（热能工程专业论文）加热炉scc中加热曲线法的简化研究.pdf

东北大学硕士论文摘要 摘要 不同条件下被加热钢坯的焓增正比于边界热流之差对时间积 分。基于这一关系，在简化条件，即常物性、炉温和总括热吸收率都 均匀分布情况下，本文对积分过程进行了简化，提出了汇合法。汇合 法属于解析法，在进行炉温决策时，可以完全免除虚拟加热计算，但 精度不高。在汇合法基础上本文进一步提出汇合一分化联合法，该方法 需要进行一次虚拟加热，可以达到较高的精度。 为使汇合法及汇合分化联合法适用于一般情况，即考虑变物 性、段内炉温及总括热吸收率分布等因素。本文提出平均修正法对积 分简化过程进行平均修正。 此外，本文推导了加热曲线法和简化加热曲线法计算负荷的表 达式，并比较了二者的计算负荷。结果表明：后者计算量远小于前者。 关键词加热曲线法：汇合法；汇合分化联合法；平均修正法 东北大学硕上论文a b s t r a c t a bs t r a c t u n d e rd i f i e r e n tc o n d i t i o n s t h ei n c r e a s eo f h e a t e ds t e e l se n t h a l p yi sp r o p o r t i o n a l t ot h ei n t e g r a t i o no fb o u n d a r yh e a tf l u xd v a l u et ot i m e b a s e do nt h a tr e l a t i o na n d u n d e rt h es i m p l i f i e dc o n d i t i o n ss u c ha sc o n s t a n tp h y s i c a lp r o p e r t i e sa n du n i f o t i n d i s t r i b u t i o no ff u r n a c et e m p e r a t u r ea n dt o t a lh e a te x c h a n g ef a c t o r t h i st h e s i sr e a l i z e d t h es i m p l i f i c a t i o no ft h ei n t e g r a lp r o c e s sa n dp u t sf o r w a r dt h em e e t i n gm e t h o d t h e m e e t i n gm e t h o db e l o n g st oa n a l y t i c m e t h o da n di tc a ne s c a p ec a l c u l a t i n gp s e u d o h e a t i n gw h e n t 1 1 eo p t i m a lf u r n a c et e m p e r a t u r ei st ob ed e c i d e d b u tt h ep r e c i s i o ni s 1 0 w e r n l e r e f o r e t h em e e t i n g s e p a r a t i n gc o m b i n a t i o nm e t h o d w h i c hh a st om a k ea p s e u d oh e a t i n g i sr a i s e db a s e do nt h ef o u n d a t i o nm e n t i o n e da b o v e b u ti tc a l lm a d e t h eo p t i m a lt e m p e r a t u r em o r e p r e c i s e c o n s i d e r i n g t h e v a r y i n g f a c t o r ss u c ha s p h y s i c a lp m p e r t i e s ，f u r n a c e t e m p e r a t u r eo fd i f f e r e n tp a r ta n dt h et o t a lh e a te x c h a n g ef a c t o r e t c , t h i st h e s i sp u t s f o r w a r dt h em e a r lc o r r e c t i o nm e t h o dt oc o r r e c ta v e r a g e l yt h es i m p l i f i e di n t e g r a l p r o c e s si no r d e rt h a tt h em e e t i n gm e t h o da n dt h em e e t i n g - s e p a r