CN1840715A - 热轧加热炉炉温动态设定控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热轧过程中加热炉炉温的动态控制方法。一种热轧加热炉炉温动态设定控制方法，其特征是按下列四个步骤进行：(1)采用板坯温度预报模型计算板坯所在段的段末温度，该计算方法是前向递推的；(2)按板坯移动距离，动态计算板坯各段段末的目标温度；(3)计算板坯当前段所需要的炉气温度，即必要炉温；(4)考虑当前段所有板坯的差异进行专家经验加权设定。本发明可以快速准确地预报板坯的温度，实时调整段末目标温度，更好地满足板坯加热质量、轧线节奏的要求，并节约能源，从而克服了现有技术计算工作量大、精度差的缺陷。

Description

热轧加热炉炉温动态设定控制方法

(一)技术领域

本发明涉及热轧过程中加热炉炉温的动态控制方法。

(二)背景技术

热轧加热炉一般都是三段或四段式的步进式连续加热炉，过程控制的主要功能为根据板坯温度制度的要求，制订相应的加热工艺，以满足加热质量，轧线节奏的要求，并尽可能节能。加热炉板坯在炉时间一般都在120分钟以上，加热炉全长几十米，如果没有一个动态的控制方法，很难实现加热过程的自动控制。控制的关键是动态地给出每个段的目标温度和快速准确地预报未来的板坯温度，并根据必要炉温加权设定各段的炉气温度。常用的方法有两种，一种是每时每刻都以最终的出炉目标温度为基准，带来的问题是不能合理地分配热负荷，因为加热曲线是非线性的，所以在均热段前面的预报结果是非优的。另一种方法根据各段的在炉剩余时间来确定各段目标温度，并从当前板坯所在的位置一直计算到出炉位置，其不足是计算量大，而且各段目标温度受各段在炉时间预测精度的影响，波动大。为了确保热轧工艺所要求的目标温度和均热度，必须在考虑了所有影响板坯加热的因素后，对加热炉炉温设定值进行动态的调整。加热炉炉温动态设定的主要内容包括：板坯温度预报模型；动态确定板坯各段的目标温度；计算单块板坯达到所在段目标温度所需要的炉温，也称作必要炉温；对段内所有板坯的必要炉温进行加权设定。

现有的板坯温度预报模型有两种类型，一是指数模型，它是一个代数模型，只能给出板坯的平均温度，无法预报板坯的上下表面温度；二是一维的差分模型，它为了给出平均温度，要对板坯厚度方向分层，层数的多少直接影响计算精度，层数多，精度相对好了，但计算量也大了，层数少，计算量小了，但精度又无法满足要求。现有板坯在各段目标温度的确定方法有两种，一种是板坯一装炉就确定好了，以后也不变，这是一种静态的方法，无法满足热轧生产的要求；另外一种方法是根据板坯离出炉还剩多少时间以及在各段剩余时间，按给定的升温斜率来动态确定各段段末的目标温度，由于时间是估计的，所以该方法给出的目标温度波动较大。由于一块板坯从装入加热炉到抽出去，需经过预热段、第一加热段、第二加热段和均热段，总的时间在120分钟以上，现有计算方法是从板坯到均热段出口的必要温度都计算，不仅计算量大，而且由于时间估计不准，预报精度也受到影响，有的计算段的温度不用，浪费了计算资源。还有现有的加热炉各段炉气温度的加权设定，是利用一些规则，其缺点是繁琐，而且加权系数跳跃大。因此现有的加热炉炉温动态控制方法存在许多不足，不能很好地满足热轧生产的需要。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种热轧加热炉炉温动态设定控制方法，该设定控制方法可以快速准确地预报板坯的温度，实时调整段末目标温度，更好地满足板坯加热质量、轧线节奏的要求，并节约能源，从而克服了现有技术计算工作量大、精度差的缺陷。

本发明是这样实现的：一种热轧加热炉炉温动态设定控制方法，其特征是按下列四个步骤进行：

(1)采用板坯温度预报模型计算板坯所在段的段末温度，该计算方法是前向递推的；

(2)按板坯移动距离，动态计算板坯各段段末的目标温度；

(3)计算板坯当前段所需要的炉气温度，即必要炉温；

(4)考虑当前段所有板坯的差异进行专家经验加权设定。

上述的热轧加热炉炉温动态设定控制方法，所述预报模型是从板坯当前位置按一定的时间步长预测段末温度，模型参数的计算是前向递推的，并且只计算板坯的上下表面温度和平均温度。

