加熱爐全自動(dòng)模型在寶鋼熱軋各產(chǎn)線的運(yùn)用

王墨南,呂立華

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

加熱爐是鋼鐵生產(chǎn)工藝的重要環(huán)節(jié),板坯的加熱質(zhì)量直接影響了鋼鐵產(chǎn)品的最終質(zhì)量。近年來,寶鋼熱軋各產(chǎn)線都在大力推進(jìn)加熱爐全自動(dòng)模型,以達(dá)到加熱爐無人化操作。同時(shí)隨著生產(chǎn)的發(fā)展,產(chǎn)品越來越多,質(zhì)量要求越來越高,加熱爐全自動(dòng)模型的個(gè)性化要求也越來越高。

本文根據(jù)寶鋼各產(chǎn)線生產(chǎn)的實(shí)際情況,基于傳統(tǒng)的加熱爐燒鋼模型,結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn),優(yōu)化了加熱爐燒鋼模型,包括優(yōu)化板坯必要爐溫、段內(nèi)設(shè)定溫度、生產(chǎn)節(jié)奏等。同時(shí)解決了原模型冷坯升溫緩慢、降溫幅度過大的問題,得到了較高的全自動(dòng)化率。

1 加熱爐全自動(dòng)模型簡介

1.1 功能概述

一般加熱爐的側(cè)視圖如圖1所示,預(yù)熱段和加熱段上下都安裝有側(cè)燒嘴,均熱段上部為平焰燒嘴,下部為側(cè)燒嘴。L2溫度設(shè)定模型只控制安裝有燒嘴的預(yù)熱段、加熱段、均熱段,熱回收段無燒嘴不參與控制。

圖1 加熱爐簡圖

傳統(tǒng)加熱爐全自動(dòng)燒鋼模型具有下列功能。

1.1.1 L2系統(tǒng)板坯熱跟蹤模型

從加熱爐L2控制系統(tǒng)得到板坯的尺寸信息、位置信息、時(shí)間信息、鋼種信息等,同時(shí)得到加熱爐內(nèi)熱電偶的溫度信息,根據(jù)輻射模型和導(dǎo)熱模型,計(jì)算板坯在厚度方向多個(gè)點(diǎn)的生產(chǎn)實(shí)時(shí)溫度[1]。關(guān)于板坯熱跟蹤模型本文不展開描述。

1.1.2 L2系統(tǒng)加熱爐各段自動(dòng)設(shè)定溫度

根據(jù)加熱爐L2控制系統(tǒng)計(jì)算或給出的板坯實(shí)時(shí)溫度、板坯段末溫度、生產(chǎn)節(jié)奏等計(jì)算加熱爐各段(預(yù)熱段、加熱段、均熱段)的設(shè)定溫度。具體計(jì)算步驟如下:

(1)計(jì)算板坯在各段的段末目標(biāo)溫度。

有段末溫度要求的板坯根據(jù)要求計(jì)算段末目標(biāo)溫度;無段末溫度要求的板坯根據(jù)出爐目標(biāo)溫度和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)給予段末目標(biāo)溫度,如板坯的加熱段段末溫度可以低于出爐目標(biāo)溫度一定值。板坯預(yù)熱段段末目標(biāo)溫度可以根據(jù)出爐目標(biāo)溫度和模擬升溫曲線預(yù)測段末目標(biāo)溫度。

(2)板坯剩余在段時(shí)間計(jì)算。

模型根據(jù)軋線計(jì)算的出鋼節(jié)奏、爐長等推算板坯的剩余在段時(shí)間,見式(1)。

出段前第N塊板坯的剩余在段時(shí)間=

(1)

(3)板坯必要爐溫計(jì)算。

加熱爐段內(nèi)板坯根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)爐溫曲線(每塊板坯在加熱爐內(nèi)都有一條設(shè)定好的標(biāo)準(zhǔn)爐溫曲線,根據(jù)板坯的規(guī)格、裝鋼溫度等,標(biāo)準(zhǔn)爐溫曲線的大小也會(huì)不同,數(shù)值可以離線配置)和剩余在段時(shí)間第一次模擬計(jì)算板坯到達(dá)段末的計(jì)算溫度T1。再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)爐溫曲線升高50 K的曲線(形狀和標(biāo)準(zhǔn)爐溫曲線類似),采用同樣的方法第二次計(jì)算板坯到達(dá)段末的計(jì)算溫度T2,并得到溫度感度,見式(2)。進(jìn)一步計(jì)算板坯的必要爐溫,見式(3)。

