鞍钢线材厂加热炉工艺过程优化控制系统研制报告

1鞍钢线材厂加热炉工艺过程优化控制系统研制报告鞍山市戴维冶金科技开发有限公司2009-122目录1.研制背景..............................................32.鞍钢线材厂加热炉系统..................................43.研究工作内容..........................................53.1系统设计原理.........................................53.2系统的模型组成.......................................63.3专家系统知识库.....................................203.3.1制定待轧策略的原则................................253.3.2待轧时加热炉炉温的设定策略.........................254.轧机电流.............................................305.研究不同热工参数对氧化烧损、能源消耗的影响。.........316.使用效果评价.........................................337.经济效益.............................................34鞍钢线材厂加热炉工艺过程优化控制系统研发及验收报告鞍山戴维冶金科技开发有限公司3鞍钢线材厂加热炉工艺过程优化控制系统研制报告1.研制背景轧钢加热炉是一个典型的复杂工业过程控制系统，它几乎具备了复杂系统的所有特性，即建模困难、干扰严重，而且具有多变量、时变、非线性、耦合、大惯性兼滞后等特点。国际上对加热炉的优化控制开始于70年代，盛于80年代。国内从80年代开始对这方面进行研究。以前人们对加热炉优化控制研究主要集中在钢坯的升温过程的数学模型、炉温优化设定以及燃烧控制，近年来智能控制技术正逐步被应用到加热炉炉温控制中。由于加热炉内的钢坯温度很难在线测量，尤其是钢坯内部的温度无法直接测量，通常都是用计算机对钢坯在炉内的升温过程进行计算，过去这方面通常采用多元回归的方法。例如武汉钢铁公司引进的热连轧加热炉钢坯升温控制数学模型。多元回归模型的缺点是准确性不高，特别是生产条件与轧制节奏发生变化时。另外，有人应用分布参数理论建立了数学模型，并通过近似集中参数模型研究加热炉的静态、动态优化。但是这种方法的缺点是计算工作量很大，要实现计算机实时估计及控制，需要相当规模的控制计算机。近几年，随着加热炉生产工艺的不断完善和优化，加热炉生产自动化控制水平也相应提高和不断深入。一般来说，自动化控制系统分为制造执行系统、过程控制系统和基础自动化系统三级。其中，过程控制级(也称为二级或U)主要完成物料跟踪、过程控制参数设定计算、质量数据收集与分析，以及操作指导等任务，包括加热炉过程控制计算机和轧线过程控制计算机两个系统。目前，面向节能降耗、提高轧制产品质量和产量设计的加热炉二级计算机控制系统已广泛地应用于现代钢铁企业的加热炉生产控制中。目前，欧美一些国家、日本、俄罗斯等国己相继开发了具有钢坯位置跟踪、钢坯温度跟踪、装出炉自动化控制、终轧温度控制等功能的二级优化控制系统。一些带有整个生产线物料跟踪的高度自动化的加热炉自动控制系统的研究和实践也己逐渐深入和提高。在国内，多数工业炉窑计算机控制处于燃烧控制的第一层次.虽然数学模型的研究工作起步较早，但实现数学模型优化控制的工程实践尚且较少。从2003年以来鞍钢线材厂加热炉管道、烧嘴进行了改造，燃料由原有的重油该为高、焦混合煤气，增加了自动化检测和调节装置实现了一级燃烧基础自动化控制，并在此基础上，于2004年新增了加热炉加热过程智能控制系统。