一种连续退火炉动态加热过程中带钢温度的优化控制方法技术

本发明专利技术公开了一种连续退火炉动态加热过程中带钢温度的优化控制方法，属于钢铁智能制造技术领域，本发明专利技术通过构建退火炉加热段全炉带钢温度分布计算模型、加热段各列辐射管温度的动态优化设定模型，实现加热段精准控温、带钢加热模式主动优化和动态定制，对实际生产中黑匣子退火炉加热过程的可视化、提高加热段出口带钢温度在退火温度要求范围内的命中率、节能降本增效等具有重要意义，可推广到任何连续退火炉、各类不同工况下的带钢温度精确预测、动态热跟踪和实时可视化，从而实现加热段精准控温、带钢加热模式主动优化和动态定制，对实际生产过程工艺和操作优化、提高加热段出口带钢温度在退火温度要求范围内的命中率、节能降本增效等具有重要意义。本增效等具有重要意义。本增效等具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种连续退火炉动态加热过程中带钢温度的优化控制方法


[0001]本专利技术涉及钢铁智能制造
，具体涉及一种连续退火炉动态加热过程中带钢温度的优化控制方法。

技术介绍

[0002]连续退火炉是冷轧带钢生产中重要的热处理工序，通过连续退火炉进行带钢再结晶器退火，可消除冷轧过程的加工硬化和残余应力，恢复钢的塑性变形能力，改善钢的性能。很多高级别带钢产品都必须要经过连续退火处理，比如汽车用板、家电用板和电工用板等，以提高产品质量和市场竞争力。连续退火炉一般由预热段、辐射管加热段、均热段、缓冷段、闪冷段、过时效段和终冷段等工序组成。冷的带钢从进炉到出炉，需要通过高速(目前工艺速度已超过350m/min)运行，来完成这样一个很长的连续热处理过程，炉内带钢长度甚至达2000m以上。其中，连续退火炉动态加热过程主要是在辐射管加热段。在立式退火炉中，带钢温度控制是热处理过程的核心。而辐射管加热段是其中热惯性最大的炉段，炉子的热惯性时间远大于带钢在炉内驻留的时间，而且结构复杂、距离长、高温、传热特性复杂，使得辐射管加热段带钢温度控制呈现出非线性、大滞后的特点，再加上带钢规格和速度等工艺参数的频繁变化，使加热段带钢温度控制的扰动因素增加。
[0003]连续退火炉辐射管加热段的结构和工艺使其呈现出复杂的热工行为和动态特性，造成其带钢温度控制具有非线性、大滞后、时变性和多干扰特点，同时辐射管加热段温度控制的效果会直接影响到退火后带钢产品质量和性能，所以，辐射管加热段成为了整个连续退火炉中带钢温度最难控制但也是最重要的炉段。实现加热段带钢温度精确控制至关重要，目前退火炉内的带钢温度不易连续精确测量，要实现带温控制必须借助精确的带钢温度计算模型，通过带钢温度计算模型进行炉内带钢温度分布的准确预测对带钢连续退火炉的设计、离线分析、在线控制具有重要意义。因此，如何对连续退火炉加热过程带钢温度分布准确计算和动态跟踪，实现精准控温，是目前亟待解决的技术问题。为此，提出一种连续退火炉动态加热过程中带钢温度的优化控制方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题在于：如何对连续退火炉加热过程带钢温度分布准确计算和动态跟踪，实现精准控温，提供了一种连续退火炉动态加热过程中带钢温度的优化控制方法，通过构建退火炉加热段全炉带钢温度分布计算模型、加热段各列辐射管温度的动态优化设定模型，实现加热段精准控温、带钢加热模式主动优化和动态定制，具备理论可靠，切合实际，计算准确，适用性强的优良特性，对实际生产中黑匣子退火炉加热过程的可视化、提高加热段出口带钢温度在退火温度要求范围内的命中率、节能降本增效等具有重要意义。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本专利技术包括以下步骤：
[0006]包括以下步骤：
[0007]S1：构建加热段全炉带钢温度分布计算模型，确定模型设计的基本参数与定解条件，采用传热反问题方法在线校正加热段全炉带钢温度分布计算模型；
[0008]S2：构建加热段各列辐射管温度的动态优化设定模型，优化并选择满足热处理工艺要求的不同加热模式。
[0009]更进一步地，所述步骤S1包括以下子步骤：
