CN113343514A - 一种步进式加热炉加热制度优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种步进式加热炉加热制度优化方法，包括：建立钢坯热物性参数数据库；读取钢种信息；建立加热炉基本参数数据库；确定钢坯计算模型的边界条件；建立钢坯炉内传热计算模型；建立钢种最优加热制度及钢坯最优升温曲线数据库；钢坯入炉后实时在线采集热平衡计算相关数据，基于动态热平衡计算钢坯在炉内的升温过程，与最优升温曲线对比，动态监测钢坯炉内温升过程；完成该钢坯最优加热。本发明提出的一种步进式加热炉加热制度优化方法，能够有效提高加热炉的热效率，降低燃料消耗和钢坯的氧化烧损，提高产品质量和成材料。

Description

一种步进式加热炉加热制度优化方法

技术领域

本发明涉及一种优化加热炉加热制度的方法，具体涉及一种步进式加热炉加热制度优化方法，属于加热炉优化控制技术领域。

背景技术

步进式加热炉是轧钢产线的重要加热设备，通常沿着炉长方向分为预热段、加热段和均热段，有的炉子把加热段分为一加热段和二加热段。钢坯进入加热炉后先经预热段缓慢升温，再到加热段强化加热，最后进入均热段均热，使钢坯断面温度分布均匀，从而使钢坯温度到达出炉要求。加热制度合理与否对降低加热炉能耗、提高产品质量起着决定性作用。如果加热制度不合理会导致板坯出炉温度过高或过低。若板坯出炉温度过高，会导致钢坯氧化烧损率过高，成材率低、能耗增大；板坯出炉温度过低或分布不均匀，无法满足轧制要求，进而影响产品质量。

热轧工艺对板坯的出炉温度和温度均匀性要求较高，加热炉内钢坯在满足目标出炉温度前提下，采用合理的加热制度，要最大限度降低炉子热损耗及燃料消耗才能提高加热炉的生产效率。而目前，加热制度的制定主要根据经验确定，由所加热钢坯的特性确定出炉温度、在炉时间、各段炉温等参数，在坯料入炉前给出加热制度，缺少科学的理论支撑，并且在实际生产过程中，受很多因素影响，工艺参数经常会产生波动，无法使实际的钢坯温升曲线与理想状态相吻合，不能达到最佳的加热效果，进而影响加热炉的生产效率及后续轧制产品的质量。

公开号为CN103952529A的中国发明专利公开了一种步进式加热炉基于热平衡的炉温优化方法。该方法利用炉内热平衡关系，计算出沿路长各段的最优炉温，使钢坯在规定时间内达到合适温度和断面温差。其分析过程为通过设定各段炉温，再以钢坯平均温度为判定标准，反复推算求出最优的炉温分布，虽然确定了最优炉温制度。但并未考虑到实际生产中各波动因素的影响，并且微元段的热平衡计算数据均为理论数据和平均值，这就与实际工况产生一定的偏差。

公开号为CN102994731A的中国发明专利公开了一种基于加热炉和钢坯传热模型的加热炉内坯料优化加热曲线计算系统和方法。该方法通过坯料出炉温度与目标温度的和偏差和升温速率来修正加热曲线。该加热曲线仅用于坯料入炉前加热制度的制度，并不能随生产工艺条件及参数波动而及时准确的做出相应的优化与调整。

现有技术存在问题主要有：1)传统加热制度主要根据经验由所加热钢坯的特性确定，缺少科学的理论支撑，在加热制度制定过程中为保证轧制要求及产品质量，尽可能提高炉温，延长在炉时间，从而造成不必要的能源浪费；2)主要用于钢坯加热前炉温及加热曲线的制定，未考虑实际生产中工艺参数波动等的影响，主要用于事前控制，很难适应变工艺、变节奏的生产需求。3)理论计算基础数据全部采用经验数据、平均值等，不能及时在线反馈基础数据进行计算，与实际生产工况会有偏差，无法准确反映加热炉当前生产状态，并及时进行调整。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题和不足，提出了一种步进式加热炉加热制度优化方法。该方法适用于不同钢种、不同坯料规格，在满足轧制要求的前提下，针对特定钢种提出最优加热制度，从而降低燃料消耗，提高加热质量和成材率。本方法以炉内热量平衡和钢坯温度预测模型为基础，得出不同钢种、不同规格钢坯的最优加热制度；以目标出炉温度和温差要求为判定条件，利用在线检测数据及钢坯温度预报模型，实时监测钢坯温升过程曲线，与最优加热制度下温升曲线进行对比，如有偏离则及时调整优化以达到理想加热效果。

