加熱爐二級(jí)優(yōu)化控制系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)

蔣國(guó)強(qiáng),張寶華,陳建洲,蘇福永

(1.寶鋼特鋼韶關(guān)有限公司特軋廠，廣東韶關(guān) 512123；2.北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院熱科學(xué)與能源工程系，北京100083)

引言

連續(xù)加熱爐是熱軋生產(chǎn)中的重要加熱設(shè)備，也是冶金生產(chǎn)中的耗能大戶[1,2]。近年來(lái)，隨著能源形勢(shì)日益緊迫、軋鋼生產(chǎn)工藝的精準(zhǔn)化要求不斷提高，對(duì)加熱爐的優(yōu)化控制水平也提出了更高的要求。作為典型的冶金熱過(guò)程系統(tǒng)，加熱爐模型與控制的研究有著重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義[3-5]。

本文以寶鋼特鋼韶關(guān)有限公司大棒1#加熱爐為研究對(duì)象，通過(guò)建立爐內(nèi)鋼坯加熱過(guò)程數(shù)學(xué)模型，開(kāi)發(fā)加熱爐二級(jí)優(yōu)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大棒1#加熱爐的優(yōu)化控制。

1 鋼坯加熱過(guò)程數(shù)學(xué)模型

鋼坯加熱過(guò)程數(shù)學(xué)模型直接提供了鋼坯在加熱爐內(nèi)的溫度分布，所以它是加熱爐實(shí)施優(yōu)化控制的重要基礎(chǔ)，鋼坯加熱過(guò)程數(shù)學(xué)模型基本假設(shè)如下：

(1)只考慮鋼坯在厚度、寬度方向的傳熱；

(2)鋼坯在加熱爐內(nèi)勻速運(yùn)動(dòng)；

(3)忽略鋼坯與軌梁之間的接觸熱阻；

(4)忽略表面氧化鐵皮對(duì)傳熱過(guò)程的影響。

依據(jù)熱傳導(dǎo)的基本方程和具體的控制對(duì)象，鋼坯升溫過(guò)程控制方程如下：

邊界條件：

初始條件：

t(i,j)|T=0=t0

式中：λ—鋼坯導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m.℃)；

ρ—鋼坯密度，kg/m3；

醫(yī)院科研經(jīng)費(fèi)支出的內(nèi)部控制，首先應(yīng)完善各管理系統(tǒng)，以制度建設(shè)為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用預(yù)算控制、加強(qiáng)資產(chǎn)管理、完善信息共享等內(nèi)部控制方法，加強(qiáng)科研項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)的全過(guò)程管理。

t—鋼坯溫度，℃；

Cp—鋼坯比熱，J/(kg.℃ )；

t0—鋼坯初始溫度，℃；

qu、ql、qs—鋼坯上表面、下表面、側(cè)面的熱流密度，W/(m2)。

2 二級(jí)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

大棒1#加熱爐二級(jí)優(yōu)化控制系統(tǒng)軟件主要有四個(gè)模塊，分別為物料及溫度跟蹤、工藝查詢及修改、歷史數(shù)據(jù)查詢和鋼坯詳細(xì)溫度記錄等，控制系統(tǒng)物料及溫度跟蹤界面如圖1所示。

圖1 物料及溫度跟蹤界面

大棒1#加熱爐二級(jí)優(yōu)化控制系統(tǒng)各模塊主要功能如下：

(1)物料及溫度跟蹤模塊：記錄爐內(nèi)每塊鋼坯的詳細(xì)數(shù)據(jù)和加熱爐實(shí)際爐溫分布、加熱爐L2級(jí)溫度設(shè)定以及加熱過(guò)程監(jiān)控報(bào)警等；

(2)工藝查詢及修改模塊：查詢和修改爐內(nèi)每種鋼坯的加熱工藝參數(shù)；

(3)歷史數(shù)據(jù)查詢模塊：查詢已出爐鋼坯的出鋼參數(shù)和在爐鋼坯的加熱過(guò)程狀態(tài)；

(4)鋼坯詳細(xì)溫度記錄模塊：查詢已出爐某一歷史鋼坯的運(yùn)行過(guò)程參數(shù)。

2.1 物料及溫度跟蹤模塊

界面左面為當(dāng)前瞬間爐內(nèi)鋼坯運(yùn)行所至位置示意圖，若爐內(nèi)裝滿鋼坯，如圖1所示。矩形框(表示鋼坯)中的文字表示當(dāng)前鋼坯的參數(shù)：鋼坯號(hào)-軋制號(hào)-當(dāng)前鋼坯溫度-鋼種。不同軋制號(hào)的相鄰鋼坯顏色不同。

圖2表示爐內(nèi)信息。主要包括：當(dāng)前爐內(nèi)鋼坯總量、即將出爐的鋼坯信息(包括鋼坯溫度、鋼坯溫差、在爐時(shí)間、預(yù)熱段停留時(shí)間、高溫段停留時(shí)間及加熱1段停留時(shí)間)以及鋼坯加熱時(shí)間判斷。

