本發(fā)明涉及冶金自動化過程控制領(lǐng)域，具體地，特別涉及一種板坯溫度預(yù)報模型及爐溫優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

隨著我國市場經(jīng)濟的發(fā)展，鋼鐵企業(yè)在國民經(jīng)濟發(fā)展中占據(jù)著越來越重要的位置。鋼鐵工業(yè)是能源消耗的大戶，因此展開對鋼鐵工業(yè)的節(jié)能減排工作顯得越來越重要。加熱爐是鋼鐵工業(yè)軋鋼廠中生產(chǎn)線關(guān)鍵設(shè)備之一，是鋼鐵工業(yè)中主要的耗能設(shè)備，提高加熱爐熱效率、降低加熱爐能耗能夠大幅度減少鋼鐵工業(yè)的能源消耗。

加熱爐控制的主要目標(biāo)是對爐溫的實時控制，其主要根據(jù)加熱爐內(nèi)板坯在加熱過程中的溫度分布情況進行控制。對爐溫進行優(yōu)化控制的目的是運用合理的加熱制度加熱板坯，使其出爐后達到軋制所要求的溫度分布，從而提高鋼材質(zhì)量。但是，由于在實際生產(chǎn)過程中無法實現(xiàn)板坯溫度的實時檢測，因此建立準(zhǔn)確的板坯溫度預(yù)報模型對于加熱爐的爐溫實時控制顯得極為重要。隨著技術(shù)的革新，關(guān)于板坯加熱溫度控制的理論研究層出不窮，爐溫自動控制的理論研究也達到了相當(dāng)高的程度，但實際生產(chǎn)過程中應(yīng)用的效果并不是十分理想。很多爐子具備二級控制系統(tǒng)，但由于二級數(shù)學(xué)模型計算的結(jié)果并不準(zhǔn)確，導(dǎo)致很大程度仍是依靠操作工手動進行爐溫控制。

目前，對加熱爐內(nèi)板坯溫度預(yù)報模型的研究方法，主要包括利用計算流體動力學(xué)CFD對加熱爐內(nèi)的溫度場進行仿真模擬的方法以及通過對板坯傳熱的基本數(shù)學(xué)物理方程進行數(shù)值求解的方法。CFD方法主要用于描述加熱爐內(nèi)溫度場、速度場的穩(wěn)態(tài)過程，而數(shù)值方法可以用于預(yù)測板坯在加熱爐內(nèi)的加熱過程。現(xiàn)有對加熱爐內(nèi)板坯加熱過程的溫度預(yù)報模型的研究，通常忽略了水梁對板坯溫度分布的影響，使得溫度預(yù)報模型得到的板坯在加熱爐內(nèi)的升溫曲線與實測值有較大偏差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于以上問題，本發(fā)明的目的是提供一種板坯溫度預(yù)報模型及爐溫優(yōu)化方法，對加熱爐內(nèi)爐溫進行優(yōu)化控制，得到最優(yōu)的爐溫分布曲線，提高運算效率，降低能耗，且在板坯溫度預(yù)報模型中，考慮到水梁對板坯加熱的影響，以解決得到的板坯加熱過程升溫曲線與實測值偏差較大的問題。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下的技術(shù)方案：

本發(fā)明所述爐溫優(yōu)化方法，包括：輸入坯料和加熱爐相關(guān)參數(shù)，以能耗最低作為爐溫優(yōu)化控制的目標(biāo)函數(shù)，并確定約束條件，采用啟發(fā)式權(quán)遺傳算法進行尋優(yōu)，輸出最優(yōu)的爐溫分布曲線。

優(yōu)選的，目標(biāo)函數(shù)為坯料表面溫度與加熱爐爐長所圍面積最小，

式中，J為目標(biāo)函數(shù)；L為加熱爐爐長，m；T_s(l)為坯料在加熱爐爐長為l處的表面溫度，℃；

其中，約束條件包括：坯料的最大升溫速度、坯料的最大斷面溫差、坯料出爐溫度與目標(biāo)出爐溫度的最大差值以及爐溫上、下限；

坯料和加熱爐相關(guān)參數(shù)包括：坯料材質(zhì)規(guī)格、入爐溫度、出爐溫度、生產(chǎn)節(jié)奏、加熱爐爐長、水梁位置、熱電偶位置、加熱時間。