本发明具体是这样实现的：

一种步进式加热炉加热制度优化方法，包括如下步骤：

1)建立钢坯热物性参数数据库；

2)通过现场生产管理系统读取钢种信息；

3)建立加热炉基本参数数据库；

4)沿炉长方向划分若干微元，基于微元段热平衡确定钢坯吸收热量，进而确定钢坯计算模型的边界条件；

5)根据加热炉炉型特点建立钢坯炉内传热计算模型，采用三维直角坐标系下对钢坯长度、宽度和厚度方向进行网格划分，采用有限差分法计算钢坯内部各点温度，利用黑匣子测试对模型加以验证和修正；

6)读取步骤1)、步骤2)、步骤3)相关信息，调用步骤4)、步骤5)数学模型，利用经验加热曲线计算钢坯的出炉温度及断面温差，与允许目标温度和温差进行比较，如果计算结果不在误差允许范围内，则调整各段炉温及加热时间，重复步骤6)；如计算结果与目标值吻合良好，则将该工况定为该钢种的最优加热制度，并建立钢种最优加热制度及钢坯最优升温曲线数据库；

7)在钢坯入炉前调用钢种加热制度数据库，自动完成该钢坯加热制度的设定，调用钢坯最优升温曲线；

8)在钢坯入炉后实时在线采集热平衡计算相关数据，基于动态热平衡计算钢坯在炉内的升温过程，与最优升温曲线对比，动态监测钢坯炉内温升过程；

9)如果钢坯炉内动态升温过程与钢坯最优升温曲线吻合良好，则转入步骤10)；如果钢坯温度高于或低于最优升温曲线3％，则对炉温进行修正，需相应调低或调高对应炉段炉温，进而确定所需原料消耗量，重复步骤4)、5)、8)，直至符合出炉要求，转至步骤10)；

10)完成该钢坯最优加热。

更进一步的方案是：

所述钢坯热物性参数数据库包括钢坯的密度、比热容、热导率、目标出炉温度、允许断面温差参数。

更进一步的方案是：

所述钢种信息包括钢种、钢坯的长、宽、厚度及初始入炉温度。

更进一步的方案是：

所述加热炉基本参数数据库，包括加热炉预热段、加热段、均热段的炉长，各段上下部炉膛高度、炉衬耐材特征参数、炉体壁厚。

更进一步的方案是：

所述加热段分为一加热段和二加热段。

更进一步的方案是：

步骤4)具体包括：

微元段的热收入项包括微元段的燃料化学热dQ₁，预热空气带入的物理热dQ₂，预热燃料带入的物理热dQ₃，金属氧化热dQ₄，上游微元段流入本微元段烟气带入物理热dQ₅；

微元段热支出项包括金属吸收的有效热量dQ₁’，炉渣带走热量dQ₂’，汽化及冷却水带走热量dQ₃’，烟气带走热量dQ₄’，燃料机械不完全燃烧热损失dQ₅’，燃料化学不完全热损失dQ₆’，炉体散热损失dQ₇’，流入下一微元段烟气带走热量dQ₈’；

根据热平衡方程dQ₁+dQ₂+dQ₃+dQ₄+dQ₅＝dQ₁’+dQ₂’+dQ₃’+dQ₄’+dQ₅’+dQ₆’+dQ₇’+dQ₈’可确定钢坯在微元的瞬态吸热量，从而确定钢坯计算模型的边界条件。

更进一步的方案是：

微元热收入项除金属氧化热外，其余热量计算均利用加热炉已有计量设备实时在线读取燃料和空气的流量、温度、压力及成分的瞬态数据进行计算；

金属氧化热基于氧化烧损模型进行计算，如下：

Wc＝aτ^0.5e^-b/T·F/1000

式中:w_c为钢坯瞬时氧化烧损量，kg；τ为时间，min；T为钢坯温度，℃；F为钢坯表面积,cm²；a、b是取决于钢种的系数；

微元热支出项中汽化及冷却水带走热量、烟气带走热量及燃料机械不完全燃烧热损失、炉体散热等计算所需数据均由已有计量设备在线读取；包括蒸汽及冷却水进出口温度及流量数据获得；炉墙内外表面典型位置热电偶温度读数，炉尾烟气分析仪的烟气成分实时监测结果。

本发明提出了一种步进式加热炉加热制度优化方法。在加热炉微元段动态热平衡的基础上，以钢坯目标出炉温度及最优升温曲线为判定依据，确定了加热炉实际生产过程中的最优加热制度。能够有效提高加热炉的热效率，降低燃料消耗和钢坯的氧化烧损，提高产品质量和成材料。

附图说明

图1为本发明技术方案流程图。

图2为某钢种最优升温曲线示意图。

具体实施方式

为了更好地解释本发明，下面通过针对某种钢具体的实施方式进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。

