CN106906352A - 一种轧钢加热炉钢坯混装时的加热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轧钢加热炉钢坯混装时的加热方法，该方法包括以下步骤：S1：根据钢坯信息计算单块钢坯加热时所需的炉温设定值范围；S2：判断两块要混装钢坯的炉温设定值范围是否有重叠，从而确定是否可以连续入炉；S3：若两块钢坯的炉温设定值范围有重叠，可以连续混装入炉，并确定加热炉各控制段炉温设定值；S4：若两块钢坯的炉温设定值范围无重叠，则需空位处理，并确定空位距离。本发明可以减少加热炉混装时钢坯的氧化烧损，提高钢坯加热质量，降低加热炉能耗。

Description

一种轧钢加热炉钢坯混装时的加热方法

技术领域

本发明属于加热炉优化控制领域，具体涉及一种轧钢加热炉钢坯混装时的加热方法。

背景技术

加热炉是轧钢生产的重要设备，其加热钢坯的质量直接制约着成品质量；同时，加热炉也是轧钢生产的主要耗能设备，其能耗约占整个轧钢工序的70％。加热炉生产的钢坯包括多个钢种、多种规格，钢坯的入炉温度也不尽相同，因此，加热炉生产时钢坯混装比较严重。混装时，加热炉生产要满足所有钢坯的加热要求，同时要尽量减少氧化烧损。因此，在混装较多时，往往依靠人工手动调节炉温。但人工调节存在差异性大、烧损严重、产品质量欠佳、能耗高等问题。

目前，国内就钢坯混装时的炉温设定方法提出了一些专利申请：专利CN201010144781.3提出了一种优化控制大型步进梁式加热炉板坯加热制度的模型，它优化了不同钢种钢坯的入炉顺序，并模拟了10块不同钢坯混装入炉情况下的加热过程。该方法重点研究不同钢种加热制度，提出优化的入炉顺序，但未涉及不同规格钢坯和冷热坯混装的问题。专利CN201510264736.4提出了一种冷热钢坯混装的加热炉炉温设定方法，该方法通过检测的入炉钢坯温度和钢坯在炉内位置，计算某一段内所有钢坯的入炉温度均值和出炉温度均值，共同补偿炉温设定值。该方法仅是对炉温设定值进行补偿，而且仅考虑了冷热钢坯的混装，未涉及其他混装情况。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于针对不同钢种、不同规格、不同入炉温度的钢坯混装情况提供一种加热方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种轧钢加热炉钢坯混装时的加热方法，包括以下步骤：

S1：根据钢坯信息计算单块钢坯加热时所需的炉温设定值范围；

S2：判断两块要混装的钢坯的炉温设定值范围是否有重叠，从而确定是否可以连续入炉；

S3：若钢坯的炉温设定值范围有重叠，选取重叠区域上限为炉温初设值，计算在该炉温下两块钢坯的升温情况，若两块钢坯在该炉温下都能满足其加热要求，则该炉温即为两块钢坯混装时的炉温设定值；如果不能同时满足两块钢坯的加热要求，则降低炉温，再计算新炉温下两块钢坯的升温情况；通过反复修正炉温，直到都满足两块钢坯的加热要求时，即为混装时的炉温设定值；当炉温降低到两块钢坯炉温设定值重叠区域的下限，仍无法满足两块钢坯的加热要求时，进入步骤S4；

