一種棒線材方坯加熱爐模型控制方法及裝置的製作方法

2023-08-05 19:39:16 1

專利名稱：一種棒線材方坯加熱爐模型控制方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於冶金領域，尤其涉及一種用於線材方坯的加工或處理方法及其裝置。
背景技術：
對於棒線材產線而言，生產過程中對鋼坯的加熱控制非常重要，不僅要確保出爐目標溫度和均熱度，而且還要求鋼坯在粗軋入口處，全長溫度波動小，頭中尾溫度均勻 』另夕卜，鋼坯的氧化與脫碳與鋼坯的在爐時間和爐氣溫度密切相關。所以，在滿足軋線節奏要求的前提下，最佳地設定各段的爐氣溫度，控制鋼坯的升溫曲線，是非常有現實意義的。棒線材加熱爐，不同於板坯加熱爐，其加熱對象一般是方坯。方坯在加熱爐內四面受熱，需要採用二維的熱傳導方程來刻畫或描述，由於爐內鋼坯的個數相對比較多，要想利用普通的工業計算機達到實時性很強的控制要求，是一件非常困難的事。其主要原因是，採用精確的模型進行鋼坯的溫度預報，耗時太大；如果採用簡單的指數模型，雖然時間消耗減少了，但是模型的預報精度得不到保證。可見，如何做到既確保模型的預報精度，又能實現快速的加熱設定控制，是棒線材加熱爐面臨的一個技術難題。
公開日為2005年7月27日，公告號為CN 1644257A的中國發明專利申請中，公開了一種「熱軋過程加熱爐綜合優化控制系統設計及其控制方法」，其通過將加熱爐和粗軋機組構成一個有機的閉環系統，將鋼坯在粗軋機組一側的軋制力以及溫度等軋制生產信息反饋到加熱爐一側，利用爐溫預設定補償模塊動態地修改爐溫設定值，結合優化控制策略和控制算法對鋼坯加熱過程實現綜合優化控制。該專利是針對板坯加熱爐的，故其要解決的技術問題與本申請所要解決的技術問題不存在相干關係。對於棒線材而言，希望方坯 在粗軋入口，頭中尾的溫度波動小，這樣要求操作人員能夠實時知道，加熱爐內鋼坯的頭中尾溫度，並且能夠根據粗軋實際測量的情況，進行控制。但是遺憾的是，目前加熱爐爐內熱電偶的布置都是根據工藝控制過程端來設置的，每個控制段設置一個熱電偶或備用一個熱電偶，所以無法準確計算鋼坯頭中尾的溫度，只能根據粗軋軋後的情況，來調節加熱爐的爐溫，這往往導致調節結果嚴重滯後，影響了軋制穩定性和產品質量。可見，如何能夠做到鋼坯頭中尾溫度的精確跟蹤計算，並利用粗軋前的測溫數據，自動控制鋼坯的頭尾溫度，保證鋼坯在粗軋入口全長溫度的均勻性，是現有棒線材加熱爐一直沒有解決的問題。隨著市場競爭的激烈和對產品綠色低碳的要求，使得棒線材高端品種不斷增加，要求棒線材加熱爐的加熱過程做到優質高效。目前，大多棒線材產線加熱爐沒有模型控制系統，少數廠家的產品配備了國外的「黑箱」模型，這些模型都不能跟蹤計算鋼坯的頭中尾溫度，不能實現鋼坯頭尾溫度的模型控制。