如附图1所示，本方案的一种步进式加热炉加热制度优化方法，包括如下步骤。

1)建立钢坯热物性参数数据库，包括钢坯的密度、比热容、热导率、目标出炉温度、允许断面温差等参数。

2)通过现场生产管理系统读取钢种信息，包括钢种、钢坯的长、宽、厚度及初始入炉温度等。

现有加热制度：加热炉预热段温度1240℃，一加热段温度1330℃，二加热段温度1388℃，均热段温度1388℃，总在炉时间580min。由于炉温高，在炉时间长造成板坯氧化烧损严重，加热炉能耗上升，同时造成很多加热质量缺陷。

3)建立加热炉基本参数数据库，包括加热炉预热的、加热段(一加、二加)、均热段炉长，各段上下部炉膛高度、炉衬耐材特征参数、炉体壁厚等。

4)沿炉长方向划分若干微元，基于微元段热平衡确定钢坯吸收热量，进而确定钢坯计算模型的边界条件。

微元段的热收入项包括微元段的燃料化学热dQ₁，预热空气带入的物理热dQ₂，预热燃料带入的物理热dQ₃，金属氧化热dQ₄，上游微元段流入本微元段烟气带入物理热dQ₅。

微元段热支出项包括金属吸收的有效热量dQ₁’，炉渣带走热量dQ₂’，汽化及冷却水带走热量dQ₃’，烟气带走热量dQ₄’，燃料机械不完全燃烧热损失dQ₅’，燃料化学不完全热损失dQ₆’，炉体散热损失dQ₇’，流入下一微元段烟气带走热量dQ₈’。

根据热平衡方程dQ₁+dQ₂+dQ₃+dQ₄+dQ₅＝dQ₁’+dQ₂’+dQ₃’+dQ₄’+dQ₅’+dQ₆’+dQ₇’+dQ₈’可确定钢坯在微元的瞬态吸热量，从而确定钢坯计算模型的边界条件。

5)根据加热炉炉型特点建立钢坯炉内传热计算模型，采用三维直角坐标系下对钢坯长度、宽度和厚度方向进行网格划分，采用有限差分法计算钢坯内部各点温度，模型已利用黑匣子测试对模型加以验证和修正。

6)读取步骤1)、步骤2)、步骤3)相关信息，调用步骤4)、步骤5)数学模型，利用经验加热曲线计算钢坯的出炉温度及断面温差，与允许目标温度和温差进行比较，如果计算结果不在误差允许范围内，则调整炉温，重复步骤6)；如计算结果与目标值吻合良好，则将该工况定为该钢种的最优加热制度，并建立钢种最优加热制度及钢坯最优升温曲线数据库。

钢坯加热达到1350℃，还需保温45min以上，才满足加热要求。通过优化计算得到优化后加热制度如下表。

表1钢坯加热制度优化结果

通过过程温度场变化分析和JEM-2100F型透射电镜中进行形貌观察，方案3既满足加热温度需求，加热后组织形貌也符合出炉条件及后续轧制工艺要求，并大幅降低了二加及均热段的炉温及在炉时间，可有效降低钢坯的氧化烧损及加热炉能耗。最优升温曲线如图2所示。

7)在钢坯入炉前调用钢种加热制度数据库，自动完成该钢坯加热制度的设定，调用钢坯最优升温曲线。

8)实时在线采集热平衡计算相关数据，基于动态热平衡计算钢坯在炉内的升温过程，与最优升温曲线对比，动态监测钢坯炉内温升过程。

微元热收入项除金属氧化热外，其余热量计算均利用加热炉已有计量设备实时在线读取燃料和空气的流量、温度、压力及成分的瞬态数据进行计算。金属氧化热基于氧化烧损模型进行计算，如下：

Wc＝aτ^0.5e^-b/T·F/1000

式中:w_c为钢坯瞬时氧化烧损量，kg；τ为时间，min；T为钢坯温度，℃；F为钢坯表面积,cm²；a、b是取决于钢种的系数。

微元热支出项中汽化及冷却水带走热量、烟气带走热量及燃料机械不完全燃烧热损失、炉体散热等计算所需数据均由已有计量设备在线读取。包括蒸汽及冷却水进出口温度及流量数据获得；炉墙内外表面典型位置热电偶温度读数，炉尾烟气分析仪的烟气成分实时监测结果等。

9)如果钢坯炉内动态升温过程与钢坯最优升温曲线吻合良好，则转入步骤10)。如果钢坯温度高于或低于最优升温曲线3％，则对炉温进行修正，需相应调低或调高对应炉段炉温，进而确定所需原料消耗量，重复步骤4)、5)、8)，直至符合出炉要求，转至步骤10)。

