王墨南,呂立華

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

加熱爐是鋼鐵生產(chǎn)工藝的重要環(huán)節(jié),板坯的加熱質(zhì)量直接影響了鋼鐵產(chǎn)品的最終質(zhì)量。近年來,寶鋼熱軋各產(chǎn)線都在大力推進加熱爐全自動模型,以達(dá)到加熱爐無人化操作。同時隨著生產(chǎn)的發(fā)展,產(chǎn)品越來越多,質(zhì)量要求越來越高,加熱爐全自動模型的個性化要求也越來越高。

本文根據(jù)寶鋼各產(chǎn)線生產(chǎn)的實際情況,基于傳統(tǒng)的加熱爐燒鋼模型,結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗,優(yōu)化了加熱爐燒鋼模型,包括優(yōu)化板坯必要爐溫、段內(nèi)設(shè)定溫度、生產(chǎn)節(jié)奏等。同時解決了原模型冷坯升溫緩慢、降溫幅度過大的問題,得到了較高的全自動化率。

1 加熱爐全自動模型簡介

1.1 功能概述

一般加熱爐的側(cè)視圖如圖1所示,預(yù)熱段和加熱段上下都安裝有側(cè)燒嘴,均熱段上部為平焰燒嘴,下部為側(cè)燒嘴。L2溫度設(shè)定模型只控制安裝有燒嘴的預(yù)熱段、加熱段、均熱段,熱回收段無燒嘴不參與控制。

圖1 加熱爐簡圖

傳統(tǒng)加熱爐全自動燒鋼模型具有下列功能。

1.1.1 L2系統(tǒng)板坯熱跟蹤模型

從加熱爐L2控制系統(tǒng)得到板坯的尺寸信息、位置信息、時間信息、鋼種信息等,同時得到加熱爐內(nèi)熱電偶的溫度信息,根據(jù)輻射模型和導(dǎo)熱模型,計算板坯在厚度方向多個點的生產(chǎn)實時溫度[1]。關(guān)于板坯熱跟蹤模型本文不展開描述。

1.1.2 L2系統(tǒng)加熱爐各段自動設(shè)定溫度

根據(jù)加熱爐L2控制系統(tǒng)計算或給出的板坯實時溫度、板坯段末溫度、生產(chǎn)節(jié)奏等計算加熱爐各段(預(yù)熱段、加熱段、均熱段)的設(shè)定溫度。具體計算步驟如下:

(1)計算板坯在各段的段末目標(biāo)溫度。

有段末溫度要求的板坯根據(jù)要求計算段末目標(biāo)溫度;無段末溫度要求的板坯根據(jù)出爐目標(biāo)溫度和生產(chǎn)經(jīng)驗給予段末目標(biāo)溫度,如板坯的加熱段段末溫度可以低于出爐目標(biāo)溫度一定值。板坯預(yù)熱段段末目標(biāo)溫度可以根據(jù)出爐目標(biāo)溫度和模擬升溫曲線預(yù)測段末目標(biāo)溫度。

(2)板坯剩余在段時間計算。

模型根據(jù)軋線計算的出鋼節(jié)奏、爐長等推算板坯的剩余在段時間,見式(1)。

出段前第N塊板坯的剩余在段時間=

(1)

(3)板坯必要爐溫計算。

加熱爐段內(nèi)板坯根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)爐溫曲線(每塊板坯在加熱爐內(nèi)都有一條設(shè)定好的標(biāo)準(zhǔn)爐溫曲線,根據(jù)板坯的規(guī)格、裝鋼溫度等,標(biāo)準(zhǔn)爐溫曲線的大小也會不同,數(shù)值可以離線配置)和剩余在段時間第一次模擬計算板坯到達(dá)段末的計算溫度T1。再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)爐溫曲線升高50 K的曲線(形狀和標(biāo)準(zhǔn)爐溫曲線類似),采用同樣的方法第二次計算板坯到達(dá)段末的計算溫度T2,并得到溫度感度,見式(2)。進一步計算板坯的必要爐溫,見式(3)。

(2)

板坯必要爐溫=當(dāng)前段標(biāo)準(zhǔn)爐溫+

(目標(biāo)段末溫度-T1)/溫度感度

(3)

(4)段內(nèi)設(shè)定溫度計算。

加熱爐段內(nèi)根據(jù)計算的板坯必要爐溫、板坯溫度權(quán)重、板坯特殊鋼權(quán)重、板坯位置權(quán)重加權(quán)計算段內(nèi)的設(shè)定爐溫[2],見式(4)。

(4)

式中:θSET為段內(nèi)設(shè)定溫度;θslab為板坯必要爐溫;W=板坯溫度權(quán)重×板坯特殊鋼權(quán)重×板坯位置權(quán)重;N為段內(nèi)板坯數(shù)量。

