

為計算溫度，

為對應的工件的在爐時間。

在一些實施例中，爐溫控制方法還包括：設定每一個工件的胚溫精度誤差，使得計算溫度與目標溫度之間的差距在胚溫精度誤差內。

在一些實施例中，上述的工件為鋼胚。

以另一個角度來說，本揭露提出一種加熱系統，包括加熱爐與電腦系統，其中電腦系統用以執行上述的爐溫控制方法。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

關於本文中所使用之「第一」、「第二」等，並非特別指次序或順位的意思，其僅為了區別以相同技術用語描述的元件或操作。

請參照圖1，圖1是根據本發明實施例所繪示的加熱系統的示意圖。加熱系統100包括了電腦系統101與加熱爐102。電腦系統101可以實作為個人電腦、伺服器、工業電腦、控制中心、或任意具有計算能力的電子裝置。加熱爐102包含入料口112、出料口114、輸送設備116、燃燒器(未繪示)以及排煙道118。待加熱之工件W從入料口112進入加熱爐102中，接著經由輸送設備116輸送，穿過複數個加熱區域(即預熱區122、加熱區124與均溫區126)而到達出料口114。工件W離開出料口114以後會經過多個軋機(未繪示)以進行軋延程序。

在本實施例中，加熱爐102為移動樑式加熱爐(Walking Beam Furnaces)，但本發明之實施例並不受限於此。在預熱區122、加熱區124與均溫區126中，待加熱之工件W會被加熱至預設之目標溫度，使得從出料口114送出之工件W具有適合軋延之溫度。在本實施例中，工件W為鋼胚，但本發明之實施例並不受限於此。在本發明之其他實施例中，工件W可為其他適用於熱軋製程之金屬材料。

在加熱爐102之預熱區122、加熱區124與均溫區126中，每一者都具有燃燒器，以燃燒燃料來加熱工件W，而其廢氣則透過排煙道118排出至加熱爐102外。例如，預熱區122之燃燒器將預熱區122中的工件W加熱至第一預設溫度值，而其廢氣A122透過排煙道118排出至加熱爐102外。又例如，加熱區124之燃燒器將加熱區124中的工件W從第一預設溫度值加熱至第二預設溫度值，而其廢氣A124從加熱區124穿過預熱區122，再透過排煙道118排出至加熱爐102外。再例如，均溫區126之燃燒器將均溫區126中的工件W從第二預設溫度值加熱至適於軋延之第三預設溫度值，而其廢氣A126從均溫區126穿過加熱區124與預熱區122，再透過排煙道118排出至加熱爐102外。雖然本實施例之加熱爐102具有三個分區，但本發明之實施例並不受限於此。在本發明之其他實施例中，加熱爐102可不分區，或者具有四個以上的分區。

圖2是根據一實施例繪示爐溫控制方法的流程圖。請參照圖2，步驟201~205由電腦系統101執行。在步驟201中，取得每一個工件所對應之目標溫度、工件成份以及工件尺寸。例如，由於本實施例之工件W為鋼胚，因此步驟201會提供每一塊待加熱鋼胚的成份與尺寸。尺寸包含但不限定於鋼胚的長度、寬度以及高度。又例如，由於每一工件W的特性不同，其軋延的需求溫度值也會不同，故步驟210也提供每一工件W所對應之目標溫度。

在步驟202，至少根據每一個工件的工件成份、工件尺寸以及工件在加熱爐內的空間配置來計算工件之配置參數。上述的空間配置例如為鋼胚之間的距離。配置參數例如為鋼胚表面的視因子，加熱爐內環境提供給鋼胚的輻射熱能與視因子有關，計算原理如圖3所示，加熱爐內具有兩平面A1、A2，至少其中一個平面為鋼胚表面，另一個平面可為爐壁。取平面A1上的一小平面dA1，平面A2上的一小平面dA2，平面dA1具有法向量n1，平面dA2具有法向量n2，兩平面dA1、dA2之間的距離為r。兩平面dA1、dA2之間的連線與法向量n1形成角度

，兩平面dA1、dA2之間的連線與法向量n2形成角度

。視因子可由以下數學式1來計算。 [數學式1]

其中

代表離開平面A1的輻射能量，

代表到達平面A2的輻射能量。A1為平面A1的面積。根據視因子可以計算出鋼胚受熱參數，這可作為鋼胚計算溫度的邊界條件，再加上加熱爐的控制參數(例如功率等)、工件成份等參數可以計算出工件在加熱爐內的一個計算溫度，本領具具有通常知識者當可以根據習知技術套用任意的模型或數學式來計算出計算溫度，本揭露並不在此限。

接下來在圖2的步驟203，根據工件的排程可以計算每一個工件在加熱爐內的一在爐時間。具體來說，根據鋼胚的鋼種、完軋尺寸等資訊，可以得到每一個鋼胚的預估軋延時間。舉例來說，如果完軋後的厚度比較小，則需要更多的預估軋延時間。此外，上述的排程例如為下表所示。

鋼胚出爐順序	預估軋延時間(秒)
1	55
2	55
3	55
4	65
5	65
6	65
7	65
8	50
9	50
10	55
11	55

由於鋼胚是依序出爐到軋機，必須等待上一個鋼胚軋延後，才可以處理下一個鋼胚，還沒有處理的鋼胚必須在加熱爐中等待。因此，對於每一塊鋼胚，可以根據排程取得順序在之前的鋼胚，並且累加先前鋼胚的預估軋延時間以作為目前鋼胚的在爐時間。舉例來說，如果要計算順序為11的鋼胚的在爐時間，則可以把順序為1至順序為10的鋼胚的預估軋延時間累加起來。