優(yōu)選的，啟發(fā)式權(quán)遺傳算法包括以下步驟：

(1)隨機生成初始種群；

(2)判斷是否滿足迭代停止條件，若滿足，則輸出爐溫分布；若不滿足，則進行步驟(3)；

(3)隨機采樣選取兩個父代；

(4)啟發(fā)式交叉生成兩個子代；

(5)計算爐溫分布曲線；

(6)計算坯料熱流密度和溫度場；

(7)評價、父子競爭排序生成新種群；

(8)基于適應(yīng)度差值查重生成新的個體；

(9)判斷是否達到設(shè)定的迭代次數(shù)，若未達到設(shè)定迭代次數(shù)，則返回至步驟(2)，若達到設(shè)定迭代次數(shù)，則直接輸出。

本發(fā)明所述一種基于上述爐溫優(yōu)化方法的板坯溫度預(yù)報模型，包括，

在加熱爐中分布有活動梁，且活動梁中設(shè)置有水梁，

選取計算域，且計算域?qū)⑺喊谄渲校紤]到水梁對爐內(nèi)板坯升溫的影響；

建立板坯內(nèi)部導(dǎo)熱的二維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程；

設(shè)置邊界條件：

板坯上表面采用綜合熱流密度邊界條件，

板坯下表面與水梁滑塊接觸位置處采用第三類邊界條件，

板坯下表面其他位置采用綜合熱流密度邊界條件，

式中，為熱流密度，W/m²；σ為玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10^-8W/(m²·K⁴)；φ_CF為總括熱吸收率；h為換熱系數(shù)，W/(m²·K)；T_f為爐溫，K；T_s為板坯表面溫度，K；T_w為水梁內(nèi)的水溫，K；

計算域左右兩側(cè)采用絕熱邊界條件；

求解方程。

進一步地，對計算域進行網(wǎng)格劃分時，在板坯下表面與水梁滑塊接觸位置處對網(wǎng)格進行加密，其他位置成比例疏松網(wǎng)格。

進一步地，通過黑匣子實驗測量上下爐膛的總括熱吸收率，以及板坯與水梁接觸時的換熱系數(shù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果：

一、本發(fā)明采用坯料表面溫度與爐長所圍面積最小作為爐溫優(yōu)化控制的目標(biāo)函數(shù)，以坯料的最大斷面溫差、最大升溫速度、坯料出爐溫度與目標(biāo)出爐溫度的最大差值以及爐溫上下限作為約束條件，利用啟發(fā)式權(quán)遺傳算法進行尋優(yōu)，最終獲得最優(yōu)的爐溫分布曲線，使得加熱爐的能耗達到最低。

二、本發(fā)明基于爐溫優(yōu)化方法的板坯溫度預(yù)報模型，將水梁對板坯換熱的影響考慮在內(nèi)，使得模型計算得到的板坯升溫曲線與實測值更加接近，能夠起到準(zhǔn)確的溫度預(yù)報，提高板坯的加熱質(zhì)量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述爐溫優(yōu)化方法；

圖2是本發(fā)明所述啟發(fā)式權(quán)遺傳算法的流程框圖；

圖3是本發(fā)明所述板坯溫度預(yù)報模型示意圖；

具體實施方式

現(xiàn)結(jié)合附圖，對本發(fā)明做進一步的說明，以便于本發(fā)明更加清楚和易于理解。

圖1是本發(fā)明所述爐溫優(yōu)化方法。如圖1所示，爐溫優(yōu)化方法包括：

輸入坯料和加熱爐相關(guān)參數(shù)，以能耗最低作為爐溫優(yōu)化控制的目標(biāo)函數(shù)，并確定約束條件，采用啟發(fā)式權(quán)遺傳算法進行尋優(yōu)，輸出最優(yōu)的爐溫分布曲線。

其中，坯料和加熱爐相關(guān)參數(shù)包括：坯料材質(zhì)規(guī)格、入爐溫度、出爐溫度、生產(chǎn)節(jié)奏、加熱爐爐長、水梁位置、熱電偶位置、加熱時間；目標(biāo)函數(shù)為坯料表面溫度與加熱爐爐長所圍面積最?。患s束條件包括：坯料的最大升溫速度、坯料的最大斷面溫差、坯料出爐溫度與目標(biāo)出爐溫度的最大差值以及爐溫上、下限；