a t i n gc o m b i n a t i o n m e t h o dc a nb eu s e d w i d e l y f u r t h e r m o r e ，t h i st h e s i sn o to n l yd e d u c e st h ec a l c u l a t i n gb u r d e ne q u a t i o n so f h e a t i n gc u r v e sm e t h o da n ds i m p l i f i e dh e a t i n gc u r v e sm e t h o db u ta l s oc o m p a r e s l e c a l c u l a t e dr e s u l t s t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h el a t t e rc a l c u l a t i o nq u a n t i t yi sm u c hl e s s t h a nt h ef o r m e r k e yw o r d s ：h e a t i n g c u r v e sm e t h o d ； m e e t i n gm e t h o d ； m e e t i n g - s e p a r a t i n gc o m b i n a t i o n m e t h o d m c a nc o r r e c t i o um e t h o d 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究 成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已发表或撰写过的研究成果， 也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与本人一起工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的混明并表示谢意。 本人签名： t q期：2 0 0 4 年2 月 东北大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 近年来，我国能源出现了大量短缺，集中表现在工业生产中燃料和电力的 不足j 。节能降耗已经引起工业企业的重视，钢铁企业尤为如此。我国的钢铁企 业中，热轧过程加热炉、热处理炉的能耗占很大比重，如何在保证加热质量的要 求情况下，降低能耗，尽可能地提高加热炉的热利用率，具有重要意义。 在加热炉生产工艺和结构确定的情况下，影响燃耗等生产指标的最重要因 素是热工操作和控制水平。随着计算机应用的f 1 益普及，计算机在控制工程领域 也发挥了越来越重要的作用【2 j 。微机在加热炉自动控制上得到了广泛的应用并取 得了显著的效果1 3 4 1 。为此，建立能够揭示炉子结构参数、操作参数、热工过程 参数和生产指标之间相互联系的数学模型，实现以数学模型为手段、以直接数字 控制( d i r e c td i g i t a lc o n t r o l ，即d d c ) 为基础的计算机监督控制( s u p e r v i s o r y c o m p u t e rc o n t r o l ，即s c c ) ，已经成为加热炉在线控制的重要课题【5 】。然而，由 于加热工艺系统的复杂动态特性，例如：非线性，时变性，大滞后和多因素交叉 耦合等给控制系统带来了困难。工业控制机性能上的限制和一些成本因素使得很 多控制手段很难精确用于实际的生产过程。也就是说，还有不少问题有待于继续 深入研究。 1 1 研究意义 钢坯在炉内的加热过程是一个非常复杂的物理化学过程，炉内传热、燃烧 和气体流动都非常复杂。从冶金学的观点来看，要求被加热钢坯在出加热炉时达 到要求的目标出炉温度和其他要求，并尽可能减少消耗和提高质量。为了节能， 近年来，对加热炉在设备和操作工艺方面采取了许多措施，如改进烟气余热回收 系统、加强炉底管的绝热和降低管底比、使空燃比最佳化、富氧操作【6 j 、改进加 热曲线和热装等。但为了最大限度地节能和保证加热质量，必须开发加热炉数学 模型控制系统，以实现加热炉的最优化操作。 由于炉内钢坯温度测量上的困难，通常只能间接地控制炉温使被加热的钢 坯达到预定的目标温度，因此，必须弄清钢坯温度与炉温之间的内在联系，得出 加热过程数学模型。为了实现加热炉的最低燃耗和最低氧化烧损，必须建立稳态 最优化模型，在满足工艺条件约束前提下，求解出稳态最优炉温和最佳升温曲线。 加热炉只是轧制工序的组成部分，许多动念因素( 产量波动、产品规格变化、待 轧等) 的影响使加热炉不能在稳定工况下运行，这也使得加热炉的过程控制变得 非常复杂。