接下來在步驟204，根據每一塊鋼胚的目標溫度、計算溫度與在爐時間可以建立一目標函數，此目標函數例如為以下數學式2所示。 [數學式2]

其中

與

為權重，

為目標溫度，

為計算溫度，

為對應的鋼胚的在爐時間。權重

與

可經由實驗設定，在一些實施例中對於不同的鋼胚可以設定不同的權重。目標函數中的第一項是要計算目標溫度

與計算溫度

，之間的差，目的是希望兩者越接近越好，第二項則是要估計所消耗的能量，由於在爐時間

越大則消耗的能量越多，因此希望第二項越小越好。設定目標函數以後，可以調整加熱爐的控制參數使得目標函數有極值(在上述例子為最小值)。在一些實施例中，可以採用基因演算法或其他任意合適的演算法來尋找加熱爐的控制參數。由於加熱爐中有多塊鋼胚，每一塊鋼胚都可以套用至上述的數學式2，在一些實施例中可以將所有鋼胚所對應的

以及

都累加起來以建立目標函數。

在一些實施例中，也可以依照鋼種與品質要求的差異，針對產品的生產需求事先設定鋼胚的胚溫精度誤差，例如為下表所示。

鋼胚種類	目標溫度	胚溫精度誤差	可容許出爐溫度
1	1130	20	1110~1150
2	1140	0	1130~1150
3	1150		1145~1155

舉例來說，對於鋼胚種類“1”，目標溫度為1130度，胚溫精度誤差為20度，因此可容許的出爐溫度是介於1130-20=1110到1130+20=1150之間，以此類推。在一些實施例中，在求解上述目標函數時也可以設定一或多個限制，藉此限制計算溫度與目標溫度之間的差距在胚溫精度誤差內，例如對於鋼胚種類1可以設定以下數學式3的限制。 [數學式3]

設定上述的胚溫精度誤差可以提升控制方法的彈性。最後在圖2的步驟205，可以根據所求得的控制參數來控制加熱爐。與習知技術的控溫相比，根據上述實施例的做法可以讓鋼胚出爐溫度滿足生產軋延需求，有效縮小出爐的溫度偏差，可提高生產的穩定性，同時也可以減少能源消耗。

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，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100:加熱系統 101:電腦系統 102:加熱爐 112:入料口 114:出料口 116:輸送設備 118:排煙道 122:預熱區 124:加熱區 126:均溫區 A122, A124, A126:廢氣 W:工件 201~205:步驟 A1,A2,dA1,dA2:平面 n1,n2:法向量 r:距離

,

:角度

圖1是根據本發明實施例所繪示的加熱系統的示意圖。圖2是根據一實施例繪示爐溫控制方法的流程圖。圖3是根據一實施例繪示視因子的示意圖。

201~205:步驟

Claims

一種爐溫控制方法，適用於一加熱爐，該加熱爐用以加熱多個工件，該爐溫控制方法由一電腦系統執行，該爐溫控制方法包括：取得每一該些工件所對應之一目標溫度、一工件成份以及一工件尺寸；根據每一該些工件的該工件成份以及該工件尺寸來計算每一該些工件之一配置參數，該配置參數包括視因子，該視因子、該工件成分以及該加熱爐的控制參數用以計算對應的該工件在該加熱爐內的一計算溫度；對於每一該些工件，根據該些工件的排程取得順序在之前的至少一先前工件，並且累加該至少一先前工件的預估軋延時間以作為該工件的一在爐時間；根據每一該些工件的該目標溫度、該計算溫度與該在爐時間建立一目標函數，並且調整該加熱爐的該控制參數使得該目標函數有極值；以及根據該控制參數來控制該加熱爐。
如請求項1所述之爐溫控制方法，其中該目標函數如以下數學式1所示，
其中w ₁與w ₂為權重，T _s,tgt為該目標溫度，T _s,cal為該計算溫度，t _p為對應的該工件的該在爐時間。
如請求項2所述之爐溫控制方法，還包括：設定每一該些工件的胚溫精度誤差，使得該計算溫度與該目標溫度之間的差距在該胚溫精度誤差內。
如請求項3所述之爐溫控制方法，其中每一該些工件為鋼胚。
一種加熱系統，包括：一加熱爐，用以加熱多個工件；以及一電腦系統，用以取得每一該些工件所對應之一目標溫度、一工件成份以及一工件尺寸，其中該電腦系統用以根據每一該些工件的該工件成份以及該工件尺寸來計算每一該些工件之一配置參數，該配置參數包括視因子，該視因子、該工件成分以及該加熱爐的控制參數用以計算對應的該工件在該加熱爐內的一計算溫度，其中該電腦系統用以對於每一該些工件，根據該些工件的排程取得順序在之前的至少一先前工件，並且累加該至少一先前工件的預估軋延時間以作為該工件的一在爐時間，其中該電腦系統用以根據每一該些工件的該目標溫度、該計算溫度與該在爐時間建立一目標函數，並且調整該加熱爐的一控制參數使得該目標函數有極值，其中該電腦系統根據該控制參數來控制該加熱爐。
如請求項5所述之加熱系統，其中該目標函數如以下數學式1所示，
其中w₁與w₂為權重，T _s,tgt為該目標溫度，T _s,cal為該計算溫度，t _p為對應的該工件的該在爐時間。
如請求項6所述之加熱系統，其中該電腦系統還用以設定每一該些工件的胚溫精度誤差，使得該計算溫度與該目標溫度之間的差距在該胚溫精度誤差內。
如請求項7所述之加熱系統，其中每一該些工件為鋼胚。