专利名称：加热炉炉内坯料优化加热曲线计算系统及方法
技术领域：
本发明涉及热轧技术领域中坯料的加热炉热处理工艺，尤其涉及加热炉最优控制领域及加热炉内坯料优化加热曲线的计算方法。
背景技术：
加热炉热过程和炉内坯料热状态数学模型已逐步被应用于加热炉最佳设计和最优控制技术中。对于加热炉内坯料在满足目标出炉温度的条件下，采用合理的加热制度、最大限度降低炉子热损耗及燃料消耗才能提高加热炉的生产效率。目前加热炉内坯料的加热制度主要是根据经验来确定，由所加热坯料的特性来确定坯料的目标出炉温度、在炉时间 及炉温制度。对于自动化程度较高的加热炉可以采用数学模型根据加热坯料特性计算生成加热制度，其核心是在加热炉当前炉温制度状态下通过数学模型计算坯料的当前温度与坯料加热工艺给定的目标温度之间的偏差，并通过该偏差对当前炉温制度不断修正，同时将修正后的炉温制度作为加热炉基础仪表自动化系统的加热温度设定值，从而使炉内坯料能够按照加热工艺完成在加热炉内的热处理。而坯料的加热工艺，又称为坯料优化加热曲线，需要在该坯料入炉前给定，目前主要由技术人员根据生产及操作经验在原有加热工艺基础上手动干预，劳动强度大，且难以适应不同坯料的加热工艺需求，精度及灵活性差。这样将直接影响坯料入炉后加热制度的制定，从而影响金属的加热质量和加热炉的生产效率，难以实现加热炉最优控制。
发明内容
本发明所解决的技术问题是针对上述问题提供一种计算加热炉内坯料优化加热曲线的方法。该方法不受坯料尺寸规格的限制、计算精度及计算效率高，可以在坯料入炉前完成多块坯料优化加热曲线的计算。利于加热炉数学模型利用所述坯料优化加热曲线修正加热制度，提高金属的加热质量和加热炉的生产效率，利于实现加热炉最优控制。本发明解决所述技术问题主要采取如下技术方案加热炉炉内坯料优化加热曲线计算系统，包括坯料步进及位置跟踪模块，对坯料进行步进操作并返回当前位置；坯料温度跟踪模块，对加热炉内坯料的内部温度场进行跟踪；加热炉炉温制度修正模块，根据温度参数，对炉温制度进行修正；燃料消耗量计算模块，对于满足目标出炉温度的坯料用积分替代目标函数来表征其从入炉至出炉整个加热过程的燃料消耗量多少；上述各模块依次相连。所述的系统,还包括还料参数初始化模块,初始化待入炉还料几何参数及物性参数；加热炉炉温制度设定模块，对加热炉的相关参数进行初始化；计时器，计时并判断是否达到步进或温度跟踪周期。所述的系统的计算方法，包括
SI)调用坯料参数初始化模块，初始化待入炉坯料几何参数及物性参数；同时，给定坯料入炉前温度；S2)调用加热炉炉温制度设定模块，初始化加热炉相关参数；S3)计时器计时并判断时间是否达到加热炉步进周期，如果未达到加热炉步进周期，则计时器继续计时；如果达到加热炉步进周期，则执行坯料步进模块，按照加热炉的步进周期仿真坯料在加热炉内的步进动作，并实现对炉内坯料位置的实时预报；S4)计时器继续计时并判断时间是否达到坯料温度跟踪周期，如果未达到坯料温度跟踪周期，则计时器继续计时；如果达到坯料温度跟踪周期，则执行坯料温度跟踪模块，对不同尺寸规格的坯料在加热炉内不同在炉时间、不同炉内位置的内部温度场进行跟踪；S5)根据坯料位置跟踪模块返回的坯料当前位置数据来判断坯料是否步进至出炉位置，如果坯料尚未步进至出炉位置，则回到步骤S3;如果坯料已步进至出炉位置，则进入下一步；S6)计算坯料的温度参数，包括坯料出炉温度及出炉时坯料断面温差，与坯料目标值出炉温度进行比较，如果不在目标出炉温度允许范围内，则调用加热炉炉温制度修正模块，对原炉温进行修正，然后返回到步骤S2;如果在目标值允许范围内，则对坯料从入炉到出炉的温升进行拟合形成坯料优化加热曲线，然后调用燃料消耗量计算模块，对于满足目标出炉温度的坯料用积分替代目标函数来表征其从入炉至出炉整个加热过程的燃料消耗量多少；S7)判断坯料优化加热曲线计算次数是否达到设定的计算次数，如果没有达到，则坯料优化加热曲线计算次数加1，然后调用加热炉炉温制度修正模块，对炉温进行修正，然后返回到步骤S2 ;如果达到设定的计算次数，则输出坯料优化加热曲线。所述的方法，步骤SI中，坯料几何参数包括坯料长度和厚度；坯料物性参数包括坯料密度、比热容、导热系数和黑度。所述的方法，步骤S2中，加热炉相关参数包括加热炉出钢周期、加热炉步进节奏、加热炉各炉段长度、加热炉总炉长、加热炉各炉段热电偶分布以及加热炉各炉段上、下炉膛初始炉温设定值。所述的方法，步骤S3中，通过下式控制坯料步进L = L-d式中，L为坯料距离加热炉出口炉门的距离，d为加热炉步进梁一个步进周期的步