待轧是炉子操作中一个典型的动态过程，如果此时炉温设定不合理， 不仅会导致更多的燃料浪费，而且会导致更多的氧化烧损，严重地影响钢坯的加 东北人学硕士论文 热质量。由于加热炉的过程控制比较复杂，人的精心操作固然能大大地改善加热 质量、降低然耗，但人的经验是有限的，调节频率也因人而异，为了真币实现加 热炉的最优化控制，只有借助于计算机，通过模拟炉内钢坯加热过程，建立能够 对钢温进行跟踪和控制的数学模型计算机控制系统。在加热炉的动态过程中，这 种控制系统使钢坯实际升温曲线与优化升温曲线相一致，实现钢坯出炉温度的准 确控制。这样，不仅最大幅度地节约了燃料，而且最大程度地降低氧化烧损、改 善加热质量，与此同时，还提高了设备的生产率，加强了质量管理。 1 2 文献综述 1 2 1 加热炉数学模型 热炉数学模型的分类有多种，但是总体来说不外乎两类：经验模型和机理 模型。早期的模型化研究主要是经验模型。如1 9 7 5 年任世铮【7j 根据炉料在炉内 获得的热量和燃料供入点位置有关的特点，采用逆流式换热器的基本方程，对加 热炉等设备内部的热工过程进行了分析和研究，对加热炉的热工操作具有一定的 理论指导意义。再如，1 9 7 9 年，陆钟武等人【8 】通过对炉子物理模型的模拟实验及 现场实验，提出了火焰炉炉膛热工基本方程式，揭示了炉子热负荷与生产率、单 位热耗与生产率之间的q - p 方程和b - - p 方程，并指出了炉子在经济点工作时， 单耗最低，热效率最高。1 9 8 2 年，陆钟武和杨宗山等又研究了炉子产量，热负 荷、废气出炉温度、空气预热温度及过剩系数之间的关系一j 。 随着控制论和计算机技术的发展，近2 0 年各国学者对加热炉优化设计或优 化控制的数学模型进行了大量研究，其核心问题是对炉膛内热工过程进行数学描 述并求解炉内热交换场。是完全或部分以能量平衡原理为基础建立的模型，属于 机理模型范畴。从被加热的钢坯出发，热交换场分为钢坯内部热传导和外部( 炉 膛) 热交换两部分。内部热传导是简单的非稳态导热问题，它直接描述钢坯在炉 内的升温过程。过去常采用多元回归的方法【lo 】求解，但是，多元回归法准确性 差，而且回归系数多，难以确定。所以，目前通常采用有限差分法或有限元法 1 1 , 1 2 以及边界积分法【1 求解。吴彬对一维非稳态导热提出了连续状态变量解法l l ， 该方法在时间上是连续的，所以不存在时间离散的截断误差和稳定性问题，并得 出了关于时间离散的精确解，这对于估计有限差分的误差和提高解的精度都是有 益的。 与钢坯内部热传导相比，外部热交换是极其复杂的。这是由于炉膛内部气 体流动和燃烧析热场、热交换场等因素的耦合作用，尤其是炉内辐射的复杂性。 加热炉作为直接燃用燃料的工业炉窑，炉内火焰温度和烟气温度都很高，是典型 东北大学硕士论文第一章绪论 的高温设备，因此辐射在炉膛内热交换中占主导地位，约占9 0 以上 15 , 1 6 。所 以大部分炉子热过程数学模型以求解辐射换热为主。 早期对辐射换热的研究是以量子理论为基础的【”】。从2 0 世纪2 0 年代开始， 为充分预示炉内辐射换热以实现工业炉最佳设计的目的，辐射换热工程计算越来 越受到人们的重视。最初计算辐射换热的方法是射线跟踪法( r a y t r a c i n g ) ，即 跟踪封闭系统中的某一个表面发射的辐射线，然后用无穷级数表示表面间的多次 反射，最终确定各表面间的辐射换热。1 9 5 3 年，p o l j a k 提出了净辐射法e t r a d i a t i o n m e t h o d ) 1 8 1o “净辐射”包括自身辐射和投来辐射的反射，避免了射线跟 踪无穷级数的计算，使表面间的辐射换热可以用一个封闭的线性方程组来表示， 即h o t t e l 所称作的“热网络法，f 吲。当系统中有参与性介质时，h o t t e l 针对等温 吸收性介质提出的平均光程法( m e a n b e a m l e n g t h m e t h o d ) 是一种较好的工程近 似 2 0 , 2 1 。 实际燃烧系统内辐射换热的求解十分复杂，目前还没有一种模型可以通用 于不同的系统和不同的燃烧种类。因此，辐射换热的模型化研究较其他传热方式 显得更为多样化，最近几十年发展起来的各种辐射模型，一般都有自己的适用对 象和侧重点不同的简化。求解辐射场的基本出发点是辐射能量交换方程【2 2 k ， ( h v ) l ( 屯+ t ) + k , l b + 三i i d c o ( 1 - 1 ) h 三e 在高温热交换中，方程1 1 为能量方程 兰( 倒) + v ( 厣r ；) ：v ( 2 v f ) + s ( 1 2 ) d r 提供源项s 的辐射分量s ，这是各种模型的共同点。对方程1 1 采用不同的描述 手段，就形成了不同的数学模型方法。