熱處理爐二級數(shù)學模型的分析與設計

岳臨萍,叢榮葵

(濟鋼中厚板廠,山東濟南250101)

熱處理爐二級數(shù)學模型的分析與設計

岳臨萍,叢榮葵

(濟鋼中厚板廠,山東濟南250101)

為了對熱處理爐的數(shù)學模型進行優(yōu)化和控制,提高自動化程度及加熱質(zhì)量,有效的降低能源消耗,著重介紹了熱處理爐控制系統(tǒng)數(shù)學模型的設計及原理分析,給出了二級過程模塊的設計思路和架構。

數(shù)學模型;熱交換;流程圖

1　引言

隨著市場對鋼板品種和質(zhì)量要求不斷提高,越來越多的鋼板需要在軋制后再進行熱處理工藝,以提高金相組織結構,強化鋼板性能,提高鋼板附加值。由于熱處理工藝的特殊之處,鋼板溫度的加熱控制是十分重要的技術,熱處理加熱爐的數(shù)學模型的建立和有效實施對提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低能源消耗起到了至關重要的作用。

2　數(shù)學模型的兩個主要計算

數(shù)學模型用來描述熱處理爐內(nèi)鋼板的加熱過程,主要用到兩個方面理論計算。

2.1計算爐壁與鋼板的熱交換

要計算輻射管、爐壁和爐頂?shù)戒摪宓臒峤粨Q,輻射和傳導都要考慮進去,最終精確的出爐溫度值是以出爐口安裝的紅外測溫儀測量的數(shù)據(jù)為準。鋼板在熱處理爐內(nèi)的熱交換主要是通過對流和輻射來完成,應用公式如下:

熱對流傳導:?QC=α(TF-TM)

熱輻射傳導:?QR=εσ(T4F-T4M)

總的熱量交換:?Qtot=?QC+?QR

2.2計算鋼板的熱消耗

鋼板自裝爐時起到加熱結束,每隔2s～5s(根據(jù)鋼板厚度和分層數(shù))就要對鋼板溫度進行重復性計算,不斷更新模型處的數(shù)據(jù)。由于鋼板的厚度不同,計算鋼板的平均溫度時,根據(jù)厚度進行分層計算。對20mm以上及以下的厚度分別運用不同的計算模型。

2.2.1零維計算

數(shù)學模型對于厚度20mm以下鋼板的溫度計算采用零維計算方法,也就是說在鋼板的厚度方向上沒有溫度坡度的計算。因為薄的鋼板相對來說它的熱導率較高,不適合分成多層來進行計算。計算的結果用來優(yōu)化爐內(nèi)設置點溫度設定。

2.2.2一維計算

隨著鋼板厚度的增加,模型的計算將采用一維方法,主要應用傅立葉微分方程,得到穩(wěn)定可靠的計算結果。在鋼板的厚度方向?qū)⒂嬎銓哟螖?shù)分為3～15層,這樣得到鋼板內(nèi)部更細致的溫度分布數(shù)據(jù)。

3　自動控制系統(tǒng)架構

L2計算機控制系統(tǒng)實現(xiàn)了輥底式熱處理爐的主要數(shù)學模型的控制功能,L2計算機系統(tǒng)的模型計算,從鋼板裝入熱處理爐開始執(zhí)行,到該鋼板出爐時結束。熱處理爐被分成20個溫度控制區(qū)域,數(shù)學模型對每個爐內(nèi)控制區(qū)域溫度設置點的溫度進行控制,通過L2計算機對一級PLC系統(tǒng)的控制來實現(xiàn)。

當一張新的鋼板裝爐時,操作員須在本地計算機上手動輸入鋼板的ID號進行確認。如果有可用的L3管理系統(tǒng)(即處于計劃層和車間層操作控制系統(tǒng)之間的執(zhí)行層,主要負責生產(chǎn)管理和調(diào)度執(zhí)行),則通過觸發(fā)這個輸入的ID號,L2計算機系統(tǒng)會從L3數(shù)據(jù)庫中找出該鋼板的相關數(shù)據(jù)。L2、L3兩個不同的計算機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換通過相應的接口程序進行通訊。在整個處理過程中,如果L2系統(tǒng)與L3系統(tǒng)的通訊出現(xiàn)異常,則只應用L2的當?shù)財?shù)據(jù)庫。這種情況下,由操作員對裝爐鋼板進行核查,手工輸入相應的數(shù)據(jù),如:鋼板ID、厚度、長度、加熱時間,加熱溫度等。操作工通過HMI的溫度控制模塊菜單對所有的溫度設置點進行確認。熱處理爐自動控制系統(tǒng)架構見圖1所示。

