提升鋼坯加熱質(zhì)量的加熱爐數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

梁 萌

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710300)

加熱爐是一種主要用于加熱的設(shè)備,它的重要應(yīng)用行業(yè)包括石油、化工、食品、釀造、紡織和精細(xì)化工等。一般來說,加熱爐可以將原材料加熱至某一溫度,并形成物料固體、液體或氣體,以便滿足不同的生產(chǎn)要求。隨著我國鋼鐵工業(yè)的飛速發(fā)展,加熱爐作為重要的軋鋼設(shè)備之一,在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用最為廣泛。但軋鋼過程中加熱爐的溫度直接關(guān)系到鋼坯的質(zhì)量,因此需要進(jìn)一步關(guān)注加熱爐的溫度控制問題。加熱爐通過有效地控制,能夠使其加熱獲得更好的節(jié)能效果,保證生產(chǎn)的高質(zhì)量和安全性?？刂葡到y(tǒng)的數(shù)學(xué)模型優(yōu)化是建立加熱爐的動態(tài)模型,以求得加熱爐內(nèi)部參數(shù)的值,進(jìn)而根據(jù)模型中建立的系統(tǒng)模型,劃分不同的控制單元,利用模型預(yù)測控制效果,并優(yōu)化不同控制器參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)的優(yōu)化是提高加熱爐運(yùn)行效率的關(guān)鍵步驟,可以極大地提高節(jié)能性能、穩(wěn)定性和可控性,在提高加熱爐操作性能方面有著至關(guān)重要的作用。本文綜合分析加熱爐的控制系統(tǒng)構(gòu)建以及數(shù)學(xué)模型優(yōu)化問題,以提升加熱爐的控制效果和鋼坯的加熱質(zhì)量。

1 加熱爐構(gòu)造及燃燒控制

1.1 加熱爐構(gòu)造

加熱爐是一種特殊類型的熱能設(shè)備,其構(gòu)造復(fù)雜,生產(chǎn)使用流程相對復(fù)雜。它的主要部件是爐體、爐蓋及爐內(nèi)升溫分裂組件,以及必要的控制面板、供汽系統(tǒng)和排氣系統(tǒng),爐體內(nèi)裝有加熱介質(zhì),以及必要的夾具[1-2]。 待加熱爐安裝完成以后,需要進(jìn)行溫度校準(zhǔn),從而確認(rèn)加熱爐的溫度穩(wěn)定性。鋼坯加熱爐的主要作用是將帶軋鋼坯進(jìn)行加熱,使其符合軋制溫度[3]。本文以步進(jìn)式加熱爐作為分析對象,加熱爐構(gòu)造如圖1所示。

圖1 步進(jìn)式加熱爐構(gòu)造

如圖1所示,步進(jìn)式加熱爐包括下端固定梁以及上端移動步進(jìn)梁。通過步進(jìn)梁能夠帶動鋼坯經(jīng)由輥道送至爐內(nèi)。相較于其他鋼坯加熱方式,步進(jìn)式加熱爐具有運(yùn)料靈活、間隔加熱等優(yōu)勢,便于進(jìn)行鋼坯加熱的自動化控制[4]。

1.2 加熱爐燃燒自動控制

為滿足鋼坯生產(chǎn)的實(shí)際需要,提升加熱爐的控制水平采取自動化燃燒控制方法進(jìn)行系統(tǒng)控制。首先對鋼坯裝入加熱爐中的溫度等信息作為計算的主要依據(jù),然后在此基礎(chǔ)上完成對鋼坯裝爐溫度變化的實(shí)時計算,根據(jù)計算結(jié)果建立起初始的溫度跟蹤數(shù)據(jù)[5]。其次在加熱爐內(nèi)部安裝熱電偶/熱電阻等溫度檢測裝置,實(shí)時監(jiān)測加熱爐內(nèi)的溫度變化。借助中心差分模型對鋼坯在加熱運(yùn)行過程中所處位置的爐氣溫度進(jìn)行推算,計算出鋼坯的溫度變化情況以及仍需加熱的時間[6]。最后根據(jù)鋼坯加熱的設(shè)定規(guī)則計算出鋼坯的加權(quán)系數(shù),從而得到不同階段加熱爐溫度所需達(dá)到的設(shè)定值。如果鋼坯在設(shè)定時間內(nèi)沒有達(dá)到出爐的設(shè)定溫度,則延長其加熱時間。