例如，段法( z o n e m e t h o d ，或称区域法) 2 3 , 2 4 1 以积分方程的形式进行描述：流法( f l u xm e t h o d ，或称通量法) 1 2 5 - 2 7 、球 谐法( s p h e r i c a lh a r m o n i c s ) 1 2 8 - 3 2 1 、离散坐标法( d i s c r e t eo r d i n a t e sm e t h o d ) 3 3 - 3 6 1 微分方程的形式来描述，这类方法统称为微分近似法；蒙特卡洛法( m o n t ec a r l o m e t h o d ) 3 7 - 4 1 】、离散传递法( d i s c r e t et r a n s f e rm e t h o d ) f 4 2 删用概率模拟的方式描 述。针对辐射换热的复杂性和特殊性，v i s k a t a 4 5 1 将各种求解辐射换热的数学模型 分为四大类：精确解、段法、流法和蒙特卡洛法。 段法是h o t t e l tc o h e n 于5 0 年代末提出的辐射模型方法，现已成为应用最 广泛的数学模型方法之一【4 。段法模型的机理严谨，计算结果较为理想，常被 用作检验其他辐射模型的标准。尽管如此，段法也有自身的局限性，如因辐射交 换面积计算量大而占用过多的计算机内存和计算时间、对参与性介质热物性的适 应性差、难以与其他传输方程的数值方法相耦合和高次非线性能量平衡方程组的 求解对初值要求较高等。 为克服段法的缺点，研究者将段法与其他辐射换热模型结合，解决段法求 东北大学硕十论文 算交换面积时计算量过大的问题。典型的例子是段法与蒙特卡洛法的结合 4 7 , 4 8 1 。 鉴于蒙特卡洛法的灵活性，可直接用于计算交换面积，特别是当介质的辐射特性 不随温度改变时，可用蒙特卡洛法一次性计算辐射全交换面积，然后供段法反复 使用，这样可大大降低段法的计算时间。陈海耿和宁宝林用流法辐射换热量的反 算法确定全交换面积，并提出流法全交换面积矩阵的分区修正法 4 9 j ，以提高整 体精度。s a s s e 提出的混合六通量段法模型( h y b r i ds i x f l u x z o n em o d e l ) 5 0 ，综 合了段法和六通量模型的特点，通过对相邻段辐射传播方向特性的修正，来提高 算法的精度并减少计算时间。另外，为计算段法的辐射交换面积，还提出了数论 网格法 5 1 1 ，逐次局部再分法【5 2 l 以及均匀离散射线法 5 3 , 5 4 1 。 流法将微元面上复杂的半球空间辐射，简化为只沿坐标轴方向变化的辐射 热流，然后求解通用的输运微分方程。由于流法简便易掌握，因此常用于工程计 算。它的一个最大特点就是网格的划分与有限差分和有限元法一致，且得到的热 流方程与通用方程形式一致，因而可以很方便地与动量方程和能量方程联立求 解。流法所需的计算时间比较少，但它采用“接力”的方式来描述辐射，机理上 是有缺陷的，因而误差较大。 蒙特卡洛法的雏形可以追溯到1 7 7 7 年b u f f o n 的随机投针试验。这种方法 是以辐射的概率模拟来计算热辐射，其基本思想是发射的离散化、发射的随机化 和吸收的随机化。它对非均匀介质及复杂几何炉型有较好的适应性，而且处理多 重积分时，误差与积分重数无关，便于求解交换面积。当对计算精度要求不是很 高时，其计算量很小；但由于所发射能束的方向和位置是由计算机所产生的随机 数决定的，蒙特卡洛法不可避免的存在统计误差。随着科学技术的发展，蒙特卡 洛法在辐射换热中的应用也得到改进和发展，如能差迭代和重点抽样【55 】等。 由于辐射求解的复杂性，上述基于区域能量平衡的模型般在离线分析中 使用。为实现模型在线控制，一些研究对外部热交换场进行简化，其中广泛采用 的是总括热吸收率法( t o t a l h e a te x c h a n g ef a c t o r m e t h o d ) 5 6 1 ，即c g 法或九f 法， 对于以炉温为基础的体系，称为九，法比较确切。该法将影响炉内传热的众多因 素通过实测反算的一个无因次系数总括热吸收率九，加以概括。对庐。的实 验研究方法( 如焓增法、断面温差法和表面温度梯度法) ，实质上是参数辨识。妒。， 的测算不仅受炉子结构参数和操作参数的影响，而且实验是在一定的稳态工况下 进行的，具有较大的片面性。根据日本钢铁学会加热炉小委员会的报告，在众多 炉子上的研究表明：九，几乎无规律可循5 7 1 。虽然如此，对九，的在线补偿和理 论求算的研究在不断深入，石伟、陈海耿等人将段法全交换面积推广到热电偶上， 东北大学硕士论文第一章绪论 以理论方法计算了九，1 5 8 , 5 9 。使用该方法实现。的动态补偿，在机理上是成熟 的，并可进一步研究其简化算法。 一些工程研究对辐射进行了简化如前苏联锅炉热力计算标准中的米多尔 分段算法，将辐射屏蔽在一个段内求解：一维分区计算法采用假想面简化段间辐 射【6 0 】。又如，吴彬、陈海耿提出了连续加热炉“三元模型”，采用段问辐射 解耦的方法实现了能量平衡方程组的在线求解，并实现了全交换面积的动态补 偿。 