具體表述為：

式中，J為目標(biāo)函數(shù)；L為加熱爐爐長，單位m；T_s(l)為坯料在加熱爐爐長為l處的表面溫度，單位℃；

約束條件表述為：

a)

b)T_s(t)-T_c(t)≤ΔT_s(max)

c)|T_s(t_n)-T_a|≤ΔT

d)T_fmin(t_i)≤T_f(t_i)≤T_fmax(t_i)

式中，T_s為坯料表面溫度，單位℃；T_c為坯料中心溫度，單位℃；T_f為爐溫，單位℃；t為坯料在爐內(nèi)的加熱時間，單位s；為坯料的最大升溫速度，單位℃/s；ΔT_s(max)為坯料的最大斷面溫差，單位℃；T_a為坯料目標(biāo)出爐溫度，單位℃；T_fmin和T_fmax分別為爐溫的下限和上限溫度，單位℃；ΔT為坯料出爐溫度與目標(biāo)出爐溫度的最大差值，單位℃；

其中，坯料在此時刻的表面溫度由前一時刻的坯料表面溫度與此時刻的爐溫計算得到，具體表述為：

T_s(t+Δt)＝F(T_s(t),T_f(t+Δt))

圖2是本發(fā)明所述啟發(fā)式權(quán)遺傳算法的流程框圖。如圖2所示，啟發(fā)式權(quán)遺傳算法包括以下步驟：

(1)隨機生成初始種群；

(2)判斷是否滿足迭代停止條件，若滿足，則輸出爐溫分布；若不滿足，則進行步驟(3)；

(3)隨機采樣選取兩個父代；

(4)啟發(fā)式交叉生成兩個子代；

(5)計算爐溫分布曲線；

(6)計算坯料熱流密度和溫度場；

(7)評價、父子競爭排序生成新種群；

(8)基于適應(yīng)度差值查重生成新的個體；

(9)判斷是否達到設(shè)定的迭代次數(shù)，若未達到設(shè)定迭代次數(shù)，則返回至步驟(2)，若達到設(shè)定迭代次數(shù)，則直接輸出。

實施例一

結(jié)合國內(nèi)某鋼廠2250軋線2#板坯加熱爐工程實例，對本發(fā)明所述爐溫優(yōu)化方法做進一步說明。其中，2250軋線2#板坯加熱爐為五段步進梁加熱爐，分為熱回收段、預(yù)熱段、加熱一段、加熱二段和均熱段。

根據(jù)該加熱爐生產(chǎn)的板坯的材質(zhì)、規(guī)格、入爐溫度、生產(chǎn)節(jié)奏等參數(shù)作為爐溫優(yōu)化的輸入項，爐溫優(yōu)化曲線作為輸出項。將爐長與板坯表面溫度所圍成的面積最小作為目標(biāo)函數(shù)，將最大斷面溫差、最大升溫速度、出爐溫度與目標(biāo)出爐溫度最大差值以及爐溫上下限作為約束條件，采用啟發(fā)式權(quán)算子對爐溫曲線進行優(yōu)化。

以加熱兩種不同厚度的板坯為例，板坯厚度分別為180mm和230mm，設(shè)置相同的板坯入爐溫度均為20℃，板坯出爐溫度均為1250℃，得到各加熱爐段溫度分布如下：

板坯在加熱爐內(nèi)的熱交換過程是爐內(nèi)氣體流動和燃燒放熱、輻射熱交換等因素的耦合作用，由于爐內(nèi)火焰溫度和爐氣溫度很高，因此輻射熱交換占主導(dǎo)地位。對于爐內(nèi)加熱的板坯，其升溫過程除了受到爐溫的影響，水梁對其也會產(chǎn)生影響。因此，在本發(fā)明所述板坯溫度預(yù)報模型中，也將水梁與板坯接觸位置處的換熱考慮在內(nèi)。圖3是本發(fā)明所述板坯溫度預(yù)報模型示意圖。在加熱爐中分布有活動梁，且活動梁中設(shè)置有水梁1，選取的計算域?qū)⑺?包含在其中，考慮到水梁對爐內(nèi)板坯升溫的影響。

圖3所示，爐內(nèi)板坯上、下表面均受熱，且在活動梁中的水梁1位置處，板坯受到兩方面熱量的傳遞。一部分來自與水梁1接觸時，板坯與水梁1之間的熱交換。另一部分是板坯脫離水梁1時，板坯與空氣之間的對流換熱。