板坯溫度權(quán)重:首先計算段內(nèi)所有板坯的必要爐溫的平均值,再比較段內(nèi)各個板坯的必要爐溫與段內(nèi)平均必要爐溫的差來確定溫度權(quán)重。如必要爐溫大于段內(nèi)平均必要爐溫30 K的權(quán)重為1.5,小于段內(nèi)平均必要爐溫30 K的權(quán)重為0.5,這樣就可以在冷熱混裝時保證冷坯的設(shè)定溫度。

板坯特殊鋼權(quán)重:模型可以根據(jù)板坯的重要程度設(shè)置不同的特殊鋼權(quán)重,這樣就可以在不同鋼種過渡時保證質(zhì)量要求,更加嚴(yán)格板坯的生產(chǎn)工藝。

板坯位置權(quán)重:根據(jù)段內(nèi)板坯的位置設(shè)定位置權(quán)重。一般段內(nèi)中部板坯的位置權(quán)重大于剛?cè)攵魏蛯⒁龆蔚陌迮鳌?/p>

1.1.3 L2—L1控制

圖2 為加熱爐燒鋼模型控制框架。L2系統(tǒng)計算加熱爐各段的設(shè)定溫度以后下發(fā)至L1系統(tǒng),L1系統(tǒng)會判斷設(shè)定溫度與加熱爐段內(nèi)對應(yīng)熱電偶的差。如果設(shè)定溫度高于熱電偶值很多,對應(yīng)段內(nèi)燒嘴的流量或者工作時間就會相應(yīng)增大;反之,如果設(shè)定溫度低于熱電偶值,則對應(yīng)段內(nèi)燒嘴的流量或工作時間會為零。

1.2 存在問題

傳統(tǒng)的加熱爐自動燒鋼模型在寶鋼熱軋各條產(chǎn)線都有運用,但是在投入使用一段時間后,如沒有繼續(xù)維護,L2系統(tǒng)加熱爐各段設(shè)定溫度模塊使用率就很低,這與現(xiàn)場工藝一直在變化有關(guān)。同時,在計算板坯的必要爐溫時也存在不準(zhǔn)確的因素。

上文在描述板坯必要爐溫計算時曾用到標(biāo)準(zhǔn)爐溫(圖3),它是模型假想的不同板坯在不同段內(nèi)的理想爐溫,就如同操作人員希望不同的鋼種(出鋼記號、裝鋼溫度、規(guī)格等)在各段內(nèi)都有一個基準(zhǔn)的設(shè)定爐溫,然后再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)爐溫計算板坯必要爐溫?，F(xiàn)有模型程序中,一種類型的鋼種在一段內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)爐溫是個定值。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)爐溫圖

現(xiàn)在根據(jù)離線模擬數(shù)據(jù)來說明標(biāo)準(zhǔn)爐溫對板坯必要爐溫計算的影響。以板坯在預(yù)熱段的情況為例,案例A為假設(shè)預(yù)熱段的段末目標(biāo)溫度為980 ℃,板坯在預(yù)熱段的初始平均溫度為640 ℃,剩余出段時間為40 min;案例B為假設(shè)預(yù)熱段的段末目標(biāo)溫度為980 ℃,板坯在預(yù)熱段的初始平均溫度為990 ℃,剩余出段時間為10 min,采用matlab離線計算不同標(biāo)準(zhǔn)爐溫對必要爐溫的影響,見表1。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)爐溫對設(shè)定爐氣溫度的影響

以上兩次仿真結(jié)果顯示,不同的標(biāo)準(zhǔn)爐溫計算的板坯必要爐溫存在一定的差別。而標(biāo)準(zhǔn)爐溫也是平時工程師維護最少的內(nèi)容,因此容易造成板坯必要爐溫計算不準(zhǔn)確。此外,案例B為板坯在段內(nèi)已到達(dá)段末溫度的降溫情況,計算的板坯必要爐溫過低,與現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗不符。因為現(xiàn)場操作人員的習(xí)慣是板坯在到達(dá)段末溫度后,如不是超出很多,只需適當(dāng)降溫或保持設(shè)定溫度即可。本案例解釋了現(xiàn)場操作人員為何總是抱怨自動燒鋼模型計算的設(shè)定值偏低的現(xiàn)象。

傳統(tǒng)的加熱爐燒鋼模型如果沒有結(jié)合各條產(chǎn)線的實際經(jīng)驗,計算的板坯必要爐溫不準(zhǔn)確,從而加熱爐各段的設(shè)定溫度也難以準(zhǔn)確,導(dǎo)致模型投入率偏低。