此外，現有常規熱軋加熱爐是最對板坯進行加熱的，一般只考慮板坯上下表面的受熱情況，而棒線材加熱爐內的方坯要考慮四面受熱的情況，而且板坯加熱爐，由於板坯長短規格比較多，無法精確控制棒線材板坯的頭尾溫度。對於棒線材產線而言，鋼坯的加熱控制非常重要，不僅要確保出爐目標溫度和均熱度，而且還要求鋼坯在粗軋入口處，全長溫度波動小，頭中尾溫度均勻。另外，鋼坯的氧化與脫碳與在爐時間和爐氣溫度密切相關，所以，在滿足軋線節奏要求的前提下，最佳地設定各段的爐氣溫度，控制鋼坯的升溫曲線，是非常有意義的。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種棒線材方坯加熱爐模型控制方法及裝置，其通過在加熱爐各段爐寬方向上分別設置三隻熱電偶，快速穩定地跟蹤確定鋼坯頭中尾的溫度，並實現加熱爐各段的爐溫控制，同時結合根據粗軋入口的輻射高溫計，精確控制鋼坯的頭尾溫度分布，能夠實時跟蹤確定鋼坯長度方向的溫度控制鋼坯長度方向的溫度分布的控制精度，對實現產線優質高效的目標，具有十分顯著的作用。本發明的技術方案是:提供一種棒線材方坯加熱爐模型控制方法，包括利用PLC對加熱爐的爐溫進行分區控制，所述的PLC包括裝鋼PLC、出鋼PLC和加熱爐燃燒控制PLC，所述的加熱爐分為爐尾段、預熱段、加熱段和均熱段，待處理的鋼坯依次通過加熱爐的各段，進行加熱處理，其特徵是:在粗軋入口前安裝輻射高溫計，用來測量坯料軋前的表面全長溫度分布；設置一模型計算機，用於與裝鋼PLC、出鋼PLC、粗軋入口輻射高溫計和加熱爐燃燒控制PLC相互交換信息，實現方坯加熱爐燃燒過程的優化控制；在加熱爐各段的沿爐寬方向上，上、下部均分別安裝三隻熱電偶，分別對應鋼坯的頭中尾部位的溫度檢測；

在加熱爐的預熱段，不進行爐溫設定控制；在加熱爐的加熱段，進行整體溫度控制，不進行分區控制；在加熱爐的均熱段，對應於坯料的頭中尾，提供左、中、右分區的的爐溫控制，以控制鋼還的頭中尾溫度；其中，模型計算機獲取裝鋼PLC信號觸發裝鋼處理，獲取出鋼PLC信號進行出鋼處理及通過獲取粗軋入口輻射高溫計測溫信號進行鋼坯頭中尾溫度的控制，周期計算通過獲取加熱爐燃燒控制PLC的熱電偶信號，並根據鋼坯在加熱爐內的位置，動態計算鋼坯的溫度，並進行爐溫設定；其模型計算機實現方坯加熱爐的模型控制方法步驟至少包括鋼坯裝入處理、周期計算處理和抽出處理。進一步的，所述的鋼坯裝入處理是指完成鋼坯初始溫度的計算和相應數據的建立過程；其中，對於冷坯所述鋼坯的初始溫度採用環境溫度；對於熱坯，鋼坯的初始溫度設置為裝爐前輻射高溫計測量溫度，乘以經驗修正係數；所述的周期計算是指對爐內每塊鋼坯，按照預定的時間周期，跟蹤計算鋼坯的頭中尾溫度；根據當前節奏計算剩餘在段時間，進行典型鋼坯中部的前饋控制及均熱段鋼坯的頭尾前饋控制；針對段內所有鋼坯完成各段爐溫的加權設定；