1 2 2 加热炉模型和计算机控制 计算机控制技术是自动控制理论与计算机技术相结合的产物，早期的计算 机控制属于管理控制，操作指导控制或设定点控制，因此仍需要常规的模拟控制 装置。1 9 6 2 年。美国帝国化学工业公司采用计算机完全代替了原来的模拟控制， 该计算机控制系统测量了2 2 4 个变量，直接控制1 2 9 个阀门。由于计算机直接控 制过程变量，它完全代替了原来的模拟控制，这样的控制被称为直接数字控制 ( d d c ) 2 1 。d d c 控制的出现是计算机技术发展过程的一个重要阶段，它使人 们注意到计算机在基本控制方面的作用从而促进了各个领域计算机控制的应用 和发展。 2 0 世纪7 0 年代以来国际上对加热炉模型化及计算机控制的研究曰益活跃， 其控制策略从早期的d d c 发展到通过数学模型实现最优控制 2 j 。然而，加热炉 的操作和控制一直是轧钢过程中较为薄弱的环节。7 0 年代末期，工业发达国家 的大型连续加热炉的计算机控制已进入实用阶段，但就其控制策路而言，主要还 局限于燃烧控制【6 2 1 。不过，人们很快就发现只考虑燃烧控制的系统是不完善的， 因为加热炉生产的直接目标是获得工艺所要求的钢坯加热温度，以得到良好的轧 制性能，同时实现最省的燃料消耗。由于炉内钢坯温度场的不可测性，使得钢坯 加热温度的控制很难实现。通常，为了适应轧制节奏和控制条件的变化，只能将 钢坯的加热留有较大的富余量。显然，这种控制方式带有一定的盲目性，结果使 钢坯氧化烧损严重以及燃料消耗过大。建立加热炉数学模型，根据加热炉的可测 变量来估计钢坯的温度分布，并以此为基础实现加热炉生产的最优化控制，是提 高加热炉控制水平的有效途径之一。 近几十年来，国际上对加热炉模型化及计算机最优控制的研究在不断深入。 在美国i n l a n d 钢铁公司，v e s l o c k i 6 3 】用近似段法开发了板坯加热炉动态数学模型， 计算了板坯、炉体和炉气的温度场随时间的变化过程，并在此基础上进行简化， 开发出基于板坯温度估算的在线控制模型，取得了节能6 4 的效果。y o s h i s u k e l 6 4 东北大学硕上论文 等在日本s u m i t o m o 金属工业公司采用九，法建立了加热炉控制数学模型，进行 钢坯温度预示，并以此研究了待轧策略和计算机控制策略，投入使用后取得了良 好的节能效果。 h o l l a n d 1 6 在荷兰h o o g o v e n s 钢铁公司以热轧带钢的导热模型为核心，将辐 射高温计读数的四次方看作炉气、钢坯及炉围温度的四次方加权，通过辐射热平 衡及测试反算开发了热轧带钢三段式炉的在线控制模型。h o l l a n d 认为，对于待 轧采用燃料直接控制效果优于温度控制，可节能8 。荷兰皇家霍戈文钢铁公司 建立了板坯表面温度计算控制系统，该系统根据板坯表面、内部、炉气、炉墙同 高温计指示的温度关系配合轧制节奏，不断计算控制每块板坯表面温度随时间变 化的曲线，以实现各种要求出钢节奏下出炉板坯要求的截面平均温度 6 ”。瑞典 a b b 公司e r i kk i h i b e r g l 6 6 j 开发了a b bm a s t e ra f l 0 0 加热炉最优控制系统，根据 钢坯跟踪预示模型制订出各种产量下的“覆盖式”优化加热策略。该系统可自动 检测判断随机性待轧和计划性待轧，并分别加以控制，在b o x h o l m 公司精轧炉 上使用，节能1 7 。a c h a r y a 6 7 】等人在e s s a r 钢铁公司开发的加热炉炉温控制模 型取得很好的操作效果，其炉温的自动决策非常成功，不仅提高了钢坯加热质量， 而且降低了燃料消耗，使加热炉的控制水平得到显著提高。此外，日本、法国、 英国、意大利等国家也实现了加热炉计算机控制，均取得一定的经济效益和节能 效果 6 8 - 7 1 】。 我国从8 0 年代初开始进入轧钢加热炉计算机控制应用阶段。这些年来，我 国的科技工作者进行了大量的卓有成效的研究工作，取得了许多重要的研究成 果。如重钢五厂2 “板坯加热炉微型计算机控制系统 7 2 1 、菜钢步进式带钢加热炉 控制系统【4 ”】、宝钢1 5 8 0 热轧加热炉控制系统及鞍钢1 7 8 0 热连轧步进梁式加热 炉优化控制 _ 7 4 】等。同时在多座加热炉上实现计算机控制，取鼐了节能、降耗和 提高加热质量的效果。许多单炉的能耗指标己达到世界先进水平。据统计，实现 加热炉计算机控制，平均每座炉可节能8 1 0 ，减少金属氧化烧损 1 0 。3 0 1 7 5 1 。 随着学科交叉的日益深入、计算机科学的不断发展和现代控制理论的逐渐成 熟，加热炉模型化和计算机控制领域的研究也更加深入。许多学者对燃烧优化技 术都开展了研究。s t a a l m a n ，d i r k f j 7 6 1 在他们的论文中介绍了一类包含温度模 型和温度控制器的控制系统，通过控制温度沿着由模型计算出来的最优轨迹变化 来达到优化的目的。b i n z h a n g ，l i y u n x u 等f 77 】阐述了如何在燃烧控制中得到炉膛 温度的最优设定值，并且使用模糊逻辑系统来计算这个设定值。