(2)

板坯必要爐溫=當(dāng)前段標(biāo)準(zhǔn)爐溫+

(目標(biāo)段末溫度-T1)/溫度感度

(3)

(4)段內(nèi)設(shè)定溫度計(jì)算。

加熱爐段內(nèi)根據(jù)計(jì)算的板坯必要爐溫、板坯溫度權(quán)重、板坯特殊鋼權(quán)重、板坯位置權(quán)重加權(quán)計(jì)算段內(nèi)的設(shè)定爐溫[2],見式(4)。

(4)

式中:θSET為段內(nèi)設(shè)定溫度;θslab為板坯必要爐溫;W=板坯溫度權(quán)重×板坯特殊鋼權(quán)重×板坯位置權(quán)重;N為段內(nèi)板坯數(shù)量。

板坯溫度權(quán)重:首先計(jì)算段內(nèi)所有板坯的必要爐溫的平均值,再比較段內(nèi)各個(gè)板坯的必要爐溫與段內(nèi)平均必要爐溫的差來確定溫度權(quán)重。如必要爐溫大于段內(nèi)平均必要爐溫30 K的權(quán)重為1.5,小于段內(nèi)平均必要爐溫30 K的權(quán)重為0.5,這樣就可以在冷熱混裝時(shí)保證冷坯的設(shè)定溫度。

板坯特殊鋼權(quán)重:模型可以根據(jù)板坯的重要程度設(shè)置不同的特殊鋼權(quán)重,這樣就可以在不同鋼種過渡時(shí)保證質(zhì)量要求,更加嚴(yán)格板坯的生產(chǎn)工藝。

板坯位置權(quán)重:根據(jù)段內(nèi)板坯的位置設(shè)定位置權(quán)重。一般段內(nèi)中部板坯的位置權(quán)重大于剛?cè)攵魏蛯⒁龆蔚陌迮鳌?/p>

1.1.3 L2—L1控制

圖2 為加熱爐燒鋼模型控制框架。L2系統(tǒng)計(jì)算加熱爐各段的設(shè)定溫度以后下發(fā)至L1系統(tǒng),L1系統(tǒng)會(huì)判斷設(shè)定溫度與加熱爐段內(nèi)對(duì)應(yīng)熱電偶的差。如果設(shè)定溫度高于熱電偶值很多,對(duì)應(yīng)段內(nèi)燒嘴的流量或者工作時(shí)間就會(huì)相應(yīng)增大;反之,如果設(shè)定溫度低于熱電偶值,則對(duì)應(yīng)段內(nèi)燒嘴的流量或工作時(shí)間會(huì)為零。

1.2 存在問題

傳統(tǒng)的加熱爐自動(dòng)燒鋼模型在寶鋼熱軋各條產(chǎn)線都有運(yùn)用,但是在投入使用一段時(shí)間后,如沒有繼續(xù)維護(hù),L2系統(tǒng)加熱爐各段設(shè)定溫度模塊使用率就很低,這與現(xiàn)場工藝一直在變化有關(guān)。同時(shí),在計(jì)算板坯的必要爐溫時(shí)也存在不準(zhǔn)確的因素。

上文在描述板坯必要爐溫計(jì)算時(shí)曾用到標(biāo)準(zhǔn)爐溫(圖3),它是模型假想的不同板坯在不同段內(nèi)的理想爐溫,就如同操作人員希望不同的鋼種(出鋼記號(hào)、裝鋼溫度、規(guī)格等)在各段內(nèi)都有一個(gè)基準(zhǔn)的設(shè)定爐溫,然后再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)爐溫計(jì)算板坯必要爐溫。現(xiàn)有模型程序中,一種類型的鋼種在一段內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)爐溫是個(gè)定值。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)爐溫圖