所述的鋼坯抽出處理是指完成鋼坯抽出溫度計算，並結合爐外溫度跟蹤及自學習模型，實現均熱段的爐溫反饋控制。所述的爐外溫度跟蹤及自學習模型是指從出爐開始到粗軋前的輻射高溫計，跟蹤鋼坯的頭中尾溫度，並採集輻射高溫計的溫度測量值，與模型計算值進行比較，進行自適應學習，提聞1旲型精度。具體的，其所述的模型計算機對鋼坯採用二維差分溫度模型，利用加熱爐各段內爐寬方向的三隻熱電偶，對爐內鋼坯的頭中尾溫度進行跟蹤計算；所述的模型計算機對加熱爐各控制區的爐溫設定，選擇距離熱電偶最近的鋼坯作為典型鋼坯，採用前饋控制，計算該鋼坯的爐氣設定溫度，提高控制的實時性；在加熱爐的均熱段，模型計算機針對預抽出鋼坯，採用反饋控制，補償均熱段爐溫，提高抽鋼溫度的精度；所述的模型計算機對加熱爐各控制段的爐溫設定，採用典型鋼坯的前饋控制、抽出鋼坯的反饋控制與所有鋼坯 的離線加熱升溫曲線加權設定相結合的方法，提高控制的精度；在加熱爐的均熱段，模型計算機預報鋼坯頭中尾在粗軋入口輻射高溫計位置處的溫度，求出鋼坯頭尾與中部溫度的偏差，根據該偏差對鋼坯頭部、尾部相對應控制區域的爐氣溫度進行調節，提高鋼坯對軋制過程的適應性。所述的模型計算機採集粗軋前輻射高溫計的溫度，與鋼坯模型預報的溫度進行比較，對溫度模型進行自適應學習，提高模型控制的精度。更進一步的，所述的前饋控制方法，是指根據鋼坯的當前溫度和計算的剩餘在段時間及標準爐溫，通過溫度模型的預測計算，求出到達段末時的溫度，然後與工藝規定的段末目標溫度進行比較，求出偏差，進而確定出該鋼坯修正後的最佳爐氣溫度。所述的反饋控制僅用於加熱爐的均熱段，針對預抽出鋼坯，進行均熱段的爐氣溫度的反饋控制。所述的所有鋼坯的離線加熱升溫曲線加權設定相結合的方法，是指採用離線確定的鋼坯標準加熱曲線Ts(k)加權平均和典型鋼坯爐氣前饋補償、均熱段抽出鋼錠爐氣反饋補償相結合的辦法，使得爐氣溫度的設定控制，既兼顧每個段內所有鋼坯的情況，又能夠控制實時性的要求；其中，加權平均後第k段爐氣溫度設定值TgasGO的關係表達式為:
權利要求
1.一種棒線材方坯加熱爐模型控制方法，包括利用PLC對加熱爐的爐溫進行分區控制，所述的PLC包括裝鋼PLC、出鋼PLC和加熱爐燃燒控制PLC，所述的加熱爐分為爐尾段、預熱段、加熱段和均熱段，待處理的鋼坯依次通過加熱爐的各段，進行加熱處理，其特徵是: 在粗軋入口前安裝輻射高溫計，用來測量坯料軋前的表面全長溫度分布； 設置一模型計算機，用於與裝鋼PLC、出鋼PLC、粗軋入口輻射高溫計和加熱爐燃燒控制PLC相互交換信息，實現方坯加熱爐燃燒過程的優化控制； 在加熱爐各段的沿爐寬方向上，上、下部均分別安裝三隻熱電偶，分別對應鋼坯的頭中尾部位的溫度檢測； 在加熱爐的預熱段，不進行爐溫設定控制； 在加熱爐的加熱段，進行整體溫度控制，不進行分區控制； 在加熱爐的均熱段，對應於坯料的頭中尾，提供左、中、右分區的的爐溫控制，以控制鋼坯的頭中尾溫度； 其中，模型計算機獲取裝鋼PLC信號觸發裝鋼處理，獲取出鋼PLC信號進行出鋼處理及通過獲取粗軋入口輻射高溫計測溫信號進行鋼坯頭中尾溫度的控制，周期計算通過獲取加熱爐燃燒控制PLC的熱電偶信號，並根據鋼坯在加熱爐內的位置，動態計算鋼坯的溫度，並進行爐溫設定； 其模型計算機實現方坯加熱爐的模型控制方法步驟至少包括鋼坯裝入處理、周期計算處理和抽出處理。