陈海耿1 7 驯阐述了 炉子最优控制中确定目标函数的困难，在于炉膛换热在模型中被充分简化，从而 使真实目标与保留参量脱耦提出以炉膛和被加热金属两部分的简化能量平衡式 构成目标函数，并以变分法导出可求目标极值的微分方程。陈永、陈海耿州等 东北大学硕士论文 第一章绪论 根据加热炉的生产特点，在钢坯加热过程数学模型的基础上，建立了燃料消耗最 低的稳态加热模型，运用最大值原理对加热炉内最优供燃函数及温度场分布进行 了数值模拟及优化计算，得出了合理的供热制度，从而实现最佳操作。张立志【8 0 】 等人设计了一种模糊控制器，并研究了用多层前馈神经网络( b p 网) 实现模糊控 制的方法，应用于加热炉控制系统，具有较高的灵活性和通用性。梁军【8 1 】从算 法、仿真和实现三方面研究了加热炉生产过程的自适应控制问题，通过仿真结果 证明了自适应控制系统的有效性。权芳民、陈海耿1 8 2 j 在炉内钢坯加热过程数学 模型的基础上，将人工智能中的启发式搜索策略应用于炉子动态优化控制，对不 同待轧时间的加热炉操作进行了数学模拟及优化计算，提出了合理的待轧策略， 实现了加热炉待轧的最佳操作，即实现炉子燃料消耗与金属氧化烧损的极少化。 此外，国内许多学者也就加热炉模型化及计算机控制问题进行了研究，并提出了 相应的控制策略。 为了进行比较，王子弟1 83 】将国内外炉窑计算机控制所采用的关键技术列于 表1 1 ，由表可见，国外在加热炉上所采用的控制技术国内都有研究和应用畔】。 表1 1 国内外轧钢加热炉计算机控制关键技术 虽然理论水平已赶上国际水平，但与工业发达国家相比，我国的加热炉计算机控 制起步较晚，并且发展十分不平衡。在我国近千座加热炉中，实现计算机控制的 不足3 0 ，即使在我国十大钢铁企业中也还存在人工操作的加热炉。此外，我国 东北大学硕士论文 的加热炉计算机控制系统大多还限于单炉控制，实现炉子计算机控制系统与轧线 计算机控制系统构成大系统的，仅宝钢等少数几家冶金企业，而其他多数企业在 这方面目前还处于起步阶段。 据对我国已经投入计算机控制系统的加热炉运行情况的考察，计算机控制系 统的应用并非都取得了令人满意的效果。有些企业虽然配有较先进的计算机系 统，但只是用计算机代替常规仪表，做一些p i d 调节，计算机的功能没有充分 利用，控制效果不理想，效益不明显：另外一个比较普遍存在的间题是控制系统 运行不稳定。有的计算机控制系统虽然带有s c c 级控制。但s c c 级不能在线使 用；也有个别企业的两级控制系统都无法在线运行，控制系统处于瘫痪状态。造 成控制系统不能长期稳定运行的因素是多方面的，包括炉子构造、外围仪表、各 执行机构等硬件因素和管理水平、操作人员素质以及控制模型等软件因素。总之， 为了提高我国加热炉控制的水平，还有大量的工作有待于进一步开展 1 2 3 待轧的研究 轧制延迟简称待轧，它是炉子控制策略离线研究的重要内容之一，因为待 轧是典型的大幅度动态操作。 由于检修、停工、换辊及各种事故，炉子经常处于待轧状态。当待轧发生 时，由于无法准确的掌握炉内钢坯温度，对待轧时各段炉温设定值的修改具有很 大盲目性。在实际生产中工人凭经验适当的降低炉温。为此，必须提出合理的待 轧时的温度制度。 一般当炉子正常生产时，炉子处于一种相对稳态。待轧一旦发生，原有平 衡不复存在，炉子产量突变为零。待轧时钢坯在炉内不再运动，如果炉温不做适 当调整，钢坯温度将不断上升，这不仅导致浪费燃料，而且会导致更多的氧化、 脱碳。严重地影响钢坯加热质量，但炉温也不能降得太低可能导致灭火，此外还 可能在待轧之后出现待热现象，影响轧制线的生产。 待轧可以分为计划待轧和非计划待轧。如换辊、交接班时的停产等属于计 划待轧，其待轧时间时预先可以知道的，可以提前采取措施。如：提前降低加热 段炉温，在待轧开始时再降低均热段炉温，待轧之后再升到正常值。非计划性轧 是预先不知道的，如轧制线的意外事故，待轧时间的长短只能经验地根据处理事 故时间的长短来确定，当待轧发生时，马上降低各段炉温，待轧之后再恢复各段 炉温。 八十年代初，t av e s l o c h i 和c c s m i t h 在i n l a n d 钢铁公司开发了一个详尽 的动态数学模型，并提出了三种应用的模型，即静态分析、瞬态分析和控制系统 的开发。对每种应用形式，都给出了具体的例子、分析和结果讨论。作为模型的 静态应用的例子研究了给定的“升温曲线”的影响效果。结果表明，给定的“升 温曲线”对所需燃料供应量的显著影响，而且对板坯温度梯度有显著影响。作为 东北大学硕士论文 第一章绪论 模型的动态应用的例子，首次提出了当待轧时和在待轧以后燃料供应策略的影 响。根据结果提出建议：如果希望各段末端板坯平均温度保持一定时，对应于板 坯所采取的供热策略应当是不仅在待轧过程中要下调燃料量，而且在待轧结束后 还要继续下调燃料量。