S4：若钢坯的炉温设定值范围无重叠，则需空位处理，并确定空位距离。

步骤S1中，所述钢坯信息包括钢坯规格、加热时间、钢种、入炉温度、出炉目标温度。

步骤S1中包括以下子步骤：

S11：用一元三次函数描述钢坯升温曲线，根据工艺要求确定定解条件，求解方程组获得一组钢坯表面的升温曲线，

钢坯升温曲线描述为：T(τ)＝aτ³+bτ²+cτ+d

式中，T为钢坯温度，τ为钢坯入炉时间，a、b、c、d为待求系数；

根据钢坯入炉温度、出炉温度等可以获得以下方程组和约束条件：

式中，T₀为钢坯入炉温度，T_aim为钢坯目标温度，τs为钢坯加热时间，

求解上述方程组，可以获得一组钢坯升温曲线，为钢坯表面点升温曲线；

S12：划分网格，求解钢坯一维厚度方向的差分方程,根据钢坯表面升温曲线获得钢坯内部温度分布，钢坯一维隐式差分方程为：

式中，q_u为钢坯上表面热流密度，q_b为钢坯下表面热流密度，Fo为傅立叶数，λ为钢坯导热系数，△τ为时间步长，△y为空间步长；

S13：根据钢坯表面的升温曲线，通过边界点差分方程，反算出每一条升温曲线对应的炉温曲线，钢坯边界节点差分方程为：

式中，σ为玻尔兹曼常数，ε为综合传热系数，T_f为炉温，T_s为钢坯温度，λ为钢坯导热系数，△τ为时间步长，△y为空间步长，ρ为钢坯密度，C_P为钢坯比热；

S14：选取最高和最低两条炉温曲线作为该钢坯的炉温设定值范围；

步骤S3中，计算初选炉温下钢坯的升温过程，采用以下方法：

求解钢坯一维非稳态导热方程，获得厚度方向温度分布,钢坯加热过程导热方程为：

初始条件：τ＝0,t(0,y)＝t₀(y)

边界条件：

式中，ρ为钢坯密度，C_P为钢坯比热，λ为钢坯导热系数，t₀(y)为钢坯初始温度，q_u为钢坯上表面热流密度，q_b为钢坯下表面热流密度，H为钢坯厚度，

计算获得钢坯加热过程温度场后，根据以下两点判断钢坯是否满足加热要求：一是达到目标温度，二是断面温差在要求范围内。

步骤S4中，空位距离按下式来确定：

X＝max[L(i)]

式中，X为空位距离，L(i)为加热炉各段长度。

本发明的有益效果在于：本发明提出了一种钢坯混装时的加热方法，有利于提高钢坯的加热质量，减少氧化烧损。在确定炉温设定值时，选取满足钢坯加热要求的上限炉温，有利于提高加热炉产能，降低燃耗。

该方法抛开了不同钢种、不同规格、不同入炉温度混装的复杂分类，从钢坯的升温特性出发，适用于加热炉所有混装情况，应用面广。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明的总流程图；

图2为单块钢坯炉温设定值范围计算流程图；

图3为混装加热方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本实例中选取的加热炉有效长度为57.4m，炉膛内宽10m，共设置热回收段、预热段、一加热段、二加热段、均热段五个段，各段长度L(i)见下表。

表1加热炉各段尺寸

段名	热回收段	预热段	一加热段	二加热段	均热段
						长度/m	14.8	9.3	10.5	11.8	11.0

本实施例一种轧钢加热炉钢坯混装时的加热方法，包括以下步骤：

S1：根据钢坯信息计算单块钢坯加热时所需的炉温设定值范围；所述钢坯信息包括钢坯规格、加热时间、钢种、入炉温度、出炉目标温度。

表2钢坯信息表

名称	钢种	钢坯厚度/mm	入炉温度/℃	出炉温度/℃	加热时间/min
						钢坯1	Q345	220	20	1180	190
钢坯2	Q345	230	400	1180	190

计算过程分为以下几步：

S11：用一元三次函数描述钢坯升温曲线，根据工艺要求确定定解条件，求解方程组获得一组钢坯表面的升温曲线，

钢坯升温曲线描述为：T(τ)＝aτ³+bτ²+cτ+d

式中，T为钢坯温度，τ为钢坯入炉时间，a、b、c、d为待求系数；

根据钢坯入炉温度、出炉温度等可以获得以下方程组和约束条件：

式中，T₀为钢坯入炉温度，T_aim为钢坯目标温度，τs为钢坯加热时间，

求解上述方程组，可以获得一组钢坯升温曲线，为钢坯表面点升温曲线；

S12：划分网格，求解钢坯一维厚度方向的差分方程,根据钢坯表面升温曲线获得钢坯内部温度分布，钢坯一维隐式差分方程为：

式中，q_u为钢坯上表面热流密度，q_b为钢坯下表面热流密度，Fo为傅立叶数，λ为钢坯导热系数，△τ为时间步长，△y为空间步长；k表示时间节点,T^k和T^k+1分别表示k时刻和k+1时刻钢坯的温度；