2 加熱爐燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計

加熱爐自動燃燒控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)計算出加熱爐在不同燃燒階段鋼坯所需的溫度值,從而完成加熱溫度的設(shè)定,使得加熱爐能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)化控制,達(dá)到最佳的燃燒狀態(tài)[7-8]。加熱爐自動燃燒控制模型主要包括以下幾部分:粗軋設(shè)定計算、軋制節(jié)奏控制、爐內(nèi)管理、通信管理。粗軋設(shè)定計算模塊主要負(fù)責(zé)計算鋼板坯的出爐溫度,軋制節(jié)奏控制模塊用于控制鋼板坯的出爐時刻以及出爐節(jié)奏,爐內(nèi)管理模塊用于檢測鋼坯在爐內(nèi)的位置,并對其實(shí)時溫度變化進(jìn)行檢測,通信管理模塊用于設(shè)定鋼坯出爐溫度[9]。除此之外,打印機(jī)以及HMI模塊為系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的輸出模塊,可進(jìn)行L1(基礎(chǔ)燃燒)歷史數(shù)據(jù)監(jiān)測。模型設(shè)定如圖2所示。

圖2 加熱爐自動燃燒控制模型

1)鋼坯數(shù)據(jù)信息建立

在鋼坯裝入加熱爐時建立鋼坯信息,記錄鋼坯的基本信息包括初始溫度、鋼坯尺寸、型號以及目標(biāo)溫度等。確定鋼坯的溫度結(jié)點(diǎn)分布情況,借助熱工模型計算鋼坯的溫度分布情況。采取網(wǎng)格點(diǎn)劃分方式計算鋼坯在厚度以及長度方向的溫度情況,推算其應(yīng)該在上料輥道的停留時間[10]。

2)鋼坯熱工溫度計算模型

采用二元有限差分模型對鋼坯的溫度進(jìn)行在線計算,周期性計算加熱爐內(nèi)的鋼坯溫度變化以及分布。通過二元有限差分模型對加熱爐內(nèi)的熱交換(對流、輻射以及傳導(dǎo))進(jìn)行說明。參照燃燒控制模型中存儲的鋼坯尺寸、鋼坯種類以及位置等數(shù)據(jù)量化不同鋼坯所需的受熱條件,專門計算不同鋼坯所要求的熱物理特性,完成加熱爐的設(shè)定值等計算[11]。

3)加熱爐爐溫控制

加熱爐的爐溫控制目的是對燃燒段的溫度進(jìn)行精準(zhǔn)的設(shè)定,從而使得鋼坯在加熱爐加熱至預(yù)定溫度。加熱爐自動燃燒控制模型根據(jù)鋼坯的精密度等依據(jù)周期性的計算出適宜的燃燒段溫度值,相較傳統(tǒng)手工計算方式更為合理和準(zhǔn)確[12]。待鋼坯表面以及內(nèi)部溫度符合出鋼要求后發(fā)出出鋼信號。如果存在熱量不足或者鋼坯的加熱質(zhì)量存在問題時,實(shí)行延時策略,通過人機(jī)交互界面進(jìn)行計劃性延時。

3 加熱爐溫度數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

3.1 模型構(gòu)建原理

加熱爐自動燃燒控制模型通過實(shí)測爐內(nèi)各鋼坯位置的爐氣溫度分布情況,得到加熱爐內(nèi)鋼坯的溫度場模擬計算結(jié)果,從而獲得加熱爐內(nèi)鋼坯在時間以及空間變化情況下溫度場的變化情況,完成對鋼坯溫度的動態(tài)監(jiān)測。在計算的過程中需要采取數(shù)學(xué)描述的方式計算加熱爐進(jìn)行熱交換和熱傳導(dǎo)的溫度變化情況,通過差分法進(jìn)行溫度求解[13]。除此之外,加熱爐膛內(nèi)發(fā)生熱交換是以輻射方式為主,受到加熱爐動態(tài)操作等因素的限制,因此通過微分方程進(jìn)行復(fù)雜條件的表達(dá)具有嚴(yán)謹(jǐn)性。因此以鋼坯入爐時的初始溫度作為參考,實(shí)測其溫度在裝爐過程的差值,并通過熱裝模型進(jìn)行預(yù)測計算。根據(jù)步進(jìn)式加熱爐的加熱能力、移動方式等通過模型推演的方式預(yù)測鋼坯的在爐時間。