作为模型在控制系统改进方面应用的例子，开发了一种板 坯温度估算( s l a bt e m pe s t i m a t e r ) ，用于o n - - l i n e 控制8 5 。h o l l a n d e r 8 5 , 8 6 对炉子 待轧时钢坯温度场进行了研究，得出在炉子同一位置处钢坯温度高于正常值而端 面温差小于正常值，且待轧期间和待轧后一段时间，应适当减少热负荷。p e c k 盯】 对计划性待轧和非计划性待轧根据待轧时间长短给出了相应的待轧策略。p r i c e 8 8 亦给出了一个待轧策略，认为对于计划性待轧，应该提前降温，待轧期间降至最 小极限温度，恢复待轧时提前将炉温升到正常值。c a r p e n t e r 8 9 】研究了在空燃比、 钢种或规格变化、产量波动、待轧以及入、出炉温度变化等动态因素影响下的数 学模型，提出了在短的待轧时( 如小于3 0 m i n ) ，炉温应适当降低( 图1 1 ) ，对 于长的待轧( 图1 2 ) ，炉温降至保温温度，并保持到系统决定升温。徐春柏【9 0 】 在经验的基础上得出了待轧策略，并实现了在线计算机控制。陈海耿，陈永【9 1 】 温 度 、 温度响应线 ( 夕 设定值 犀低保温温度 待轧开始待轧结束时间 图1 1 短待轧温度响应图 等对待轧过程进行数学模型的研究，根据不同待轧时间。运用最优控制理论中 的最小值原理，提出合理的待轧策略，尽可能地减少待轧时加热炉燃料消耗和钢 坯的氧化烧损，提高了产品的加热质量。王吴，金在峰【9 2 】等在马钢公司初轧厂依 据钢锭热过程数学模型进行动态钢温跟踪以及烧好预报，进行了动态均热炉优 化加热控制。在动态的待轧策略中将待轧分“计划待轧”和“非计划待轧”两 种情况分别处理，而不区分待轧时间是由何种因素引起的。董伟，陈海耿1 9 3 j 等 对待扎过程进行数学模型的研究定量分析了供热制度变化对钢坯出炉温度的影 响，提出了待轧时应遵循燃料均匀减量的原则。根据不同待轧时间采用多目标 灰色局势决策的方法，确定燃料减量幅度和恢复正常燃料供应的滞后时间，在 计算上和操作上都是的方便的。待轧时的均匀减慢策略可以总体上获得良好的 节能效果，同时可以使恢复待轧后出炉钢温的波动幅度达到最小。朱宏祥【9 4 】等 在详细分析了宝钢线材厂加热炉热工特点的基础上，根据现场实际生产情况， 东北大学硕士论文 温 度 l7 昂低保温温度 待轧开始升温斜坡待轧结束时间 图i 2 长待轧温度响应图 分别建立了短期待轧和长期待轧的数学模型，提出了静态与动态相结合的待轧控 制策略，使操作人员可以在给定的待轧降温速度和升温速度的基础上进行动态调 节优化，实现了待轧过程的在线控制，同时对延长加热炉的使用寿命提高钢坯加 热质量和减少钢的氧化烧损方面有重要的指导意义。时晓燕，温治【9 5 】等人运用 两段加热法对钢锭过程进行仿真研究，得到待轧时间与最低温度设定值有对应的 关系，采用两段式加热法可以使待轧有计划地转移到低炉温段，达到节能降耗， 减少氧化烧损的目的。 o 东北大学硕十论文第一苹绪论 1 3 研究的内容 加热炉在线控制比较有效的方法是：以数学模型为手段，实现以直接数字 控制( d d c ) 为基础的计算机监督控制( s c c ) 。加热曲线法是s c c 系统决策的 方法之一。然而在运用加热曲线法进行炉温决策时，繁重的计算量提高了对控制 机的要求，这阻碍了该方法在炉子控制中的应用和推广。为此，本文着重研究加 热曲线方法的简化，主要研究的内容包括： 介绍加热曲线法定义，阐述其特点。 以钢坯在炉内的能量平衡方程为基础，在简化条件下( 炉温均匀分布、 常物性等) ，分别采用分化模式和汇合模式对炉温设定公式 i = i 。+ r ( t 。i m 一7 1 s ) 中的，( 即所谓的收敛系数) 进行推导研究，力争实现在 不进行虚拟加热的情况下给出合理的，值( 精确的，可称为钢温炉温修正系数) ， 力求免除迭代或只进行一轮迭代。 推导函数乘积的平均修正法，并应用于更一般条件( 炉温、o 。分布和 变物性等) 下的加热曲线法简化研究。 以天津中板厂的实际数据为算例基础，分别对和推导的结果进行验 证。 对一般加热曲线法和简化加热蓝线法运算量进行分析比较。 东北大学硕：1 ：论文 第二章钢坯热过程数学模型 2 1 总括热吸收率法 对于加热炉经验模型，人们研究得较早，因为那时对炉内传热的研究还不 深入，所以，经验模型起了重要作用。随着研究的深入，加热炉机理模型引起了 人们的重视。机理模型是完全或者部分以炉内热平衡为基础建立起来的，因此， 可以作为加热炉计算机监督控制( s c c ) 的核心，近年来得到了较大的发展。 机理模型一般有以下几部分： 钢坯温度预示模型： 动态补偿模型； 优化控制模型； 延迟轧制模型。 但是无论哪一种模型，只要用钢坯温度预示模型建立起控制对象和控制目 标的联系，就不可避免地遇到一个重要问题，即求解钢坯导热微分方程。 求解钢坯导热微分方程，在无法获得解析解的情况下。通常将其转化为离 散形式进行数值求解。