圖2 爐內(nèi)信息

加熱時(shí)間判斷功能中，綠色代表加熱時(shí)間滿足要求；紅色代表不滿足要求，需人工手動(dòng)調(diào)整在爐時(shí)間。

圖3表格為爐內(nèi)所有鋼坯詳細(xì)數(shù)據(jù)，包括鋼坯號(hào)、軋制號(hào)、鋼種、當(dāng)前溫度、當(dāng)前溫差、鋼坯尺寸、預(yù)熱段時(shí)間、加熱1段時(shí)間、高溫時(shí)間及總加熱時(shí)間等。

圖3 爐內(nèi)鋼坯數(shù)據(jù)圖

2.2 工藝查詢及修改模塊

圖4 為工藝查詢及修改模塊界面，點(diǎn)擊“全部查詢”按鈕可查詢軟件中記錄的針對(duì)不同鋼種的加熱工藝參數(shù)；點(diǎn)擊“分鋼種查詢”按鈕可查詢某種鋼種的加熱工藝參數(shù)；點(diǎn)擊“按照鋼種大類查詢”可查詢某大類鋼種的加熱工藝參數(shù)。如需增加新鋼種，先點(diǎn)擊“全部查詢”按鈕，在模塊界面下方表格中更改鋼種欄目，在“刪除及修正”界面處輸入密碼，點(diǎn)擊“添加或修正加熱工藝”按鈕完成。如需修改已有工藝，先查找到所需修改工藝的鋼種，在模塊界面下方表格中更改相應(yīng)欄目，輸入密碼，點(diǎn)擊“添加或修正加熱工藝”按鈕完成。如需刪除某工藝，先查找到所需刪除工藝的鋼種并選中，輸入密碼，點(diǎn)擊“刪除該加熱工藝”按鈕完成。如需修改密碼，在“工藝密碼管理”界面處輸入1遍原始密碼和2遍新密碼，點(diǎn)擊“修改密碼”按鈕完成。

圖4 工藝查詢及修改模塊界面

2.3 歷史數(shù)據(jù)查詢模塊

圖5 中表格可顯式所有已出爐的歷史鋼坯出鋼總體運(yùn)行參數(shù)以及所有在爐鋼坯的總體運(yùn)行過(guò)程參數(shù)。

圖5 歷史數(shù)據(jù)查詢模塊界面

如需查詢已出爐歷史鋼坯，可通過(guò)時(shí)間段、鋼坯厚度、鋼坯軋制號(hào)、鋼種、班次等種條件查詢某一類鋼坯的運(yùn)行參數(shù)。具體操作步驟：在相應(yīng)查詢條件中選擇查詢方式(如：“指定時(shí)間”、“指定規(guī)格”、“指定軋制號(hào)”、“指定鋼種”等)，在相應(yīng)欄目中填寫(xiě)查詢條件，點(diǎn)擊“查詢歷史數(shù)據(jù)”按鈕完成。如需查看全部鋼坯數(shù)據(jù)，在相應(yīng)查詢條件中選擇查詢方式(如：“全部時(shí)間”、“全部規(guī)格”、“全部軋制號(hào)”、“全部鋼種”、“全部班組”或“全部班別”)，點(diǎn)擊“查詢歷史數(shù)據(jù)”按鈕完成。如需導(dǎo)出相應(yīng)數(shù)據(jù)，先查找所需鋼坯，點(diǎn)擊“導(dǎo)出歷史數(shù)據(jù)”按鈕，會(huì)生成Excel文件。

2.4 鋼坯詳細(xì)參數(shù)記錄模塊

圖6中表格為已出爐某一歷史鋼坯的具體運(yùn)行過(guò)程參數(shù)。具體操作步驟：通過(guò)在“條件查詢”界面中選擇“生產(chǎn)日期”，填寫(xiě)“鋼坯號(hào)”和“軋制號(hào)”，點(diǎn)擊“自動(dòng)查詢文件讀取”按鈕完成。或點(diǎn)擊“手動(dòng)讀取文件”按鈕，直接選擇所需的文件，文件名為軋制號(hào)-鋼坯號(hào)。找到所需鋼坯后，點(diǎn)擊“導(dǎo)出歷史數(shù)據(jù)”按鈕，會(huì)生成Excel文件。

圖6 單根鋼坯詳細(xì)參數(shù)記錄模塊界面

3 結(jié)論

本文以寶鋼特鋼韶關(guān)有限公司大棒1#加熱爐為研究對(duì)象，建立了鋼坯在爐內(nèi)加熱過(guò)程中溫度計(jì)算數(shù)學(xué)模型，開(kāi)發(fā)了大棒1#加熱爐二級(jí)優(yōu)化控制系統(tǒng)。該二級(jí)優(yōu)化控制系統(tǒng)包括物料及溫度跟蹤、工藝查詢及修改、歷史數(shù)據(jù)查詢和鋼坯詳細(xì)溫度記錄四個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)了爐內(nèi)每塊鋼坯的詳細(xì)數(shù)據(jù)記錄、加熱爐實(shí)際爐溫分布顯示、加熱爐L2級(jí)溫度設(shè)定、加熱過(guò)程監(jiān)控報(bào)警、查詢和修改爐內(nèi)每種鋼坯的加熱工藝參數(shù)、出爐鋼坯的出鋼參數(shù)查詢及已出爐鋼坯詳細(xì)溫度查詢等功能。本文的研究成果將為其他大棒1#加熱爐二級(jí)優(yōu)化控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用提供參考與借鑒。