上述的热轧加热炉炉温动态设定控制方法，所述均热段的目标温度由系统预先确定，第二加热段的目标温度根据工艺要求的均热度确定，第一加热段和预热段的目标温度是根据给定的板坯移动单位距离的温升速率确定。

本发明采用的板坯温度预报模型是前向递推的，简单有效，无需复杂的计算，并且只需计算板坯上下表面温度和平均温度；是按板坯位置计算各段段末的目标温度，而不是时间，由于加热炉各段的长度是固定的，每次板坯移动的也是固定的，所以根据板坯位置计算各段段末的目标温度更为稳定准确；在进行必要炉温计算时，只计算当前段的必要炉温，不仅解决了控制上的非线性问题，而且计算负荷大大减小；在实际设定时，考虑了各个段的板坯差异，利用专家经验进行加权设定，加权系数是连续变化的。本发明可以快速准确地预报板坯的温度，实时调整段末目标温度，更好地满足板坯加热质量、轧线节奏的要求，并节约能源，从而克服了现有技术计算工作量大、精度差的缺陷。

(四)具体实施方式

一种热轧加热炉炉温动态设定控制方法，其特征是按下列四个步骤进行：

(1)采用板坯温度预报模型计算板坯所在段的段末温度，该计算方法是前向递推的；

(2)按板坯移动距离，动态计算板坯各段段末的目标温度；

(3)计算板坯当前段所需要的炉气温度，即必要炉温；

(4)考虑当前段所有板坯的差异进行专家经验加权设定。

下面具体说明上述的每个步骤。

1.板坯温度预报模型，板坯温度预报模型的功能是从板坯当前位置按一定的时间步长预测段末温度，在加热炉板坯加热过程控制中，对炉内每一块都要进行预测，如果模型计算量大，势必要增加计算负荷，影响过程控制的实时性。本模型技术在预报时不需要计算每一层的温度，只需要计算上下表面温度和平均温度，而且模型参数的计算是前向递推的，计算简单，速度快。具体计算方法如下：

板坯上表面温度：

$\mathrm{\θ}(\frac{H}{2},t)=\underset{i=0}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^i{A}_i\left(t\right)+\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^{j-1}{B}_j\left(t\right)$

板坯下表面温度：

$\mathrm{\θ}(-\frac{H}{2},t)=\underset{i=0}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^i{A}_i\left(t\right)+\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^{j-1}{B}_j\left(t\right)$

板坯平均温度：

θ_m(t)＝A₀(t)

上面各式的模型系数通过下式递推获得：

$\left[\begin{array}{c}{A}_0\left(t\right)\\ A_1\left(t\right)\\ A_2\left(t\right)\\ A_3\left(t\right)\\ A_4\left(t\right)\\ B_1\left(t\right)\\ B_2\left(t\right)\\ B_3\left(t\right)\\ B_4\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& m_1\left(t\right)& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& m_2\left(t\right)& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& m_3\left(t\right)& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& m_4\left(t\right)& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& m_1^{*}\left(t\right)& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& m_2^{*}\left(t\right)& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& m_3^{*}\left(t\right)& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& m_4^{*}\left(t\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{A}_0\left(0\right)\\ A_1\left(0\right)\\ A_2\left(0\right)\\ A_3\left(0\right)\\ A_4\left(0\right)\\ B_1\left(0\right)\\ B_2\left(0\right)\\ B_3\left(0\right)\\ B_4\left(0\right)\end{array}\right]$

$+\left[\begin{array}{c}{a}^2\·({\mathrm{\φ}}_S+{\mathrm{\φ}}_I)\·t/(\mathrm{\λ}\·H)\\ p_1\·K\·(1-m_1\left(t\right))\\ p_2\·K\·(1-m_2\left(t\right))\\ p_3\·K\·(1-m_3\left(t\right))\\ p_4\·K\·(1-m_4\left(t\right))\\ q_1\·R\·(1-m_1^{*}\left(t\right))\\ q_2\·R\·(1-m_2^{*}\left(t\right))\\ q_3\·R\·(1-m_3^{*}\left(t\right))\\ q_4\·R\·(1-m_4^{*}\left(t\right))\end{array}\right]$

上式中：

λ为板坯热传导率，ρ为板坯比重，c_p为板坯比热，三者是被加热板坯的物理参数，实际中是给定的。

$a^2=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\ρ}\·c_p},$ 为板坯热扩散系数。

$m_i\left(t\right)=\exp \{-\frac{4\·i^2\·a^2\·{\mathrm{\π}}^2\·t}{H^2}\}--(i=1~4)$