进距离。所述的方法，步骤S4执行坯料温度跟踪模块的具体方法包括首先，根据当期炉温制度，采用总括热吸收率法确定坯料上、下表面热流，其计算式为
权利要求
1.加热炉炉内坯料优化加热曲线计算系统，其特征在于包括坯料步进及位置跟踪模块，对坯料进行步进操作并返回当前位置；坯料温度跟踪模块，对加热炉内坯料的内部温度场进行跟踪；加热炉炉温制度修正模块，根据温度参数，对炉温制度进行修正；燃料消耗量计算模块，对于满足目标出炉温度的坯料用积分替代目标函数来表征其从入炉至出炉整个加热过程的燃料消耗量多少；上述各模块依次相连。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于还包括坯料参数初始化模块，初始化待入炉坯料几何参数及物性参数；加热炉炉温制度设定模块，对加热炉的相关参数进行初始化； 计时器，计时并判断是否达到步进或温度跟踪周期。
3.根据权利要求1或2所述的系统的计算方法，其特征在于，包括51)调用坯料参数初始化模块，初始化待入炉坯料几何参数及物性参数；同时，给定坯料入炉温度；52)调用加热炉炉温制度设定模块，初始化加热炉相关参数；53)计时器计时并判断时间是否达到加热炉步进周期，如果未达到加热炉步进周期，则计时器继续计时；如果达到加热炉步进周期，则执行坯料步进模块，按照加热炉的步进周期仿真坯料在加热炉内的步进动作，并实现对炉内坯料位置的实时预报；54)计时器继续计时并判断时间是否达到坯料温度跟踪周期，如果未达到坯料温度跟踪周期，则计时器继续计时；如果达到坯料温度跟踪周期，则执行坯料温度跟踪模块，对不同尺寸规格的坯料在加热炉内不同在炉时间、不同炉内位置的内部温度场进行跟踪；55)根据坯料位置跟踪模块返回的坯料当前位置数据来判断坯料是否步进至出炉位置，如果坯料尚未步进至出炉位置，则回到步骤S3 ;如果坯料已步进至出炉位置，则进入下一步;56)计算坯料的温度参数，包括坯料出炉温度及出炉时坯料断面温差，与坯料目标值出炉温度进行比较，如果不在目标出炉温度允许范围内，则调用加热炉炉温制度修正模块，对原炉温进行修正，然后返回到步骤S2;如果在目标值允许范围内，则对坯料从入炉到出炉的温升进行拟合形成坯料优化加热曲线，然后调用燃料消耗量计算模块，对于满足目标出炉温度的坯料用积分替代目标函数来表征其从入炉至出炉整个加热过程的燃料消耗量多少；57)判断坯料优化加热曲线计算次数是否达到设定的计算次数，如果没有达到，则坯料优化加热曲线计算次数加1，然后调用加热炉炉温制度修正模块，对炉温进行修正，然后返回到步骤S2 ;如果达到设定的计算次数，则输出坯料优化加热曲线。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于步骤SI中，坯料几何参数包括坯料长度和厚度；坯料物性参数包括坯料密度、比热容、导热系数和黑度。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于步骤S2中，加热炉相关参数包括加热炉出钢周期、加热炉步进节奏、加热炉各炉段长度、加热炉总炉长、加热炉各炉段热电偶分布以及加热炉各炉段上、下炉膛初始炉温设定值。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于步骤S3中，通过下式控制坯料步进L = L-d式中，L为坯料距离加热炉出口炉门的距离，d为加热炉步进梁一个步进周期的步进距离。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于步骤S4执行坯料温度跟踪模块的具体方法包括首先，根据当期炉温制度，采用总括热吸收率法确定坯料上、下表面热流，其计算式为
