热镀锌连续退火炉的在线综合控制方法

摘要

本发明公开了一种热镀锌连续退火炉的在线综合控制方法，通过在线检测模块采集带钢运行信息，包括带钢速度、处理工艺、钢卷代码和带钢规格；根据采集的带钢运行信息，通过专家数据库调用主要参数，由速度模型、传热模型以及带温反馈模型共同作用，完成热负荷设定和速度设定，从而根据设定的参数自动控制一级控制系统，实现退火炉的在线生产控制；本发明基于传热机理分析，通过建立一维数学模型及专家数据库，由粗调、微调两种交叉控制方法，实现退火炉的在线生产控制，同时还另外增加了过渡控制方法等一系列完整的控制策略，从而形成较为完善的控制方法，其模型构造方便，运行快，适用于退火炉的在线生产计算和控制。

说明书

技术领域

本发明属于自动控制领域，涉及热镀锌连续退火炉的自动在线控制，尤其涉及一种以退火炉内传热机理为研究对象，采用带钢温度跟踪数学模型，采用粗调、微调两种自动调节相结合的在线自动控制方法。

背景技术

目前，国内拥有镀锌退火炉较多，但是我国退火炉控制水平与国外相比，存在一定的差距，整体系统和单体设备的控制水平都有待进一步地提高。日本的新日铁公司君津钢厂于1991 年8 月建成投产了一条世界上最大的连续退火作业线。在该作业线的退火炉段中,其加热段采用辐射管加热,并以加热段出口侧测得的实际带钢温度始终保持恒定作为目标来控制煤气的流量。

目前国内就退火炉的控制方法提出了一些专利申请，但是大部分针对一级控制来说明，例如CN201020204449.7、CN201020528237.4等专利，它们主要是实现设备与炉温、带温直接的反馈控制，缺少数学模型和理论基础。而专利号为CN201020256197.2的退火窑加热系统主要是针对加热分区控制的一种方法，缺少整体控制方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种热镀锌连续退火炉的在线综合控制方法，该方法基于传热机理分析，建立一维数学模型及专家数据库，通过粗调、微调两种交叉控制方法，实现退火炉的在线生产控制，其模型建立迅速，运行快，适用于在线生产计算和控制。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

所述方法包括以下步骤：

步骤1：通过在线检测模块采集带钢运行信息，包括带钢速度、处理工艺、钢卷代码和带钢规格；根据采集的带钢运行信息，通过专家数据库调用主要参数，所述专家数据库根据热处理工艺温度曲线，设定各段热负荷设定值，使带钢在每一行程出口处均达到热处理工艺温度曲线所要求的目标值，由速度模型和传热模型完成速度初始设定和热负荷初始设定，从而根据设定的参数自动控制一级控制系统，开始对退火炉的在线生产进行控制； 

步骤2：每段各列热负荷的计算是给定各段各列初始热负荷，然后利用带钢温度跟踪模型进行加热计算，得到各行程出口处的带钢温度，将计算的带钢温度和带钢热处理工艺温度曲线中各行程出口带钢的目标温度进行比较，根据结果修正热负荷，直至计算的带钢温度和目标值之间的误差在允许的范围之内，计算结束；

其中，带钢温度跟踪数学模型为长度一维跟踪模型，用于跟踪节点在炉内的温度变化情况，通过以下方式得到：

将退火炉沿带钢移动方向展开，由于带钢很薄，忽略厚度上的温差，同时带钢宽度方向梯度较小，假定为零，根据传热学，建立一维非稳态导热方程：

                                           

式中：x—炉长方向坐标，m；

t—时间，s；

—带钢温度，K；

λ—带钢导热系数，W/(mK)；

Q—长度为Δx的带钢获得的热量，W；

ρ—带钢密度，kg/m³；

C—带钢比热，J/(kg℃)；

—带钢体积，m³；

ν=hwΔx，h—带钢厚度，m；w—带钢宽度，m。

在建立模型的同时，在炉内把带钢沿炉长分成若干节点，每个节点都采用一维跟踪模型，结合所有节点的温度就会形成全炉温度模型，即用一个追踪模型可以实现带温跟踪和全炉分布两个方式的计算；