近年来，为了提高产品鞍钢线材厂加热炉工艺过程优化控制系统研发及验收报告鞍山戴维冶金科技开发有限公司4的市场竞争力，鞍钢线材厂在增加产品品种的同时，对产品的质量和性能、节能减排都提出了较高的要求，拟定在原有的加热炉加热过程智能控制系统的基础上针对现有产品品种结构、节能减排指标提出进一步完善要求，并在此研究工作中积累新线加热炉设计、生产的一些改进经验。2.鞍钢线材厂加热炉系统线材厂梁底组合步进式加热炉的结构简图如图2.1所示。该加热炉沿着炉长方向分为预热段、下加热段、上加热段和均热段，其中预热段的长度比较长，主要是为了充分利用烟气的热量来预热钢坯，从而提高燃料的利用率。为了将钢坯加热到规定的目标温度，加热炉以高焦混合煤气做为燃料，通过下加热段、上加热段和均热段对钢坯进行加热。在进行炉温控制的时候，预热段内没有设置烧嘴不参与控制，下加热段、上加热段和均热段各段的均都设有烧嘴，加热炉分为5个控制区域进行控制，分别为下加热段、上加热段、均左段、均中段、均右段。钢坯的加热过程所述如下:首先，推钢机将钢坯推入炉内，加热炉的步进梁伸到钢坯底部将钢坯托起、前进、下降，将钢坯放到固定梁上，步进梁接着下降脱离钢坯，然后退到下一块钢坯的底部，再依次重复上述的托起、前进、下降、脱离、后退等步骤，将下一块钢坯装入炉内，如此反复的运动，使得钢坯在炉内能够步进式地前进，从预热段经下加热段、上加热段和均热段的加热，最终送到出炉端，然后由出钢机将钢坯推入轧机进行轧制。加热炉的热工制度主要包括温度制度、燃料燃烧制度和炉压制度等。为了保证燃鞍钢线材厂加热炉工艺过程优化控制系统研发及验收报告鞍山戴维冶金科技开发有限公司5烧的正常进行，加热炉采用了双交叉限幅燃烧控制系统与具备动态补偿功能的炉压控制系统，同时对煤气的、压力与空气的温度、压力以及热风放散温度分别进行控制。在生产线上，加热炉应该在保证向轧机提供符合工艺要求的钢坯，同时尽可能地降低加热炉的能耗和钢坯的损耗，因而目前很多钢厂普遍采用低温出钢的方法对钢坯进行加热。通过这种方式不仅可以降低加热炉的加热能耗，而且对于延长加热炉的使用寿命、减少炉体的渣量和清渣作业都是很有利的。由于钢坯的成本较高，因此应在加热过程中尽量减少钢坯的烧损和氧化铁皮以及防止脱碳等情况的发生就显得尤为重要。3.研究工作内容3.1系统设计原理轧钢加热炉是轧钢生产过程的重要环节，其控制的主要任务是按照轧制生产作业计划，克服坯料钢种尺寸、出钢节奏、燃料热值、入炉钢温等工艺参数条件急剧、大幅度、频繁变化的干扰，将钢坯加热到轧制工艺要求温度水平，并在确保高产优质的情况下，尽可能的降低燃料消耗，减少钢坯氧化烧损消耗。由于炉内钢坯温度分布的不可测性、加热炉的大热容量和多扰动、时变非线性等特征，构成了一类典型的复杂工业大系统；另一方面随着现代大型轧机的高速化、自动化、高精度和多品种，不仅要求加热炉的温度制度迅速而严格地变化，而且要求控制出炉钢坯奥氏体状态。鉴于优质加热过程优化控制规律十分复杂，较为完备的数学模型不宜建立，现场炉温、燃料流量、热值计量仪表的检测精度、轧制节奏、生产方式都难满足数学模型控制的要求。本系统将数学模型与人工智能相结合，基于专家规则与热工机理建立了加热炉加热过程智能优化控制系统，通过对加热钢坯加热曲线的优化，得出合理的钢坯的加热曲线，调用炉内钢坯温度计算模型计算钢坯温度分布是否满足优化后的加热曲线，直到得出最佳的炉温分布，根据不同的优化目标预估值建立专家系统知识库，并针对生产实际情况中钢坯炉内位置分布情况的复杂性，建立专家控制规则集，以实现对加热炉加热过程的合理控制。系统引入轧制产品规格、坯料钢质、外型尺寸（薄厚、长短、宽窄）、批量（数量）、炉内加热温度曲线、加热时间、开轧（出炉）温度、轧制节奏（波动幅度大且无计划、无规律）等八类定性工艺信息，涵盖生产过程中在线实时几百个动态变化信息，纳入模型控制系统。系统由主控模型和基于传感器在线实时的入炉温度变化调节、鞍钢线材厂加热炉工艺过程优化控制系统研发及验收报告鞍山戴维冶金科技开发有限公司6轧制节奏变化调节、钢坯开轧温度反馈调节，停、待轧调节、空燃比例调节等辅助动态优化调节模型组合而成，从而大大提高模型控制系统的灵活性、适用性。