3.2 建立加熱爐溫度計算數(shù)學(xué)模型

加熱爐溫度計算模型是描述加熱爐物理過程的數(shù)學(xué)模型,可以通過該模型計算加熱爐溫度場分布,控制加熱爐溫度,提高鋼坯加熱效率和產(chǎn)品質(zhì)量。加熱爐溫度計算數(shù)學(xué)模型的建立可以分為以下幾個步驟:

1)建立加熱爐物理模型

加熱爐物理模型是基于加熱爐的實(shí)際情況建立的,包括加熱爐結(jié)構(gòu)、加熱爐內(nèi)部布局、加熱爐加熱方式、鋼坯放置位置等信息。

2)建立加熱爐溫度分布模型

加熱爐溫度分布模型是基于加熱爐物理模型建立的,包括加熱爐內(nèi)溫度場分布、加熱爐內(nèi)輻射熱通量分布等關(guān)鍵參數(shù),可采用有限元方法進(jìn)行數(shù)值計算[14]。

3)確定加熱爐溫度計算方程

根據(jù)加熱爐物理和溫度分布模型,可以建立加熱爐溫度計算方程,包括傳熱方程、能量平衡方程等,將溫度場的演化過程描述為微分方程組。

4)建立溫度測量模型

對于工業(yè)加熱爐,需要選擇適當(dāng)?shù)臏囟葌鞲衅鬟M(jìn)行實(shí)時溫度測量,建立溫度測量模型,將實(shí)際測量數(shù)據(jù)與理論數(shù)值進(jìn)行比較,優(yōu)化計算模型。

3.3 加熱爐溫度計算數(shù)學(xué)模型優(yōu)化方案

1)測量誤差補(bǔ)償

加熱爐溫度計算數(shù)學(xué)模型需要實(shí)時準(zhǔn)確的溫度測量數(shù)據(jù)作為輸入,但是各種測量傳感器存在不同程度的測量誤差,導(dǎo)致計算結(jié)果的準(zhǔn)確性下降。因此,需要建立測量誤差補(bǔ)償模型,對溫度傳感器進(jìn)行標(biāo)定和調(diào)整,補(bǔ)償測量誤差、提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2)多物理場耦合

加熱爐溫度計算數(shù)學(xué)模型需要考慮多個物理場之間的相互作用,包括傳熱、輻射、流體動力學(xué)等,這些物理場之間的相互作用會引起溫度場變化,需要進(jìn)行多物理場耦合模擬,提高模型的可靠性和預(yù)測能力[15]。

3)模型參數(shù)優(yōu)化

建立加熱爐溫度計算數(shù)學(xué)模型時,需要考慮許多參數(shù)和影響因素,這些參數(shù)和影響因素對模型的性能和預(yù)測能力具有較大影響。因此,需要針對不同的應(yīng)用場景進(jìn)行模型參數(shù)的優(yōu)化和調(diào)整,提高模型的適應(yīng)性和準(zhǔn)確性。

4)模型實(shí)時性優(yōu)化

加熱爐溫度計算數(shù)學(xué)模型需要實(shí)時更新,隨時反饋加熱爐溫度變化情況,因此需要實(shí)現(xiàn)模型實(shí)時性優(yōu)化,提高計算效率和運(yùn)算速度,以滿足工業(yè)加熱爐實(shí)時控制需求。

4 結(jié) 語

隨著我國鋼鐵等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,以加熱爐為代表的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備自動化以及精確化要求逐漸提高。使用加熱爐進(jìn)行鋼坯等材料加熱直接影響到材料的質(zhì)量以及加熱效果。因此本文充分探討了如何優(yōu)化加熱爐的溫度控制,從模型等多角度進(jìn)行分析,以提升加熱爐的加熱效率,減少工業(yè)燃料的消耗。