S13：根据钢坯表面的升温曲线，通过边界点差分方程，反算出每一条升温曲线对应的炉温曲线，钢坯边界节点差分方程为：

式中，σ为玻尔兹曼常数，ε为综合传热系数，T_f为炉温，T_s为钢坯温度，λ为钢坯导热系数，△τ为时间步长，△y为空间步长，ρ为钢坯密度，C_P为钢坯比热；

S14：选取最高和最低两条炉温曲线作为该钢坯的炉温设定值范围；

S2：判断两块要混装的钢坯的炉温设定值范围是否有重叠，从而确定是否可以连续入炉；

S3：若钢坯的炉温设定值范围有重叠，选取重叠区域上限为炉温初设值，计算在该炉温下两块钢坯的升温情况，若两块钢坯在该炉温下都能满足其加热要求，则该炉温即为两块钢坯混装时的炉温设定值；如果不能同时满足两块钢坯的加热要求，则降低炉温，再计算新炉温下两块钢坯的升温情况；通过反复修正炉温，直到都满足两块钢坯的加热要求时，即为混装时的炉温设定值；当炉温降低到两块钢坯炉温设定值重叠区域的下限，仍无法满足两块钢坯的加热要求时，进入步骤S4；计算初选炉温下钢坯的升温过程，采用以下方法：

求解钢坯一维非稳态导热方程，获得厚度方向温度分布,钢坯加热过程导热方程为：

初始条件：τ＝0,t(0,y)＝t₀(y)

边界条件：

式中，ρ为钢坯密度，C_P为钢坯比热，λ为钢坯导热系数，t₀(y)为钢坯初始温度，q_u为钢坯上表面热流密度，q_b为钢坯下表面热流密度，H为钢坯厚度，

计算获得钢坯加热过程温度场后，根据以下两点判断钢坯是否满足加热要求：一是达到目标温度，二是断面温差在要求范围内。

S4：若钢坯的炉温设定值范围无重叠，则需空位处理，并确定空位距离。

空位距离按下式来确定：

X＝max[L(i)]

式中，X为空位距离，L(i)为加热炉各段长度。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种轧钢加热炉钢坯混装时的加热方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：根据钢坯信息计算单块钢坯加热时所需的炉温设定值范围；

S2：判断两块要混装的钢坯的炉温设定值范围是否有重叠，从而确定是否可以连续入炉；

S3：若钢坯的炉温设定值范围有重叠，选取重叠区域上限为炉温初设值，计算在该炉温下两块钢坯的升温情况，若两块钢坯在该炉温下都能满足其加热要求，则该炉温即为两块钢坯混装时的炉温设定值；如果不能同时满足两块钢坯的加热要求，则降低炉温，再计算新炉温下两块钢坯的升温情况；通过反复修正炉温，直到都满足两块钢坯的加热要求时，即为混装时的炉温设定值；当炉温降低到两块钢坯炉温设定值重叠区域的下限，仍无法满足两块钢坯的加热要求时，进入步骤S4；

S4：若钢坯的炉温设定值范围无重叠，则需空位处理，并确定空位距离。

2.根据权利要求1所述的一种轧钢加热炉钢坯混装时的加热方法，其特征在于：步骤S1中，所述钢坯信息包括钢坯规格、加热时间、钢种、入炉温度、出炉目标温度。

3.根据权利要求2所述的种轧钢加热炉钢坯混装时的加热方法，其特征在于：步骤S1中包括以下子步骤：

S11：用一元三次函数描述钢坯升温曲线，根据工艺要求确定定解条件，求解方程组获得一组钢坯表面的升温曲线，

钢坯升温曲线描述为：T(τ)＝aτ³+bτ²+cτ+d

式中，T为钢坯温度，τ为钢坯入炉时间，a、b、c、d为待求系数；

根据钢坯入炉温度、出炉温度等可以获得以下方程组和约束条件：

$\left\{\begin{array}{c}T\left(0\right)=d=T_0\\ T\left({\mathrm{\τ}}_s\right)={{\mathrm{a\τ}}_s}^3+{{\mathrm{b\τ}}_s}^2+{\mathrm{c\τ}}_s+d=T_{aim}\\ T^{\′}\left(\mathrm{\τ}\right)=3{\mathrm{a\τ}}^2+2b\mathrm{\τ}+c=0\end{array}\right.$