3.2系统的模型组成系统采用模块化设计方法，系统模型（模块）组成如下：主模型辅助模型炉内钢坯温度预报模型炉温优化设定模型专家系统知识库专家系统规则集专家系统推理机钢坯位置跟踪模块；入炉温度变化模块；煤气热值变化调节模块；空燃比例调节模块；轧制节奏变化模块；开轧温度反馈控制模块；燃烧控制模块；待轧及事故处理模块；智能模型优化模块；统计分析模块等；网络通讯模块；主模型：◆炉内钢坯温度预报模型由于钢坯内部温度不能够被直接检测，系统采用FACC(FurnaceAutomaticCombustionControl的缩写)模型中钢坯温度计算模块，根据钢坯装炉时的处理信息,计算钢坯装入时的温度并建立钢坯热跟踪初始数据;然后利用加热炉热电偶实测的炉温,采用中心差分计算模型,推算各钢坯当前时刻所在位置的炉气温度以及上一时刻钢坯的内部温度分布。鞍钢线材厂加热炉工艺过程优化控制系统研发及验收报告鞍山戴维冶金科技开发有限公司7板坯入炉温度计算：鞍钢线材厂加热炉工艺过程优化控制系统研发及验收报告鞍山戴维冶金科技开发有限公司8鞍钢线材厂加热炉工艺过程优化控制系统研发及验收报告鞍山戴维冶金科技开发有限公司9鞍钢线材厂加热炉工艺过程优化控制系统研发及验收报告鞍山戴维冶金科技开发有限公司10鞍钢线材厂加热炉工艺过程优化控制系统研发及验收报告鞍山戴维冶金科技开发有限公司11鞍钢线材厂加热炉工艺过程优化控制系统研发及验收报告鞍山戴维冶金科技开发有限公司12鞍钢线材厂加热炉工艺过程优化控制系统研发及验收报告鞍山戴维冶金科技开发有限公司13鞍钢线材厂加热炉工艺过程优化控制系统研发及验收报告鞍山戴维冶金科技开发有限公司14通过钢温预报模型计算，建立了加热炉炉膛温度与通条温差间的关系，如图所示：1000120011801110106011200100200300400500600700800900100011001200130014000102030405060708090100110120钢坯在炉时间炉气温度头部温度黑印温度尾部温度图3-1φ5.5帘线钢出炉温度1090℃时温度曲线0102030405060708090100110120炉气温度24348654870100011161176118812001198119511881180头部温度2814526042059171381192810201040105610921110黑印温度18132228372540654744858954984100210401060尾部温度28149273436611728822938103110561068110011201000120012201130107011400100200300400500600700800900100011001200130014000102030405060708090100110120钢坯在炉时间炉气温度头部温度黑印温度尾部温度图3-2一组钢出炉温度1110℃时的温度曲线鞍钢线材厂加热炉工艺过程优化控制系统研发及验收报告鞍山戴维冶金科技开发有限公司150102030405060708090100110120炉气温度24348654870100011161176120612201212120612001200头部温度2814526042060172085599210531077108410981130黑印温度181322283725406547809129781008102010401070尾部温度281492734366137328671002106210861094112011401000122012401160109011700100200300400500600700800900100011001200130014000102030405060708090100110120钢坯在