中厚板高温固溶炉热工过程建模与控制

摘要

本论文以中厚板辊底式高温固溶炉为研究对象，针对固溶炉热工过程控制的关键技术和重点问题进行了系统研究，建立了新型复合式脉冲燃烧时序控制、在线钢板温度实时跟踪、灰色异步粒子群加热优化和炉辊水冷计算等重要数学模型。在上述基础上，开发出了具有自主知识产权的“中厚板辊底式高温固溶炉基础自动化系统”和“中厚板辊底式高温固溶炉加热过程优化系统”，实现了高温固溶炉自动化、精确化控制。论文主要工作及创新性成果如下:
　　(1)提出将定脉冲持续时间和定脉冲消隐时间策略组合，开发了新型复合式脉冲燃烧时序控制模型，弥补了引进热处理炉时序控制模型参数不能最优选取的不足，解决了积分法计算量大、硬件要求高的问题，实现了高精度炉温控制。
　　脉冲燃烧时序控制直接关系炉温控制精度的高低，是钢板加热成功与否的关键。研究了高温固溶炉脉冲燃烧的控制原理，提出了定脉冲周期、定脉冲持续时间和定脉冲消隐时间三种建模策略。运用数学分析手段确定了燃烧时序控制中影响炉温偏差的因素，将定脉冲持续时间和定脉冲消隐时间策略复合，建立了新型复合式脉冲燃烧时序控制模型。开发的模型成功应用于RAL高温固溶炉，炉温精度可控制在±3℃以内，同板绝对差和异板绝对差均小于8℃，取得了较好的温度控制效果和加热质量。
　　(2)提出了考虑炉段间温度耦合的炉膛温度计算模型，以使计算炉温更加接近真实工况。建立了适合脉冲燃烧方式的钢板在线加热模型，解决了高温明火固溶炉钢板温度精确跟踪难的问题。
　　通过对炉内热交换的研究，确定了钢板换热的特性，建立了钢板外部综合传热热流计算模型。利用拖偶试验，确定了炉膛总括热吸收率计算模型。为使炉温接近真实，建立考虑炉段间温度耦合的炉膛温度计算模型。在此基础上，建立了在线加热数学模型，主要包括钢板导热模型、炉内传热模型和钢板温度全炉跟踪模型。经现场使用证明，所建模型准确可靠，出炉测量温度与计算温度的相对误差在1％以内，能够真实反映钢板在炉内加热升温过程。
　　(3)建立了灰色异步粒子群加热优化策略，实现了加热工艺制度的稳态优化。提出从炉温设定和板速设定两个方面建立加热规程优化补偿策略，解决了炉温波动等造成的钢板温度和保温时间出炉时不满足要求的问题。
　　针对中厚板高温固溶炉稳态加热优化目标的多维性，提出灰关联分析法GRA与异步粒子群算法APSO组合，建立了高温固溶炉的灰色异步粒子群加热优化策略。所建策略继承了GRA高维多目标决策和APSO并发求解的能力，为热处理炉加热优化提供了新的求解方法。结合RAL中厚板辊底式高温固溶炉单独传动单独变频的设备特点，建立了炉温设定和板速设定两种动态优化补偿策略。建立的加热优化策略成功应用于在线生产，实现了加热规程的优化，有效保证了钢板出炉温度命中率。
　　(4)针对炉辊水冷机理不明、炉辊冷却不当会造成炉温达不到要求的问题，研究了炉辊水冷对流换热，建立了炉辊水冷模型，实现了炉辊水冷过程关键问题的计算。使用水冷模型进行了仿真研究，提出了炉辊冷却应遵循的原则。
　　有关炉辊水冷的深入分析一直未见报道。通过分析炉辊辊内水冷对流换热，结合Dittus-Boelter和Sieder-Tate管内强制对流实验关联式，建立了炉辊水冷对流换热系数计算模型。在此基础上，建立了炉辊水冷模型并进行了求解。通过与现场实测数据对比，验证了模型的有效性。使用水冷模型分析了冷却水流速和进水温度对炉辊关键界面温度、冷却水出水温度和能耗的影响，给出了炉辊冷却过程中冷却水流速（流量）和出水温度的控制原则。所做研究为高温固溶炉炉辊水冷优化，实现最佳冷却提供了理论依据。
　　(5)开发了中厚板高温固溶炉的基础自动化和过程自动化控制系统，解决了大型高温固溶炉全自动、全连续加热生产的技术难题，实现了一键式生产操作。
　　设计的基础自动化控制系统主要功能包括自动点/停炉、钢板位置微跟踪和钢板生产工序跟踪、温度自动控制和炉压自动控制，实现了基础自动化级的自动加热生产。建立的过程优化控制系统主要功能包括跟踪调度、钢板温度跟踪、保温控制、加热规程优化及设定、出炉实绩预测和模型自学习，实现了钢板加热过程的实时监控和优化控制。
　　开发建立的中厚板高温固溶炉热工过程模型及控制系统已在宝钢、酒钢等大型热处理生产线投入使用，取得了良好的使用效果，满足了企业实际生产的需要。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 中厚板热处理生产工艺要素