所述板坯溫度預(yù)報模型，采用了二維非穩(wěn)態(tài)的數(shù)學(xué)模型，對模型做出簡化，假設(shè)條件為：

a)爐溫呈分段線性分布，是沿爐長方向分布的函數(shù)；

b)爐氣與板坯對流換熱與輻射換熱為綜合熱流密度邊界條件；

c)熱交換過程中，忽略板坯氧化鐵皮的影響；

d)加熱過程中板坯在爐內(nèi)勻速運動。

建立板坯內(nèi)部導(dǎo)熱的二維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程，具體表述為：

式中，ρ表示板坯的密度，單位Kg/m³；Cp表示板坯的比熱，單位J/(kg·℃)；T表示板坯溫度，單位℃；t表示時間，單位s；λ表示板坯導(dǎo)熱系數(shù)，單位W/(m·℃)。

設(shè)置邊界條件如下：

a)假設(shè)同一爐段內(nèi)上、下爐膛總括熱吸收率相同；

b)板坯上表面采用綜合熱流密度邊界條件，

c)板坯下表面與水梁滑塊接觸位置處采用第三類邊界條件，

板坯下表面其他位置采用綜合熱流密度邊界條件，

式中，為熱流密度，單位W/m²；σ為玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10^-8W/(m²·K⁴)；φ_CF為總括熱吸收率；h為換熱系數(shù)，單位W/(m²·K)；T_f為爐溫，單位K；T_s為板坯表面溫度，單位K；T_w為水梁內(nèi)的水溫，單位K；

d)計算域左右兩側(cè)采用絕熱邊界條件。

對計算域進行網(wǎng)格劃分時，在板坯下表面與水梁滑塊接觸位置處對網(wǎng)格進行加密，其他位置成比例疏松網(wǎng)格。

對網(wǎng)格點建立的二維導(dǎo)熱微分方程，采用交替隱式差分簡化方程，使其成為對三角矩陣并用追趕法進行求解。

通過黑匣子實驗測量上下爐膛的總括熱吸收率，以及板坯與水梁1接觸時的換熱系數(shù)h。

實施例二

結(jié)合國內(nèi)某鋼廠2250軋線2#加熱爐工程實例對本發(fā)明所述板坯溫度預(yù)報模型做進一步說明。2250軋線2#加熱爐為五段式步進梁加熱爐，分為熱回收段、預(yù)熱段、加熱一段、加熱二段和均熱段。

加熱爐有效長度為59m，在預(yù)熱段和加熱段分布6根固定梁和4根活動梁，均熱段固定梁數(shù)目不變，但水梁位置發(fā)生錯位42cm。在選取計算域的時候，充分考慮到水梁對板坯加熱的影響，選擇了在均熱段前后都包含水梁的位置作為計算域。

在計算域網(wǎng)格劃分時，在有水梁1的位置處均采用較密的網(wǎng)格劃分，其他位置采用成比例的疏密劃分。采用控制容積法對每個控制體建立二維導(dǎo)熱微分方程，采用交替隱式差分的方法簡化微分方程，使其滿足正三角矩陣，采用TDMA方法求解。

在處理邊界條件時，板坯上表面采用綜合熱流密度邊界條件，板坯下表面與水梁滑塊接觸位置處采用第三類邊界條件，板坯下表面其他位置采用綜合熱流密度邊界條件，左右兩側(cè)采用絕熱邊界條件。由于是步進式加熱爐，活動梁與板坯接觸時間占整個步進周期的1/4，所以在活動梁位置的熱流密度是由兩部分組成，一部分是板坯與活動梁接觸時板坯與水梁之間的換熱，另一部分是板坯脫離活動梁時與爐氣之間的換熱。

在軋機側(cè)安裝黑匣子2，采用黑匣子實驗并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到上、下爐膛的總括熱吸收率和板坯與水梁接觸時的換熱系數(shù)。為了能夠獲得準(zhǔn)確的參數(shù)值，實驗方案設(shè)計時，根據(jù)水梁的位置分布以及熱電偶的位置分布，在板坯上取了21個點作為試驗點，分別為A1-A6，B1-B6，C1-C7。其中，A、B、C分別代表了水梁和熱電偶位置分布，①至⑥分別表示不同的測點深度。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。