梁 萌

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院,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。控制系統(tǒng)的數(shù)學模型優(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)造復雜,生產(chǎn)使用流程相對復雜。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,需要進行溫度校準,從而確認加熱爐的溫度穩(wěn)定性。鋼坯加熱爐的主要作用是將帶軋鋼坯進行加熱,使其符合軋制溫度[3]。本文以步進式加熱爐作為分析對象,加熱爐構(gòu)造如圖1所示。

圖1 步進式加熱爐構(gòu)造

如圖1所示,步進式加熱爐包括下端固定梁以及上端移動步進梁。通過步進梁能夠帶動鋼坯經(jīng)由輥道送至爐內(nèi)。相較于其他鋼坯加熱方式,步進式加熱爐具有運料靈活、間隔加熱等優(yōu)勢,便于進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行過程中所處位置的爐氣溫度進行推算,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到的設(shè)定值。如果鋼坯在設(shè)定時間內(nèi)沒有達到出爐的設(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)主要負責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)精準化控制,達到最佳的燃燒狀態(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)定計算模塊主要負責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,并對其實時溫度變化進行檢測,通信管理模塊用于設(shè)定鋼坯出爐溫度[9]。除此之外,打印機以及HMI模塊為系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的輸出模塊,可進行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、型號以及目標溫度等。確定鋼坯的溫度結(jié)點分布情況,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)進行說明。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行精準的設(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,實行延時策略,通過人機交互界面進行計劃性延時。

3 加熱爐溫度數(shù)學模型構(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)學描述的方式計算加熱爐進行熱交換和熱傳導的溫度變化情況,通過差分法進行溫度求解[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行復雜條件的表達具有嚴謹性。因此以鋼坯入爐時的初始溫度作為參考,實測其溫度在裝爐過程的差值,并通過熱裝模型進行預(yù)測計算。根據(jù)步進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?shù)臏囟葌鞲衅鬟M行實時溫度測量,建立溫度測量模型,將實際測量數(shù)據(jù)與理論數(shù)值進行比較,優(yōu)化計算模型。

3.3 加熱爐溫度計算數(shù)學模型優(yōu)化方案

1)測量誤差補償

加熱爐溫度計算數(shù)學模型需要實時準確的溫度測量數(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,導致計算結(jié)果的準確性下降。因此,需要建立測量誤差補償模型,對溫度傳感器進行標定和調(diào)整,補償測量誤差、提高計算結(jié)果的準確性。

2)多物理場耦合

加熱爐溫度計算數(shù)學模型需要考慮多個物理場之間的相互作用,包括傳熱、輻射、流體動力學等,這些物理場之間的相互作用會引起溫度場變化,需要進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)性和準確性。

4)模型實時性優(yōu)化

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

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,從模型等多角度進行分析,以提升加熱爐的加熱效率,減少工業(yè)燃料的消耗。