[0010]S11：针对实际带钢连续退火炉动态加热过程的结构、工艺、设备和自动控制系统，确定加热段内部辐射管布置和结构尺寸、带道长度和数量、带钢产品规格和钢种、工艺速度、炉墙内部材质、传热特点；
[0011]S12：设定加热段带钢温度分布计算模型的相关基础参数，包括带钢、辐射管和炉墙黑度、带钢密度和带钢比热容；
[0012]S13：根据加热段辐射管布置和炉膛结构，将加热段分成多个封闭计算区域和带钢单元；
[0013]S14：沿着带钢长度方向假设一种初始温度分布X
p
，进行加热段全炉带钢温度分布初始化，即T
p
'＝X
p
，其中p＝0,1,2,...，加热段全炉带钢上共离散为p+1个点，T
p
'为初始化的加热段全炉带钢温度分布；
[0014]S15：对于每个带钢单元i，进行热流密度计算，其中i＝1,2,...；
[0015]S16：基于传热学理论，对每个带钢单元依次进行热平衡关系计算，由带钢单元接收的热量等于带钢单元升温所需热量，计算得到带钢单元端点温度T
i+1
，如下式所示：
[0016][0017]式中，T
i
和T
i+1
分别是第i带钢单元起点和端点的温度，其中第i带钢单元起点即i点，端点即i+1点；q
i
为第i带钢单元左右两侧表面总共接收到的热流密度，为第i带钢单元左右两侧表面的辐射热流密度和对流热流密度之和；ΔL
i,i+1
为第i带钢单元上i点到i+1点的距离；ρ
s
为带钢的密度；C
s,i
为第i带钢单元的比热容，取第i带钢单元的平均温度求得比热容；δ
s
为第i带钢单元的厚度，u
s
为带钢速度；
[0018]S17：通过在加热段入口和出口安装的红外辐射高温计实时测量入炉和出炉处高速运行的带钢温度，采用热电偶实时测量各列辐射管热点温度和炉膛温度，获得入炉和出炉带温、各列辐射管温度、炉温、带钢速度、带钢规格实测数据，采用传热反问题方法在线实时校正加热段全炉带钢温度分布计算模型，对模型参数进行自学习修正，以自适应实际炉况的变化，其中，传热反问题方法是指根据加热段全炉带钢温度分布计算模型求解算出的出炉带温与实测出炉带温比较，来反推模型参数修正量。
[0019]S18：根据实时测量的模型输入参数，包括带钢宽度、厚度和速度、加热段入口带钢温度、各列辐射管温度和各区域炉温，以一定时间周期实时预测全炉带钢温度分布，实现带钢温度分布变化的动态跟踪。
[0020]更进一步地，在所述步骤S13中，封闭计算区域分为两种，第一种为包含辐射管的区域，第二种为不包含辐射管的区域，每个封闭计算区域由左侧带钢表面、右侧带钢表面、辐射管表面、炉墙和多个假想面构成。
[0021]更进一步地，在所述步骤S14中，初始化的加热段全炉带钢温度分布采用理论退火温度曲线上的对应位置温度数据，所述理论退火温度曲线是指从带钢入炉温度到期望出炉
温度的线性加热曲线。
[0022]更进一步地，在所述步骤S15中，每个带钢单元接收的热流密度包括辐射热流密度与对流热流密度，所述辐射热流密度即带钢单元左右两表面的净辐射换热量，所述对流热流密度即炉气与带钢单元之间的对流换热量；
[0023]其中，辐射热流密度计算需要根据已经划分好的带钢单元左右两侧封闭计算区域，进行每个封闭计算区域的辐射换热计算，计算过程如下：
[0024]S1501：确定该封闭计算区域共有多少个表面组成，形成一个封闭的辐射换热系统，记这个表面数量为n；
[0025]S1502：采用Monte Carlo法计算内该封闭计算区域内每两个表面之间的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种连续退火炉动态加热过程中带钢温度的优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：构建加热段全炉带钢温度分布计算模型，确定模型设计的基本参数与定解条件，采用传热反问题方法在线校正加热段全炉带钢温度分布计算模型；S2：构建加热段各列辐射管温度的动态优化设定模型，优化并选择满足热处理工艺要求的不同加热模式。2.根据权利要求1所述的一种连续退火炉动态加热过程中带钢温度的优化控制方法，其特征在于：所述步骤S1包括以下子步骤：S11：针对实际带钢连续退火炉动态加热过程的结构、工艺、设备和自动控制系统，确定加热段内部辐射管布置和结构尺寸、带道长度和数量、带钢产品规格和钢种、工艺速度、炉墙内部材质、传热特点；S12：设定加热段带钢温度分布计算模型的相关基础参数，包括带钢、辐射管和炉墙黑度、带钢密度和带钢比热容；S13：根据加热段辐射管布置和炉膛结构，将加热段分成多个封闭计算区域和带钢单元；S14：沿着带钢长度方向假设一种初始温度分布X