現(xiàn)在根據(jù)離線模擬數(shù)據(jù)來說明標(biāo)準(zhǔn)爐溫對(duì)板坯必要爐溫計(jì)算的影響。以板坯在預(yù)熱段的情況為例,案例A為假設(shè)預(yù)熱段的段末目標(biāo)溫度為980 ℃,板坯在預(yù)熱段的初始平均溫度為640 ℃,剩余出段時(shí)間為40 min;案例B為假設(shè)預(yù)熱段的段末目標(biāo)溫度為980 ℃,板坯在預(yù)熱段的初始平均溫度為990 ℃,剩余出段時(shí)間為10 min,采用matlab離線計(jì)算不同標(biāo)準(zhǔn)爐溫對(duì)必要爐溫的影響,見表1。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)爐溫對(duì)設(shè)定爐氣溫度的影響

以上兩次仿真結(jié)果顯示,不同的標(biāo)準(zhǔn)爐溫計(jì)算的板坯必要爐溫存在一定的差別。而標(biāo)準(zhǔn)爐溫也是平時(shí)工程師維護(hù)最少的內(nèi)容,因此容易造成板坯必要爐溫計(jì)算不準(zhǔn)確。此外,案例B為板坯在段內(nèi)已到達(dá)段末溫度的降溫情況,計(jì)算的板坯必要爐溫過低,與現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗(yàn)不符。因?yàn)楝F(xiàn)場操作人員的習(xí)慣是板坯在到達(dá)段末溫度后,如不是超出很多,只需適當(dāng)降溫或保持設(shè)定溫度即可。本案例解釋了現(xiàn)場操作人員為何總是抱怨自動(dòng)燒鋼模型計(jì)算的設(shè)定值偏低的現(xiàn)象。

傳統(tǒng)的加熱爐燒鋼模型如果沒有結(jié)合各條產(chǎn)線的實(shí)際經(jīng)驗(yàn),計(jì)算的板坯必要爐溫不準(zhǔn)確,從而加熱爐各段的設(shè)定溫度也難以準(zhǔn)確,導(dǎo)致模型投入率偏低。

2 現(xiàn)場解決方案

根據(jù)現(xiàn)場各條產(chǎn)線的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),優(yōu)化了加熱爐燒鋼模型的部分功能,使模型設(shè)定值更加適合現(xiàn)場實(shí)際情況,取得了很好的現(xiàn)場運(yùn)用效果。

2.1 目標(biāo)溫度優(yōu)化

傳統(tǒng)的加熱爐燒鋼模型板坯各段的目標(biāo)溫度設(shè)定較為粗糙,預(yù)熱段段末目標(biāo)溫度采用預(yù)測計(jì)算,加熱段段末目標(biāo)溫度根據(jù)板坯出爐溫度適當(dāng)減少一定溫度計(jì)算。該方法并不能很好地反映現(xiàn)場實(shí)際情況。優(yōu)化方法如下:

(1)加熱段段末目標(biāo)溫度根據(jù)開爐數(shù)不同、爐號(hào)不同,多維度進(jìn)行段末溫度設(shè)定。

(2)大多數(shù)鋼種預(yù)熱段段末目標(biāo)溫度設(shè)定根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)爐溫預(yù)測計(jì)算,見公式(5)。

預(yù)熱段目標(biāo)溫度=

(5)

該方法根據(jù)加熱段目標(biāo)溫度和各段的升溫速率倒推預(yù)熱段目標(biāo)溫度。由于升溫速率的計(jì)算也是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)爐溫而得(類似必要爐溫計(jì)算的方法),根據(jù)上一章節(jié)的分析,同樣存在很大的不準(zhǔn)確性。同時(shí),該方法也沒有考慮生產(chǎn)實(shí)際情況,過于理想化,計(jì)算的段末目標(biāo)溫度與現(xiàn)場實(shí)際要求相距甚遠(yuǎn)。