1．3 中厚板热处理加热装备技术概况

1．3．1 热处理炉特点

1．3．2 热处理炉分类

1．4 中厚板热处理炉自动控制技术的现状

1．4．1 热工过程数学模型的研究现状

1．4．2 计算机控制的发展现状

1．5 中厚板高温固溶炉热工过程控制的难点及关键技术

1．6 本文的主要研究内容

第2章 中厚板高温固溶炉脉冲燃烧的时序控制建模

2．1 脉冲燃烧控制原理

2．1．1 脉冲燃烧方式

2．1．2 脉冲燃烧装置

2．1．3 脉冲燃烧控制原理

2．2 脉冲燃烧的时序控制模型研究

2．3 脉冲燃烧时序控制的稳态温度偏差分析

2．3．1 高温固溶炉的传递函数

2．3．2 稳态温度偏差分析

2．4 新型复合式脉冲燃烧时序控制模型建立

2．5 脉冲燃烧时序控制模型的测试及应用

2．5．1 模型参数对温度控制的影响测试

2．5．2 应用脉冲燃烧时序控制的高温固溶炉加热质量

2．6 本章小结

第3章 基于总括热吸收率法的钢板加热模型建立

3．1 炉膛内热交换分析

3．1．1 传导传热

3．1．2 对流传热

3．1．3 辐射传热

3．2 总括热吸收率的实验研究

3．2．1 确定总括热吸收率的方法

3．2．2 高温固溶炉总括热吸收率实验

3．2．3 总括热吸收率的确定

3．3 炉膛温度计算模型

3．4 基于总括热吸收率法的钢板加热模型的建立

3．4．1 钢板内部导热模型

3．4．2 炉内传热模型

3．4．3 钢板温度全炉跟踪模型

3．4．4 模型的数值求解

3．5 钢板加热模型的变物性参数处理

3．5．1 热物性参数模型的建立

3．6 钢板加热模型的验证及应用

3．6．1 模型的验证

3．6．2 生产现场应用情况

3．7 本章小节

第4章 中厚板热处理加热过程的优化研究

4．1 稳态加热过程的优化目标分析

4．2 基于灰色异步粒子群算法的稳态加热优化

4．2．1 异步粒子群算法

4．2．2 灰关联分析的基础知识

4．2．3 加热优化的灰关联分析

4．2．4 加热优化的灰色异步粒子群求解流程

4．2．5 基于灰色异步粒子群加热优化的结果

4．3 中厚板热处理加热过程的动态优化策略

4．3．1 炉温设定动态优化

4．3．2 板速设定动态优化

4．4 热处理加热优化模型的应用

4．5 本章小结

第5章 中厚板高温固溶炉炉辊水冷研究

5．1 炉辊传热过程分析

5．1．1 高温固溶炉炉辊结构

5．1．2 炉辊的受热分析

5．2 炉辊内管对流换热分析

5．2．1 炉辊内管强制对流流动分析

5．2．2 炉辊内管强制对流换热计算

5．3 炉辊水冷传热的建模

5．3．1 假设条件

5．3．2 炉辊传热方程的建立

5．3．3 炉辊水冷模型的建立

5．3．4 炉辊水冷模型的求解

5．4 炉辊水冷模型的验证

5．5 炉辊水冷过程的仿真分析

5．5．1 冷却水变化对炉辊温度的影响

5．5．2 冷却水变化对出水温度的影响

5．5．3 冷却水变化对能耗的影响

5．6 炉辊水冷优化原则

5．7 本章小结

第6章 中厚板高温固溶炉控制系统的开发

6．1 高温固溶炉控制系统构成

6．2 高温固溶炉自动加热功能的设计及实现

6．2．1 自动点／停炉

6．2．2 钢板位置微跟踪

6．2．3 钢板生产工序跟踪

6．2．4 高温固溶炉炉温的控制

6．2．5 炉膛压力控制

6．3 钢板加热过程优化控制系统的设计及实现

6．3．1 过程优化控制系统的软件架构

6．3．2 过程优化控制系统的功能构成

6．3．3 过程优化控制系统的主要功能设计及实现

6．4 本章小结

第7章 中厚板高温固溶炉热工模型及自动化控制系统的应用

7．1 高温固溶炉工艺技术概况

7．1．1 热处理线工艺布置

7．1．2 高温固溶炉设备及其基本技术参数

7．2 热工模型及控制系统的实际应用效果

7．2．1 热工模型及控制系统稳定性

7．2．2 热工模型及控制系统使用效果

7．3 自动化控制系统人机交互窗口

7．4 本章小结

第8章 结论

参考文献

攻读博士学位期间完成的工作

致谢

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