式中，T₀为钢坯入炉温度，T_aim为钢坯目标温度，τs为钢坯加热时间，

求解上述方程组，可以获得一组钢坯升温曲线，为钢坯表面点升温曲线；

S12：划分网格，求解钢坯一维厚度方向的差分方程,根据钢坯表面升温曲线获得钢坯内部温度分布，钢坯一维隐式差分方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_1^{k+1}=T_1^k+2{\mathrm{Fo}}_{1,2}\left(T_2^k-T_1^k+q_b\frac{\mathrm{\Δ}y}{{\mathrm{\λ}}_{1,2}}\right)\\ T_i^{k+1}=T_i^k+{\mathrm{Fo}}_{i,i+1}\left(T_{i+1}^k-T_i^k\right)-{\mathrm{Fo}}_{i,i+1}\left(T_i^k-T_{i-1}^k\right)\\ T_N^{k+1}=T_N^k+2{\mathrm{Fo}}_{N,N-1}\left(T_{N-1}^k-T_N^k+q_u\frac{\mathrm{\Δ}y}{{\mathrm{\λ}}_{N,N-1}}\right)\end{array}\right.$

式中，q_u为钢坯上表面热流密度，q_b为钢坯下表面热流密度，Fo为傅立叶数，λ为钢坯导热系数，△τ为时间步长，△y为空间步长；k表示时间节点,T^k和T^k+1分别表示k时刻和k+1时刻钢坯的温度；

S13：根据钢坯表面的升温曲线，通过边界点差分方程，反算出每一条升温曲线对应的炉温曲线，钢坯边界节点差分方程为：

$\mathrm{\σ}\mathrm{\ϵ}\[{\left(T_f^k\right)}^4-{\left(T_s^k\right)}^4\]=\mathrm{\λ}\frac{T_s^k-T_{s-1}^k}{\mathrm{\Δ}y}+{\mathrm{\ρC}}_p\frac{\mathrm{\Δ}y}{2}\frac{T_s^{k+1}-T_s^k}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}}$

式中，σ为玻尔兹曼常数，ε为综合传热系数，T_f为炉温，T_s为钢坯温度，λ为钢坯导热系数，△τ为时间步长，△y为空间步长，ρ为钢坯密度，C_P为钢坯比热；

S14：选取最高和最低两条炉温曲线作为该钢坯的炉温设定值范围；

步骤S3中，计算初选炉温下钢坯的升温过程，采用以下方法：

求解钢坯一维非稳态导热方程，获得厚度方向温度分布,钢坯加热过程导热方程为：

$\mathrm{\ρ}Cp\frac{\∂t}{\∂\mathrm{\τ}}=\frac{\∂}{\∂x}\[\frac{\∂}{\∂y}\[\mathrm{\λ}\left(t\right)\frac{\∂t}{\∂y}\]$

初始条件：τ＝0,t(0,y)＝t₀(y)

边界条件：y＝0,

y＝H,

式中，ρ为钢坯密度，C_P为钢坯比热，λ为钢坯导热系数，t₀(y)为钢坯初始温度，q_u为钢坯上表面热流密度，q_b为钢坯下表面热流密度，H为钢坯厚度，

计算获得钢坯加热过程温度场后，根据以下两点判断钢坯是否满足加热要求：一是达到目标温度，二是断面温差在要求范围内。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种轧钢加热炉钢坯混装时的加热方法，其特征在于：空位距离按下式来确定：

X＝max[L(i)]

式中，X为空位距离，L(i)为加热炉各段长度。