本文根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際經(jīng)驗(yàn),對(duì)計(jì)算出的預(yù)熱段目標(biāo)溫度給予按開爐數(shù)、爐號(hào)、軋制厚度、裝鋼溫度多維度的上下限經(jīng)驗(yàn)值控制,使得計(jì)算后的段末目標(biāo)溫度始終在現(xiàn)場實(shí)際值的范圍內(nèi),取得了很好的效果。

2.2 上下爐溫差優(yōu)化

板坯在實(shí)際生產(chǎn)時(shí),上下爐氣溫度會(huì)有一定的差別,不同的鋼種上下爐氣溫差會(huì)有所不同,有的板坯上部爐溫要比下部爐溫高,有的則是下部爐溫比上部爐溫高。當(dāng)不同工藝鋼種交接時(shí),上下爐溫差隨著板坯必要爐溫加權(quán)進(jìn)行設(shè)定。比如段內(nèi)板坯有一半是上部爐溫比下部爐溫高,另一半是下部爐溫比上部爐溫高,加權(quán)計(jì)算后段內(nèi)設(shè)定溫度上下部爐溫會(huì)很接近,這就不符合現(xiàn)場實(shí)際情況?，F(xiàn)場不同種類板坯交接時(shí),往往是一種鋼比另一種鋼生產(chǎn)質(zhì)量更敏感,上下爐溫差要求更嚴(yán),但是設(shè)定溫度高低卻需要兼顧兩種種類的板坯,即按照板坯權(quán)重加權(quán)計(jì)算段內(nèi)設(shè)定溫度。

本文的優(yōu)化方法是把上下爐溫差敏感的板坯根據(jù)出鋼記號(hào)列出。當(dāng)段內(nèi)出現(xiàn)這些板坯時(shí),段內(nèi)設(shè)定溫度嚴(yán)格按照這些板坯的工藝?yán)_上下爐氣溫差。某些特別敏感的鋼種在與其他鋼種交接時(shí),該板坯甚至在還沒入段時(shí)就提前拉開上下爐氣溫差。該方法已在1 580 mm產(chǎn)線得到應(yīng)用,達(dá)到預(yù)期效果。

2.3 提前升降溫優(yōu)化

現(xiàn)場操作人員往往希望某些特殊板坯在進(jìn)入加熱爐某個(gè)段前一個(gè)段左右的位置,就把這個(gè)段的爐溫控制在這些特殊板坯想要的爐溫上,從而一定程度地放棄這個(gè)段內(nèi)的普通板坯控制。比如特殊板坯剛進(jìn)入預(yù)熱段,加熱段的爐溫就應(yīng)該在適合該特殊板坯的爐溫上。這樣做的原因是由于特殊板坯的爐溫與普通板坯有一定區(qū)別,兩種鋼種交接時(shí)加熱爐的爐溫?zé)o法快速控制在特殊板坯的要求范圍內(nèi),只能一定程度地犧牲普通板坯,而提前一個(gè)段滿足特殊板坯的工藝,從而提高特殊板坯的生產(chǎn)質(zhì)量。原有加熱爐控制模型無法實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能,操作工只能手動(dòng)控制特殊板坯與普通板坯的交接。

本文的優(yōu)化邏輯為:①判斷加熱爐內(nèi)是否有需要提前升降溫的特殊板坯,如根據(jù)出鋼記號(hào)、牌號(hào)判斷該板坯。有超過3塊的特殊板坯才執(zhí)行提前升降溫模塊。②如有需要提前升降溫的板坯,把這些板坯的標(biāo)準(zhǔn)爐溫根據(jù)板坯權(quán)重加權(quán)計(jì)算在需要提前升降溫段內(nèi)的設(shè)定溫度程序里,使得該段設(shè)定溫度的計(jì)算既包含該段段內(nèi)板坯的必要爐溫又包含需要提前升降溫板坯的標(biāo)準(zhǔn)爐溫。③根據(jù)板坯權(quán)重調(diào)整提前升降溫的幅度。④已完成交接的段不執(zhí)行提前升降溫。

該模塊在梅鋼1 422 mm產(chǎn)線得到了應(yīng)用,達(dá)到了預(yù)期效果。

2.4 必要爐溫優(yōu)化

正如前文描述的那樣,原加熱爐自動(dòng)燒鋼模型中板坯的必要爐溫計(jì)算存在著不準(zhǔn)確性,導(dǎo)致段內(nèi)設(shè)定溫度計(jì)算不準(zhǔn)確。尤其是板坯降溫時(shí),設(shè)定溫度往往過低,與實(shí)際情況不符。