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，热装坯料厚度方向的温度分布函数T (y) 按照下述方法确定将坯料沿厚度方向进行划分，则从坯料下表面开始第i个节点的T(y)值为(1)1=0TcharNode (土) ^Surf(2)i = I (N-1)/2TcharNode (i) = ~4. 62 1+0. 0 1 762 · h + 1. 014 · Tsurf+O· 0 1387 · Δ h · i (0° C 彡 Tsurf 彡 350。C)TcharNode(i) = ~89. 8+0. 1979 *h+l. 122 *TSurf+0. 157 · Ah *i (350。C < Tsurf ^ 700° C) T CharNode (i) = -387. 5+0. 7166 · h + 1. 345 · TSurf+0. 6436 · Ah · i (700 ° C < Tsurf 彡 1050° C)TcharNode (i) = _5 2 6 · 6+0 · 5 3 6 3 · h+0 · 5191 · Tsurf+0 · 5 O O 4 · Λ h · i (1050 ° C < Tsurf 彡 1400° C)(3) i = (N-1)/2+1 N-1TcharNode ⑴= ^CharNode (j) (j = N-l-1)式中，N为沿坯料厚度方向等间距划分的节点数目，N为奇数，Taa_Ji)为坯料入炉时内部第i个节点的温度，Tsurf为坯料入炉时检测的表面温度，Ah为坯料相邻两节点间的厚度，i = O表示还料下表面的节点，i = N-1表示还料上表面的节点。
9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S6对炉温制度进行修正的方法包括按以下公式进行修正式中,2; T；r 分别为进行第η次炉温制度修正时加热炉第i炉段上、下炉膛的炉 UJpuj、w分别为对第η次炉温制度修正后的加热炉第i炉段上、下炉膛的炉温，并作为第n+2次炉温制度修正的初始值，cu、Cb为与炉温制度有效修正次数相关的系数，C1 u,1、C1 b,i分别为第i炉段的炉温制度修正因子，C2彳、c2—b,i分别为第i炉段坯料升温速率修正因子，ΔΤ为还料出炉温度与目标出炉温度的偏差，Tmscharge为还料的目标出炉温度,-Ji露1为坯料在第i炉段升温速率的相对偏差。
10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S6调用燃料消耗量计算模块的方法为计算坯料升温曲线与坯料在炉时间围成的面积，记为Area (η-1)，第一次计算的坯料升温曲线与在炉时间围成的面积，记为Area(O)，最后一次计算的坯料升温曲线与在炉时间围成的面积记为Area(N-1)，从Area(i)中选出数值最小的一个，并将此次计算的坯料升温曲线作为该坯料的优化加热曲线，其中，i = 0、1、. . .、N-1。
全文摘要
一种计算加热炉内坯料优化加热曲线的方法，主要通过对坯料的位置跟踪及温度跟踪实现其在加热炉内的步进及加热。并综合考虑坯料出炉温度与目标温度的偏差及坯料的升温速率对原炉温制度进行修正，用修正后的炉温制度重新对坯料进行加热。对于满足出炉温度的坯料，以积分替代目标函数来表征本次加热燃耗的大小。完成指定次数的优化计算后，从中选出积分替代目标函数值最小的一个，并将其对应的坯料升温曲线作为该尺寸规格坯料的优化加热曲线。该方法可以在坯料入炉前完成多块坯料优化加热曲线的计算，计算效率高。利于加热炉数学模型利用所计算的坯料优化加热曲线修正加热制度，提高金属的加热质量和加热炉的生产效率，利于实现加热炉最优控制。
文档编号C21D9/70GK102994731SQ20121050750
公开日2013年3月27日 申请日期2012年11月30日 优先权日2012年11月30日
发明者段广东, 杨进, 李卫杰, 王晓亮 申请人:中冶南方(武汉)威仕工业炉有限公司