2 現(xiàn)場解決方案

根據(jù)現(xiàn)場各條產(chǎn)線的生產(chǎn)經(jīng)驗,優(yōu)化了加熱爐燒鋼模型的部分功能,使模型設(shè)定值更加適合現(xiàn)場實際情況,取得了很好的現(xiàn)場運用效果。

2.1 目標(biāo)溫度優(yōu)化

傳統(tǒng)的加熱爐燒鋼模型板坯各段的目標(biāo)溫度設(shè)定較為粗糙,預(yù)熱段段末目標(biāo)溫度采用預(yù)測計算,加熱段段末目標(biāo)溫度根據(jù)板坯出爐溫度適當(dāng)減少一定溫度計算。該方法并不能很好地反映現(xiàn)場實際情況。優(yōu)化方法如下:

(1)加熱段段末目標(biāo)溫度根據(jù)開爐數(shù)不同、爐號不同,多維度進行段末溫度設(shè)定。

(2)大多數(shù)鋼種預(yù)熱段段末目標(biāo)溫度設(shè)定根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)爐溫預(yù)測計算,見公式(5)。

預(yù)熱段目標(biāo)溫度=

(5)

該方法根據(jù)加熱段目標(biāo)溫度和各段的升溫速率倒推預(yù)熱段目標(biāo)溫度。由于升溫速率的計算也是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)爐溫而得(類似必要爐溫計算的方法),根據(jù)上一章節(jié)的分析,同樣存在很大的不準(zhǔn)確性。同時,該方法也沒有考慮生產(chǎn)實際情況,過于理想化,計算的段末目標(biāo)溫度與現(xiàn)場實際要求相距甚遠(yuǎn)。

本文根據(jù)現(xiàn)場實際經(jīng)驗,對計算出的預(yù)熱段目標(biāo)溫度給予按開爐數(shù)、爐號、軋制厚度、裝鋼溫度多維度的上下限經(jīng)驗值控制,使得計算后的段末目標(biāo)溫度始終在現(xiàn)場實際值的范圍內(nèi),取得了很好的效果。

2.2 上下爐溫差優(yōu)化

板坯在實際生產(chǎn)時,上下爐氣溫度會有一定的差別,不同的鋼種上下爐氣溫差會有所不同,有的板坯上部爐溫要比下部爐溫高,有的則是下部爐溫比上部爐溫高。當(dāng)不同工藝鋼種交接時,上下爐溫差隨著板坯必要爐溫加權(quán)進行設(shè)定。比如段內(nèi)板坯有一半是上部爐溫比下部爐溫高,另一半是下部爐溫比上部爐溫高,加權(quán)計算后段內(nèi)設(shè)定溫度上下部爐溫會很接近,這就不符合現(xiàn)場實際情況?，F(xiàn)場不同種類板坯交接時,往往是一種鋼比另一種鋼生產(chǎn)質(zhì)量更敏感,上下爐溫差要求更嚴(yán),但是設(shè)定溫度高低卻需要兼顧兩種種類的板坯,即按照板坯權(quán)重加權(quán)計算段內(nèi)設(shè)定溫度。

本文的優(yōu)化方法是把上下爐溫差敏感的板坯根據(jù)出鋼記號列出。當(dāng)段內(nèi)出現(xiàn)這些板坯時,段內(nèi)設(shè)定溫度嚴(yán)格按照這些板坯的工藝?yán)_上下爐氣溫差。某些特別敏感的鋼種在與其他鋼種交接時,該板坯甚至在還沒入段時就提前拉開上下爐氣溫差。該方法已在1 580 mm產(chǎn)線得到應(yīng)用,達(dá)到預(yù)期效果。

2.3 提前升降溫優(yōu)化

現(xiàn)場操作人員往往希望某些特殊板坯在進入加熱爐某個段前一個段左右的位置,就把這個段的爐溫控制在這些特殊板坯想要的爐溫上,從而一定程度地放棄這個段內(nèi)的普通板坯控制。比如特殊板坯剛進入預(yù)熱段,加熱段的爐溫就應(yīng)該在適合該特殊板坯的爐溫上。這樣做的原因是由于特殊板坯的爐溫與普通板坯有一定區(qū)別,兩種鋼種交接時加熱爐的爐溫?zé)o法快速控制在特殊板坯的要求范圍內(nèi),只能一定程度地犧牲普通板坯,而提前一個段滿足特殊板坯的工藝,從而提高特殊板坯的生產(chǎn)質(zhì)量。原有加熱爐控制模型無法實現(xiàn)這個功能,操作工只能手動控制特殊板坯與普通板坯的交接。