本文的優(yōu)化邏輯為:①對(duì)板坯的必要爐溫計(jì)算根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行上下限的控制,尤其是下限值不能太低,板坯降溫時(shí)設(shè)定溫度才不會(huì)偏低。②板坯在進(jìn)入均熱段時(shí),板坯必要爐溫計(jì)算不能低于特定值,更加保證了均熱段板坯溫度的穩(wěn)定性。③板坯在進(jìn)入均熱段時(shí),某些出爐溫度需要略高于出爐目標(biāo)溫度的板坯,則必要爐溫計(jì)算可以在特定范圍內(nèi)修正到一定值;某些出爐溫度需要不能高于出爐目標(biāo)溫度太多的板坯,則必要爐溫計(jì)算可以在特定范圍內(nèi)限定一個(gè)上限值。

2.5 節(jié)奏優(yōu)化

原加熱爐自動(dòng)燒鋼模型為通過軋線生產(chǎn)的真實(shí)節(jié)奏計(jì)算加熱爐板坯的生產(chǎn)節(jié)奏和剩余在爐時(shí)間,加熱爐模型生產(chǎn)節(jié)奏等于真實(shí)出鋼節(jié)奏。但是當(dāng)軋線節(jié)奏過快或兩爐生產(chǎn)時(shí),模型在真實(shí)生產(chǎn)節(jié)奏下,板坯的必要爐溫計(jì)算就會(huì)偏低。

本文為解決這個(gè)問題,優(yōu)化了真實(shí)生產(chǎn)節(jié)奏,通過修正后的虛擬節(jié)奏再計(jì)算加熱爐設(shè)定值,解決了節(jié)奏過快時(shí)板坯必要爐溫計(jì)算偏低的問題。具體邏輯見表2。

表2 虛擬節(jié)奏計(jì)算表

生產(chǎn)節(jié)奏過快或兩爐生產(chǎn)時(shí),虛擬節(jié)奏要比真實(shí)節(jié)奏計(jì)算的更小,從而降低板坯的剩余在爐時(shí)間。板坯升溫時(shí),間接提高了必要爐溫的計(jì)算。

3 應(yīng)用案例

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化后的加熱爐全自動(dòng)模型已在寶鋼熱軋多條產(chǎn)線得以運(yùn)用,測試表明,長期運(yùn)行穩(wěn)定,并且有很高的自動(dòng)燒鋼投入率。

圖4為梅鋼1 422 mm產(chǎn)線自動(dòng)燒鋼畫面,各段全部采用自動(dòng)模式控制。

圖4 加熱爐自動(dòng)燒鋼畫面

4 結(jié)語

分析了傳統(tǒng)加熱爐模型存在的問題,根據(jù)寶鋼各產(chǎn)線生產(chǎn)的實(shí)際情況,優(yōu)化了各個(gè)模塊,特別對(duì)于質(zhì)量敏感的鋼種進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)置,包括目標(biāo)溫度優(yōu)化、上下爐氣溫差優(yōu)化、提前升降溫模塊、板坯必要爐溫優(yōu)化、節(jié)奏優(yōu)化等。目前,各基地加熱爐模型都得到了較高的全自動(dòng)化率,降低了操作人員的工作強(qiáng)度。

在進(jìn)行加熱爐模型軟件優(yōu)化的同時(shí),筆者也真切感受到加熱爐硬件狀態(tài)對(duì)自動(dòng)燒鋼的影響。一般加熱爐工作狀態(tài)穩(wěn)定的產(chǎn)線自動(dòng)燒鋼投入率也較高,這就意味著加熱爐日常的燒嘴、閥門維護(hù)必須到位,以保證加熱爐一直在較為理想的工作條件下生產(chǎn),生產(chǎn)質(zhì)量和自動(dòng)化率才能穩(wěn)步提升,真正降低操作人員的工作強(qiáng)度。