圖1　熱處理爐自動控制系統(tǒng)架構圖

4　數(shù)學模型的設計與構成

該數(shù)學模型主要包括三個子模塊:物料跟蹤計算、鋼板溫度模型計算和模型數(shù)據(jù)優(yōu)化計算。將優(yōu)化后的數(shù)據(jù)發(fā)送到PLC,通過調(diào)節(jié)爐內(nèi)鋼板的運行速度,燒嘴的燃燒控制、保溫時間等相應儀表控制,以達到最優(yōu)。模型流程圖見圖2所示。

圖2　輥底式熱處理爐數(shù)學模型流程圖

4.1物料跟蹤模塊的設計

鋼板裝爐后,首先L2通過TCP/IP協(xié)議接收PLC傳送的鋼板ID號,鋼板的頭部位置、鋼板運行速度以及上下表面溫度等數(shù)據(jù),通過L2數(shù)學模型的計算對當前爐內(nèi)的鋼板進行物料跟蹤。每隔幾秒計算周期更新爐內(nèi)鋼板的位置跟蹤進行數(shù)據(jù)更新,鋼板出爐后,相應的鋼板從物料跟蹤系統(tǒng)中移除,流程圖見圖3所示。

4.2鋼板溫度模塊的設計

鋼板溫度控制會根據(jù)厚度不同,按照零維或者一維模型的計算周期進行更新,鋼板出爐后,其技術特性和溫度數(shù)據(jù)等提交給L2數(shù)據(jù)庫中存儲,見圖4所示。

4.3爐內(nèi)設置點優(yōu)化模塊的設計

鋼板裝爐后,L2系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫中找到有效的鋼板數(shù)據(jù),數(shù)學模型會根據(jù)鋼板奧氏體溫度和奧氏體時間的相關數(shù)據(jù),建立起唯一的比熱曲線。運算開始之后,數(shù)學模型會被分成不同的子任務一個接一個的循環(huán)執(zhí)行,直到下一張鋼板裝爐時為止。

圖3　物料跟蹤模塊流程圖

圖4　鋼板溫度計算模型流程圖

數(shù)學模型預算的鋼板平均溫度將與比熱曲線工藝設置點溫度進行比較,兩者之間會出現(xiàn)一個溫度差值,模型會自動進行數(shù)據(jù)修正,盡可能做到偏差最小化,與鋼板的比熱曲線最接近,從而能源消耗減少到最小,見圖5所示。

圖5　爐內(nèi)設置點優(yōu)化模型流程圖

5　結論

熱處理爐鋼板的數(shù)學模型計算是自動化控制的重點和難點,一個好的二級模型不但可以提高鋼板加熱質(zhì)量,提升鋼板組織性能,還能降低煤氣等能源的消耗,為企業(yè)創(chuàng)造更多的效益。LOI公司熱處理爐二級控制系統(tǒng)的設計思路和架構,在濟鋼中厚板廠得到了較好的應用。

The L2 Mathematical Model Design&Analysis of the Heat Treatment Furnace

YUE Lin-ping,CONG Rong-kui

(The heavy plate mill of Jigang,Jinan 250101,Shandong,China)

In order to optimal the heat treatment mathematical model,improve the auto control level and high quality,reduce the cost and energy wear.Emphasis describes the theory of the mathematical model and the establish via the chart.

mathematical model;heat transform;flow chart

1001-5108(2016)02-0045-04

TP13

A

岳臨萍,碩士研究生,電氣高級工程師,主要從事冶金行業(yè)計算機、儀表控制系統(tǒng)、測量技術的開發(fā)與應用。