本文的優(yōu)化邏輯為:①判斷加熱爐內(nèi)是否有需要提前升降溫的特殊板坯,如根據(jù)出鋼記號、牌號判斷該板坯。有超過3塊的特殊板坯才執(zhí)行提前升降溫模塊。②如有需要提前升降溫的板坯,把這些板坯的標(biāo)準(zhǔn)爐溫根據(jù)板坯權(quán)重加權(quán)計算在需要提前升降溫段內(nèi)的設(shè)定溫度程序里,使得該段設(shè)定溫度的計算既包含該段段內(nèi)板坯的必要爐溫又包含需要提前升降溫板坯的標(biāo)準(zhǔn)爐溫。③根據(jù)板坯權(quán)重調(diào)整提前升降溫的幅度。④已完成交接的段不執(zhí)行提前升降溫。

該模塊在梅鋼1 422 mm產(chǎn)線得到了應(yīng)用,達(dá)到了預(yù)期效果。

2.4 必要爐溫優(yōu)化

正如前文描述的那樣,原加熱爐自動燒鋼模型中板坯的必要爐溫計算存在著不準(zhǔn)確性,導(dǎo)致段內(nèi)設(shè)定溫度計算不準(zhǔn)確。尤其是板坯降溫時,設(shè)定溫度往往過低,與實際情況不符。

本文的優(yōu)化邏輯為:①對板坯的必要爐溫計算根據(jù)實際經(jīng)驗進行上下限的控制,尤其是下限值不能太低,板坯降溫時設(shè)定溫度才不會偏低。②板坯在進入均熱段時,板坯必要爐溫計算不能低于特定值,更加保證了均熱段板坯溫度的穩(wěn)定性。③板坯在進入均熱段時,某些出爐溫度需要略高于出爐目標(biāo)溫度的板坯,則必要爐溫計算可以在特定范圍內(nèi)修正到一定值;某些出爐溫度需要不能高于出爐目標(biāo)溫度太多的板坯,則必要爐溫計算可以在特定范圍內(nèi)限定一個上限值。

2.5 節(jié)奏優(yōu)化

原加熱爐自動燒鋼模型為通過軋線生產(chǎn)的真實節(jié)奏計算加熱爐板坯的生產(chǎn)節(jié)奏和剩余在爐時間,加熱爐模型生產(chǎn)節(jié)奏等于真實出鋼節(jié)奏。但是當(dāng)軋線節(jié)奏過快或兩爐生產(chǎn)時,模型在真實生產(chǎn)節(jié)奏下,板坯的必要爐溫計算就會偏低。

本文為解決這個問題,優(yōu)化了真實生產(chǎn)節(jié)奏,通過修正后的虛擬節(jié)奏再計算加熱爐設(shè)定值,解決了節(jié)奏過快時板坯必要爐溫計算偏低的問題。具體邏輯見表2。

表2 虛擬節(jié)奏計算表

生產(chǎn)節(jié)奏過快或兩爐生產(chǎn)時,虛擬節(jié)奏要比真實節(jié)奏計算的更小,從而降低板坯的剩余在爐時間。板坯升溫時,間接提高了必要爐溫的計算。

3 應(yīng)用案例

根據(jù)現(xiàn)場實際生產(chǎn)經(jīng)驗優(yōu)化后的加熱爐全自動模型已在寶鋼熱軋多條產(chǎn)線得以運用,測試表明,長期運行穩(wěn)定,并且有很高的自動燒鋼投入率。

圖4為梅鋼1 422 mm產(chǎn)線自動燒鋼畫面,各段全部采用自動模式控制。

圖4 加熱爐自動燒鋼畫面

4 結(jié)語

分析了傳統(tǒng)加熱爐模型存在的問題,根據(jù)寶鋼各產(chǎn)線生產(chǎn)的實際情況,優(yōu)化了各個模塊,特別對于質(zhì)量敏感的鋼種進行了針對性設(shè)置,包括目標(biāo)溫度優(yōu)化、上下爐氣溫差優(yōu)化、提前升降溫模塊、板坯必要爐溫優(yōu)化、節(jié)奏優(yōu)化等。目前,各基地加熱爐模型都得到了較高的全自動化率,降低了操作人員的工作強度。

在進行加熱爐模型軟件優(yōu)化的同時,筆者也真切感受到加熱爐硬件狀態(tài)對自動燒鋼的影響。一般加熱爐工作狀態(tài)穩(wěn)定的產(chǎn)線自動燒鋼投入率也較高,這就意味著加熱爐日常的燒嘴、閥門維護必須到位,以保證加熱爐一直在較為理想的工作條件下生產(chǎn),生產(chǎn)質(zhì)量和自動化率才能穩(wěn)步提升,真正降低操作人員的工作強度。