p
，进行加热段全炉带钢温度分布初始化，即T
p
'＝X
p
，其中p＝0,1,2,...，加热段全炉带钢上共离散为p+1个点，T
p
'为初始化的加热段全炉带钢温度分布；S15：对于每个带钢单元i，进行热流密度计算，其中i＝1,2,...；S16：基于传热学理论，对每个带钢单元依次进行热平衡关系计算，由带钢单元接收的热量等于带钢单元升温所需热量，计算得到带钢单元端点温度T
i+1
，如下式所示：式中，T
i
和T
i+1
分别是第i带钢单元起点和端点的温度，其中第i带钢单元起点即i点，端点即i+1点；q
i
为第i带钢单元左右两侧表面总共接收到的热流密度，为第i带钢单元左右两侧表面的辐射热流密度和对流热流密度之和；ΔL
i,i+1
为第i带钢单元上i点到i+1点的距离；ρ
s
为带钢的密度；C
s,i
为第i带钢单元的比热容，取第i带钢单元的平均温度求得比热容；δ
s
为第i带钢单元的厚度，u
s
为带钢速度；S17：通过在加热段入口和出口安装的红外辐射高温计实时测量入炉和出炉处高速运行的带钢温度，采用热电偶实时测量各列辐射管热点温度和炉膛温度，获得入炉和出炉带温、各列辐射管温度、炉温、带钢速度、带钢规格实测数据，采用传热反问题方法在线实时校正加热段全炉带钢温度分布计算模型，对模型参数进行自学习修正，以自适应实际炉况的变化，其中，传热反问题方法是指根据加热段全炉带钢温度分布计算模型求解算出的出炉带温与实测出炉带温比较，来反推模型参数修正量。S18：根据实时测量的模型输入参数，包括带钢宽度、厚度和速度、加热段入口带钢温度、各列辐射管温度和各区域炉温，以一定时间周期实时预测全炉带钢温度分布，实现带钢温度分布变化的动态跟踪。3.根据权利要求2所述的一种连续退火炉动态加热过程中带钢温度的优化控制方法，
其特征在于：在所述步骤S13中，封闭计算区域分为两种，第一种为包含辐射管的区域，第二种为不包含辐射管的区域，每个封闭计算区域由左侧带钢表面、右侧带钢表面、辐射管表面、炉墙和多个假想面构成。4.根据权利要求3所述的一种连续退火炉动态加热过程中带钢温度的优化控制方法，其特征在于：在所述步骤S14中，初始化的加热段全炉带钢温度分布采用理论退火温度曲线上的对应位置温度数据，所述理论退火温度曲线是指从带钢入炉温度到期望出炉温度的线性加热曲线。5.根据权利要求4所述的一种连续退火炉动态加热过程中带钢温度的优化控制方法，其特征在于：在所述步骤S15中，每个带钢单元接收的热流密度包括辐射热流密度与对流热流密度，所述辐射热流密度即带钢单元左右两表面的净辐射换热量，所述对流热流密度即炉气与带钢单元之间的对流换热量；其中，辐射热流密度计算需要根据已经划分好的带钢单元左右两侧封闭计算区域，进行每个封闭计算区域的辐射换热计算，计算过程如下：S1501：确定该封闭计算区域共有多少个表面组成，形成一个封闭的辐射换热系统，记这个表面数量为n；S1502：采用Monte Carlo法计算内该封闭计算区域内每两个表面之间的辐射换热角系数f
ik
，则i表面的有效辐射J
i
通过下式表示：其中，σ为Stefan
‑
Boltzmann常数，ε
i
为i表面黑度，T
i
为i表面温度，f
ik
为i表面到k表面的角系数；上式为n个方程和n个未知的有效辐射J
i
组成的方程组，采用迭代法可求出任意i表面的有效辐射J
i
；S1503：根据下式计算净辐射热流密度q
i
，进而可得到每个带钢单元左右两表面的辐射热流密度：对流热流密度的计算过程如下：S1511：按照流体外掠平板的情况计算带钢单元与炉气...

【专利技术属性】
技术研发人员：何飞，何婷，刘港，刘永蕾，戴兆汉，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：