2.按照權利要求1所述的棒線材方坯加熱爐模型控制方法，其特徵是所述的鋼坯裝入處理是指完成鋼坯初始溫度的計算和相應數據的建立過程；其中，對於冷坯所述鋼坯的初始溫度採用環境溫度；對於熱坯，鋼坯的初始溫度設置為裝爐前輻射高溫計測量溫度，乘以經驗修正係數； 所述的周期計算是指對爐內每塊鋼坯，按照預定的時間周期，跟蹤計算鋼坯的頭中尾溫度；根據當前節奏計算剩餘在段時間，進行典型鋼坯中部的前饋控制及均熱段鋼坯的頭尾前饋控制；針對段內所有鋼坯完成各段爐溫的加權設定； 所述的鋼坯抽出處理是指完成鋼坯抽出溫度計算，並結合爐外溫度跟蹤及自學習模型，實現均熱段的爐溫反饋控制。
3.按照權利要求2所述的棒線材方坯加熱爐模型控制方法，其特徵是所述的爐外溫度跟蹤及自學習模型是指從出爐開始到粗軋前的輻射高溫計，跟蹤鋼坯的頭中尾溫度，並採集輻射高溫計的溫度測量值，與模型計算值進行比較，進行自適應學習，提高模型精度。
4.按照權利要求1所述的棒線材方坯加熱爐模型控制方法，其特徵是所述的模型計算機對鋼坯採用二維差分溫度模型，利用加熱爐各段內爐寬方向的三隻熱電偶，對爐內鋼坯的頭中尾溫度進行跟蹤計算； 所述的模型計算機對加熱爐各控制區的爐溫設定，選擇距離熱電偶最近的鋼坯作為典型鋼坯，採用前饋控制，計算該鋼坯的爐氣設定溫度，提高控制的實時性； 在加熱爐的均熱段，模型計算機針對預抽出鋼坯，採用反饋控制，補償均熱段爐溫，提高抽鋼溫度的精度； 所述的模型計算機對加熱爐各控制段的爐溫設定，採用典型鋼坯的前饋控制、抽出鋼坯的反饋控制與所有鋼坯的離線加熱升溫曲線加權設定相結合的方法，提高控制的精度； 在加熱爐的均熱段，模型計算機預報鋼坯頭中尾在粗軋入口輻射高溫計位置處的溫度，求出鋼坯頭尾與中部溫度的偏差，根據該偏差對鋼坯頭部、尾部相對應控制區域的爐氣溫度進行調節，提高鋼坯對軋制過程的適應性。
所述的模型計算機採集粗軋前輻射高溫計的溫度，與鋼坯模型預報的溫度進行比較，對溫度模型進行自適應學習，提高模型控制的精度。
5.按照權利要求4所述的棒線材方坯加熱爐模型控制方法，其特徵是所述的前饋控制方法，是指根據鋼坯的當前溫度和計算的剩餘在段時間及標準爐溫，通過溫度模型的預測計算，求出到達段末時的溫度，然後與工藝規定的段末目標溫度進行比較，求出偏差，進而確定出該鋼還修正後的最佳爐氣溫度。
6.按照權利要求4所述的棒線材方坯加熱爐模型控制方法，其特徵是所述的反饋控制僅用於加熱爐的均熱段，針對預抽出鋼坯，進行均熱段的爐氣溫度的反饋控制。
7.按照權利要求4所述的棒線材方坯加熱爐模型控制方法，其特徵是所述的所有鋼坯的離線加熱升溫曲線加權設定相結合的方法，是指採用離線確定的鋼坯標準加熱曲線Ts(k)加權平均和典型鋼坯爐氣前饋補償、均熱段抽出鋼錠爐氣反饋補償相結合的辦法，使得爐氣溫度的設定控制，既兼顧每個段內所有鋼坯的情況，又能夠控制實時性的要求； 其中，加權平均後第k段爐氣溫度設定值Tgas(k)的關係表達式為:
8.按照權利要求6所述的棒線材方坯加熱爐模型控制方法，其特徵是在所述的均熱段，模型計算機預報抽出鋼坯的頭中尾在粗軋入口輻射高溫計位置處的溫度，求出鋼坯頭尾與中部溫度的偏差，根據該偏差對鋼坯頭部、尾部相對應控制區域的爐氣溫度進行調節，提高鋼坯對軋制過程的適應性； 其具體方法為:模型計算機以溫度跟蹤模型計算的結果為起點，求出鋼坯頭中尾在Tf(k)溫度下的段末預報溫度^it，其中的i = 1，2，3分別代表鋼坯的頭中尾；然後，根據工藝規定的鋼坯在輥道的運行速度，分別計算鋼坯頭中尾的高壓水除鱗溫降AT:-和空冷溫降Δ7^，確定出鋼坯頭中尾在粗軋入口處輻射高溫計處的溫度巧:、，最後確定出加熱爐均熱段與鋼坯頭部和尾部相對應的控制段的爐氣設定溫度的修正量AThead和Λ Ttail，並確定均熱段頭尾的爐氣設定溫度； 其具體的關係表達式為:
9.一種採用權利要求1的方法工作的棒線材方坯加熱爐模型控制裝置，包括加熱爐、裝鋼PLC、出鋼PLC和加熱爐燃燒控制PLC，其特徵是: 在粗軋入口前安裝輻射高溫計，用來測量坯料軋前的表面全長溫度分布； 設置一模型計算機，用於與裝鋼PLC、出鋼PLC、粗軋入口輻射高溫計和加熱爐燃燒控制PLC相互交換信息，實現方坯加熱爐燃燒過程的優化控制； 在加熱爐各段的沿爐寬方向上，上、下部均分別安裝三隻熱電偶，分別對應鋼坯的頭中尾部位的溫度檢測； 所述的模型計算機獲取裝鋼PLC信號觸發裝鋼處理，獲取出鋼PLC信號進行出鋼處理及通過獲取粗軋入口輻射高溫計測溫信號進行鋼坯頭中尾溫度的控制，周期計算通過獲取加熱爐燃燒控制PLC的熱電偶信號，並根據鋼坯在加熱爐內的位置，動態計算鋼坯的溫度，並進行爐溫設定。
10.按照權利要求9所述的棒線材方坯加熱爐模型控制裝置，其特徵是所述的模型計算機利用方坯加熱爐的模型控制方法，採用二維差分溫度模型，利用加熱爐段內頭中尾三隻熱電偶，對爐內鋼坯的頭中尾溫度進行跟蹤計算，快速穩定地跟蹤確定鋼坯頭中尾的溫度，並實現加熱爐各段的爐溫控制，同時結合根據粗軋入口的輻射高溫計，精確控制鋼坯的頭尾溫度分布。該系統能夠實時跟蹤確定鋼坯長度方向的溫度控制鋼坯長度方向的溫度分布的控制精度。
全文摘要
一種棒線材方坯加熱爐模型控制方法及裝置，屬冶金領域。包括利用PLC對加熱爐的爐溫進行分區控制，所述的PLC包括裝鋼PLC、出鋼PLC和加熱爐燃燒控制PLC，所述的加熱爐分為爐尾段、預熱段、加熱段和均熱段，待處理的鋼坯依次通過加熱爐的各段，進行加熱處理，其特徵是在加熱爐各段爐寬方向上分別設置三隻熱電偶，快速穩定地跟蹤確定鋼坯頭中尾的溫度，並實現加熱爐各段的爐溫控制，同時結合根據粗軋入口的輻射高溫計，精確控制鋼坯的頭尾溫度分布，實時跟蹤確定鋼坯長度方向的溫度控制鋼坯長度方向的溫度分布的控制精度。對提高產品質量和提高軋制穩定性以及節能降耗具有十分顯著的作用，可廣泛用於線材方坯的熱加工或熱處理領域。
文檔編號C21D11/00GK103225017SQ20121002195
公開日2013年7月31日 申請日期2012年1月31日 優先權日2012年1月31日
發明者鄧龍, 呂立華, 唐勁松, 韓茂棟 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司