$m_j^{*}\left(t\right)=\exp \{-\frac{{(2j-1)}^2\·a^2\·{\mathrm{\π}}^2\·t}{H^2}\}--(j=1~4)$

t：计算步长，采用周期间隔时间(1～2分钟)

H：板坯厚度

$K=\frac{({\mathrm{\φ}}_S+{\mathrm{\φ}}_I)\·H}{2\·\mathrm{\λ}},$ $R=\frac{({\mathrm{\φ}}_S+{\mathrm{\φ}}_I)\·H}{4\·\mathrm{\λ}}$

${\mathrm{\φ}}_S={\mathrm{\ϵ}}_S\·\mathrm{\σ}\·[{(T_S+273)}^4-{(\mathrm{\θ}(\frac{H}{2},0)+273)}^4]$

${\mathrm{\φ}}_I={\mathrm{\ϵ}}_I\·\mathrm{\σ}\·[{(T_I+273)}^4-{(\mathrm{\θ}(-\frac{H}{2},0)+273)}^4]$

ε_S：板坯位置处上部总合辐射系数，由埋偶实验确定

ε_I：板坯位置处下部总合辐射系数，由埋偶实验确定

σ：Stefann-Boltzmann常数

T_S：板坯位置处上部炉温，由炉内热电偶给出

T_I：板坯位置处下部炉温，由炉内热电偶给出

p₁＝-0.106694，p₂＝0.03125，p₃＝-0.0183，p₄＝0.007812

q₁＝0.821068，q₂＝-0.101245，q₃＝0.0452020，q₄＝-0.03248

2.动态确定段目标温度，为了满足板坯升温速度的要求，一般加热炉分为预热段、第一加热段、第二加热段和均热段。均热段的目标温度是由计划确定的，即由系统预先确定，第二加热段的目标温度是根据工艺要求的均热度确定的，第一加热段和预热段的目标温度是根据给定的板坯移动单位距离的温升速率确定的。具体方法如下：

均热段目标温度 ${\mathrm{\θ}}_5^{*}={\mathrm{\θ}}_{\mathrm{obj}}^{*};{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{obj}}$ 为出炉目标温度。

第二加热段目标温度 ${\mathrm{\θ}}_4^{*}={\mathrm{\θ}}_{\mathrm{obj}}^{*}-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_J;$ Δθ_J为确保目标均热度的均热带制约温度，取值范围15～30℃。

第一加热段目标温度 ${\mathrm{\θ}}_3^{*}=\frac{\mathrm{\β}\·{\mathrm{\θ}}_4^{*}\·l_{3\mathrm{pre}}+{\mathrm{\θ}}_3\·l_4}{\mathrm{\β}\·l_{3\mathrm{pre}}+l_4};$ β为第一加热带与第二加热带的升温速率比(取值为0.9～1.2)，θ₃为当前位置的板坯跟踪温度，l₄为第二加热段的段长，l_3pre为当前位置板坯在第一加热段的剩余段长。

预热段的目标温度 ${\mathrm{\θ}}_2^{*}=\frac{\mathrm{\α}\·{\mathrm{\θ}}_4^{*}\·l_{2\mathrm{pre}}+{\mathrm{\θ}}_2\·(l_3+l_4)}{\mathrm{\α}\·l_{2\mathrm{pre}}+l_3+l_4};$ α为预热带与加热带的升温速率比；θ₂为预热带内当前温度；l₄为第二加热段的段长，l₃为第一加热段的段长，l_2pre为当前位置板坯在预热段的剩余段长，θ₄ ^*为第二加热带目标温度，α为预热带与加热带的升温速率比(取值为0.9～1.2)。

3.必要炉温的计算，所谓必要炉温就是被计算的板坯在当前位置为了达到段目标温度所必须要求的炉气温度，本设定控制方法只需要计算板坯在所在段内的必要炉温，不需要预测该板坯在其它段的情况，从而大大简化计算。具体方法如下：

首先求出表示第i段炉温的改变对第j段出口温度的影响因子η_i，j，其中i，j＝2，3，4，5分别代表预热段、一加热段、二加热段和均热段。

${\mathrm{\η}}_{i,j}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{Tout}}_i}{\mathrm{\Δ}{T}_j}$

式中ΔT_j表示第j段炉温的改变量；ΔTout_i是第i段出口温度相对于ΔT_j的变化量。

板坯需要改变的炉温为：

$\mathrm{\ΔTFj}\left(k\right)=\frac{\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{MDj}}}{{\mathrm{\η}}_j\left(k\right)}$