10)完成该钢坯最优加热。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (7)

1.一种步进式加热炉加热制度优化方法，其特征在于包括如下步骤：

1)建立钢坯热物性参数数据库；

2)通过现场生产管理系统读取钢种信息；

3)建立加热炉基本参数数据库；

4)沿炉长方向划分若干微元，基于微元段热平衡确定钢坯吸收热量，进而确定钢坯计算模型的边界条件；

5)根据加热炉炉型特点建立钢坯炉内传热计算模型，采用三维直角坐标系下对钢坯长度、宽度和厚度方向进行网格划分，采用有限差分法计算钢坯内部各点温度，利用黑匣子测试对模型加以验证和修正；

6)读取步骤1)、步骤2)、步骤3)相关信息，调用步骤4)、步骤5)数学模型，利用经验加热曲线计算钢坯的出炉温度及断面温差，与允许目标温度和温差进行比较，如果计算结果不在误差允许范围内，则调整各段炉温及加热时间，重复步骤6)；如计算结果与目标值吻合良好，则将该工况定为该钢种的最优加热制度，并建立钢种最优加热制度及钢坯最优升温曲线数据库；

7)在钢坯入炉前调用钢种加热制度数据库，自动完成该钢坯加热制度的设定，调用钢坯最优升温曲线；

8)在钢坯入炉后实时在线采集热平衡计算相关数据，基于动态热平衡计算钢坯在炉内的升温过程，与最优升温曲线对比，动态监测钢坯炉内温升过程；

9)如果钢坯炉内动态升温过程与钢坯最优升温曲线吻合良好，则转入步骤10)；如果钢坯温度高于或低于最优升温曲线3％，则对炉温进行修正，需相应调低或调高对应炉段炉温，进而确定所需原料消耗量，重复步骤4)、5)、8)，直至符合出炉要求，转至步骤10)；

10)完成该钢坯最优加热。

2.根据权利要求1所述步进式加热炉加热制度优化方法，其特征在于：

所述钢坯热物性参数数据库包括钢坯的密度、比热容、热导率、目标出炉温度、允许断面温差参数。

3.根据权利要求1所述步进式加热炉加热制度优化方法，其特征在于：

所述钢种信息包括钢种、钢坯的长、宽、厚度及初始入炉温度。

4.根据权利要求1所述步进式加热炉加热制度优化方法，其特征在于：

所述加热炉基本参数数据库，包括加热炉预热段、加热段、均热段的炉长，各段上下部炉膛高度、炉衬耐材特征参数、炉体壁厚。

5.根据权利要求4所述步进式加热炉加热制度优化方法，其特征在于：

所述加热段分为一加热段和二加热段。

6.根据权利要求1所述步进式加热炉加热制度优化方法，其特征在于：

步骤4)具体包括：

微元段的热收入项包括微元段的燃料化学热dQ₁，预热空气带入的物理热dQ₂，预热燃料带入的物理热dQ₃，金属氧化热dQ₄，上游微元段流入本微元段烟气带入物理热dQ₅；

微元段热支出项包括金属吸收的有效热量dQ₁’，炉渣带走热量dQ₂’，汽化及冷却水带走热量dQ₃’，烟气带走热量dQ₄’，燃料机械不完全燃烧热损失dQ₅’，燃料化学不完全热损失dQ₆’，炉体散热损失dQ₇’，流入下一微元段烟气带走热量dQ₈’；

根据热平衡方程dQ₁+dQ₂+dQ₃+dQ₄+dQ₅＝dQ₁’+dQ₂’+dQ₃’+dQ₄’+dQ₅’+dQ₆’+dQ₇’+dQ₈’可确定钢坯在微元的瞬态吸热量，从而确定钢坯计算模型的边界条件。

7.根据权利要求6所述步进式加热炉加热制度优化方法，其特征在于：

微元热收入项除金属氧化热外，其余热量计算均利用加热炉已有计量设备实时在线读取燃料和空气的流量、温度、压力及成分的瞬态数据进行计算；

金属氧化热基于氧化烧损模型进行计算，如下：

Wc＝aτ^0.5e^-b/T·F/1000

式中:w_c为钢坯瞬时氧化烧损量，kg；τ为时间，min；T为钢坯温度，℃；F为钢坯表面积,cm²；a、b是取决于钢种的系数；

微元热支出项中汽化及冷却水带走热量、烟气带走热量及燃料机械不完全燃烧热损失、炉体散热等计算所需数据均由已有计量设备在线读取；包括蒸汽及冷却水进出口温度及流量数据获得；炉墙内外表面典型位置热电偶温度读数，炉尾烟气分析仪的烟气成分实时监测结果。

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