对于边界条件，即炉膛向钢坯表面传递的热流密度，为了 充分体现出其对钢坯的综合传热，在线模型是将影响热量传到钢坯的诸多因素， 概括为一个无因次系数，即总括热吸收率。而且，一般在线模型的简化是针对钢 坯加热的边界条件所进行的简化，所以，总括热吸收率成了保证模型准确性的至 关重要的参数。 关于钢坯外部传热的研究，采用的方法比较多，有如段法、流法、蒙特卡 洛法等，也取得了不少研究成果，但它们主要用于离线研究。对于加热炉在线控 制数学模型来说，由于实时的要求。模型往往对实际过程进行适当的简化，有时 简化是相当彻底的。对钢坯表面热流的处理采用总括热吸收率法。 在计算总括热吸收率时要特别注意分清两个重要概念：炉气温度和炉温。 炉气温度是指燃料在加热炉内燃烧时，燃烧产物与炉壁、钢坯进行热交换过程中， 炉气本身所具有的温度。而炉温则是指炉气、炉壁、钢坯以及测温装置( 通常是 指热电偶) 在进行热交换过程中，测温装置在综合传热作用下，所测得的温度。 由此可见，炉温并不等于炉气温度。一般情况下，炉温要比炉气温度低。对于普 通三段式连续加热炉来说，大体上，二者在均热段约相差l o 2 0 0 c ；在加热段 约相差5 0 1 0 0o c ：在炉尾约相差1 0 0 2 0 0o c 。 理论上。总括热吸收率所建立的是炉气温度和钢坯表面温度之间的联系， 其表达式为 1 2 东北大学硕士论文 第二章钢坯热过程数学模型 q 。= 神( w ( 一巧) ( 2 1 ) 但是，实际上经常用到的却是炉温和钢坯表面温度之问的联系。即 吼= 椰卵( 巧一t ，4 ) ( 2 2 ) 原因是炉气温度t 。的测量不方便，而炉温t f 的连续测量却容易实现。这样，式 ( 2 1 ) 和( 2 2 ) 中的中。和o c f 就必须区分开来。我们称前者为基于炉气温度 的总括热吸收率，称后者为基于炉温的总括热吸收率。本文后面所提及的总括热 吸收率，如不特别说明即是指炉子总括热吸收率巾。 双面加热时的表达式为 q 。= o ，( 瑶一丁h 。) ( 2 3 ) q 。= 嗽，( 瑶一r 。) ( 2 4 ) 式中，l 一炉气温度，k ； 丁一钢坯表面温度，k ： 乃一炉温，k ； 下标： u 、b 一分别表示上下炉膛。 从上式中可以看出，总括热吸收率法将影响炉内钢坯表面热流的诸多因素概 括为一个无因次的系数，即总括热吸收率。由于该法算法简单，在连续加热炉在 线控制数学模型中得到广泛的应用。 2 1 1 参数辨识 钢坯加热边界条件经过充分简化之后，姑对于保证模型的准确性则显得尤 为重要。作为十分重要的系统参数或模型参数，龙，是沿炉长方向分布的一组( 或 二二组) 数，影响丸，的主要因素有炉子结构、热电偶位置、辐射与对流的相对比例、 火焰的形状及长度和炉内气氛等。它不仅与炉子的结构参数有关，而且与炉子的 操作参数有关。 所谓参数辨识，在这里是指盘，的确定。通常有3 类方法可供选择：实验 的方法；理论的方法；基于实际生产统计数据的方法。 实验的方法( 主要有三种) 幻表面温度梯度法 东北大学硕士论文 一，识 口= 一九一 1 砂 g = 哦，( f f ) a 亟 站一斫1 仃t ，一。) 该方法中因为表面温度梯度挚难以确定，所以应用困难。 洲 b ) 焓增法 g = g a i q = 嚷，( 譬一f ) ( 25 ) ( 2 6 ) ( 27 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 饥：_ 竺， ( 2 ，1 0 ) 站2 面巧百 心， 式中，g 一产量，t h ； i 一热焓，j 。 该法比较简单，可以分段处理实验数据来求姑。 c ) 断面温差法 q = 嗽。( 口一正4 ) ( 2 i i ) 口：2 2 a t( 2 1 2 ) 口= 一 l z ：兰磐! ：(213)cf 2 砀而 旺 式中，一钢坯断面温差，k ； s 一透热深度，r n 。 该方法的缺点是常因沿厚度方向温度分布的测量误差被放大而导致缸的推 算不准。 作为方法的实例【9 6 1 ，图2 1 示出了太钢第一轧钢厂3 号加热炉龙，的辨识， 图2 1a 为埋偶测温实验所测得的实验坯升温曲线。实验数据处理的关键是借助 于传热学反问题方法，即以图2 1a 作为边界条件，求出加热过程的表面热流密 度( 图2 1b ) ，再根据图2 1b 以及实验的其他数据则可算得九，沿炉长方向的分 布。实验过程中需要测定的量有：炉温、钢坯的表面温度、钢坯的内部温 1 4 东北大学硕士论文 第二章钢坯热过程数学模型 度。其中和项通常由埋偶实验来获得，温度测量则采用适当的热电偶。 图2 ，1 函c f 辨识的主要步骤 ( a ) 实测的升温曲线( b ) 反算的表面热流 1 一上表面；2 一下表面：3 一中心 理论的方法 本方法的基础是实现炉温即炉膛热电偶温度的模拟，文献 5 8 1 将辐射全交换 面积的概念加以推广并用于热电偶热端表面，使段法对炉膛热交换的求解信息中 包括炉温，从而确定九，并研究其动态规律。以均匀制度为例，丸，的