其中：

ΔTFj(k)：第j块带钢在第K段的炉温改变量；

ΔT_MDj：带钢j预报温度和目标温度的偏差；

η_j(k)：带钢j第k段的影响因子；

z：带钢j存在段；

最后，带钢j必要炉温为：

TFj(k)＝TFSj(k)+ΔTFj(k)

式中：

TFj(k)：带钢j第k段炉温设定；

TFSj(k)：带钢j第k段标准炉温；

ΔTFj(k)：带钢j第k段炉温调整量。

4.炉温的加权设定，加热炉一段内有多块板坯，每一块板坯又对应一个必要炉温，而最终只能设定一个炉温，所以要对不同的板坯有所侧重，本设定控制方法采用加权平均的方法，其特点是权值针对不同的情况连续变化的，变化的规律是根据专家经验确定的。

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{setk}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\μ}}_i*w_i*{\mathrm{TF}}_i\left(k\right))/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(w_i*{\mathrm{\μ}}_i)$

θ_setk：第k段设定炉温(℃)；

n：第k段的板坯块数；

μ_i：第i块板坯是否为特殊坯，特殊坯取为10，否则为1；

w_i：设定用的加权数值，它是根据专家经验给出的，确定方法如下：

首先，计算K段内的必要炉温和平均必要炉温的偏差：

$\mathrm{\Δ}{T}_i={\mathrm{TF}}_i\left(k\right)-\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{TF}}_i\left(k\right)/n$

然后，根据下面的规则分级确定：

如果上式给出的偏差最大值大于10即MAX(ΔT_i)＞10，则

$w_i=\left\{\begin{array}{c}1/60*\mathrm{\&Delta;}{T}_i+0.5;\mathrm{\&Delta;}{T}_i\&Element;[-\mathrm{30,30}]\\ 1;\mathrm{\&Delta;}{T}_i>30\\ 0;\mathrm{\&Delta;}{T}_i<-30\end{array}\right.$

如果上式给出的偏差最大值MAX(ΔT_i)≤10，则

$w_i=\left\{\begin{array}{c}9/40*\mathrm{\&Delta;}{T}_i+27/40;\mathrm{\&Delta;}{T}_i\&Element;[-\mathrm{30,10}]\\ 0.1;\mathrm{\&Delta;}{T}_i<-30\end{array}\right.$

实施例1

在四个加热炉生产时，板坯温度预报模型的计算步长采用2分钟，利用当前的炉气温度和该段的剩余在炉时间，从板坯的当前位置一直计算到该板坯所在段的段末位置，获得板坯段末预报温度；接下来计算板坯的段末目标温度，Δθ_J取30℃，α取1，β取1；最后按照本发明的方法，计算板坯的必要炉温，并综合所有板坯必要炉温进行加权设定。

实施例2

在三个加热炉生产时，板坯温度预报模型的计算步长采用1分钟，利用当前的炉气温度和该段的剩余在炉时间，从板坯的当前位置一直计算到该板坯所在段的段末位置，获得板坯段末预报温度；接下来计算板坯的段末目标温度，Δθ_J取15℃，α取1，β取1.1；最后按照本发明的方法，计算板坯的必要炉温，并综合所有板坯必要炉温进行加权设定。

经试验表明，本发明可以准确地预报板坯的温度，可根据板坯的位置和板坯的温度动态地调整板坯所在段的段目标温度，合理地设定各个段的炉气温度，从而更好地满足板坯加热质量、轧线节奏的要求，并且减少了人工干预及人为变差，节约了能耗。

Claims (3)

1.一种热轧加热炉炉温动态设定控制方法，其特征是按下列四个步骤进行：

(1)采用板坯温度预报模型计算板坯所在段的段末温度，该计算方法是前向递推的；

(2)按板坯移动距离，动态计算板坯各段段末的目标温度；

(3)计算板坯当前段所需要的炉气温度，即必要炉温；

(4)考虑当前段所有板坯的差异进行专家经验加权设定。

2.根据权利要求1所述的热轧加热炉炉温动态设定控制方法，其特征是预报模型是从板坯当前位置按一定的时间步长预测段末温度，模型参数的计算是前向递推的，并且只计算板坯的上下表面温度和平均温度。

3.根据权利要求1所述的热轧加热炉炉温动态设定控制方法，其特征是均热段的目标温度由系统预先确定，第二加热段的目标温度根据工艺要求的均热度确定，第一加热段和预热段的目标温度是根据给定的板坯移动单位距离的温升速率确定。