其中时间步长的取值决定于空间步长与速度的比值，即：

                                                   

式中：V(t)—带钢速度，m/s；

步骤3：所述带温反馈模型根据热负荷修正计算的结果，结合带钢各段出口温度进行反馈优化控制，根据热惰性以及温度偏差，通过不同的调节比例对各段控制参数进行优化控制，包括对热负荷的实时设定和速度的实时设定，根据设定的参数自动控制一级控制系统，使带钢各段热处理温度快速稳定控制在目标温度附近。

进一步，所述主要参数包括热处理曲线、热负荷设定值和最大速度建议值；

进一步，本方法还建立有带钢过渡控制模型，所述带钢过渡控制模型是通过检测焊缝前后的带钢信息判断控制方式，分别控制带速以及加热制度，来优化控制焊缝前后带钢热处理曲线的平稳过渡，减少由于达不到热处理要求而产生的废带；

进一步，所述带钢过渡控制模型的控制方式为：

焊缝前一带钢采用该规格下的热负荷预设定，当焊缝进入退火炉时，修改带温各段出口目标值，达到降温或者升温的目的，此时通过带温目标值和反馈至来比例调节热负荷设定值的输出值，在该阶段内，带钢速度发生阶梯变化，如果该规格下的出口温度超过极限温度，则带速不发生变化，直到出口温度达到极限范围内；当焊缝出退火炉时，模型则按照焊缝后一规格调用数据库热负荷设定值以及目标出口温度，逐渐恢复正常生产控制；

进一步，本方法在控制过程中，还包括快速升温和降温两种模式，当出口带温目标值和检测值相差超过既定范围时，模型会自动调节辐射管，直接调整到全开或者全关的模式；当现场出现意外，需要加大或者减小辐射管温度时，可以快速调节目标值，来快速控制加热制度；

进一步，所述控制方法还设置有系统断带预报功能，当系统检测到焊缝前后的带钢信息时，数学模型会根据带钢厚度差、宽度差以及热处理等级进行判断，当超过可焊接的范围时，系统会发出断带预报警告，带钢信息包括带钢速度、处理工艺、钢卷代码、带钢规格，以及焊缝到退火炉某点的距离。

本发明的有益效果是：

本发明基于传热机理分析，通过建立一维数学模型及专家数据库，由粗调、微调两种交叉控制方法，实现退火炉的在线生产控制，同时还另外增加了过渡控制方法等一系列完整的控制策略，从而形成较为完善的控制方法，其模型构造方便，运行快，适用于退火炉的在线生产计算和控制。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为带钢连续热镀锌退火炉控制策略示意图；

图2为热负荷设定值计算流程图；

图3为换带过程中带钢速度随着时间的变化策略（仅以速度下降为例，不限制带速变化形式）；

图4为换带过程中RTF出口设定带温随着时间的变化策略（仅以温度升高为例，不限制炉温变化形式）。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

立式热镀锌连续退火炉由预热段、加热段、均热段、快冷段、均衡段组成。预热段和快冷段都是通过循环风机对带钢进行加热和冷却处理，加热段和均热段则是通过辐射管的功率进行加热控制，均衡段是通过自然冷却和部分辐射管进行带温出口控制，保持带钢出口温度满足镀锌的温度要求。

如图1所示，本发明的方法包括以下步骤：

步骤1：通过在线检测模块采集带钢运行信息，包括带钢速度、处理工艺、钢卷代码和带钢规格；根据采集的带钢运行信息，通过专家数据库调用主要参数，所述专家数据库根据热处理工艺温度曲线，设定各段热负荷设定值，使带钢在每一行程出口处均达到热处理工艺温度曲线所要求的目标值，由速度模型和传热模型完成速度初始设定和热负荷初始设定，从而根据设定的参数自动控制一级控制系统，开始对退火炉的在线生产进行控制；本发明中，所述主要参数包括热处理曲线、热负荷设定值和最大速度建议值。

步骤2：在给定各段各列初始热负荷的基础上，计算每段各列热负荷，然后利用带钢温度跟踪模型进行加热计算，得到各行程出口处的带钢温度，将计算的带钢温度和带钢热处理工艺温度曲线中各行程出口带钢的目标温度进行比较，根据结果修正热负荷，直至计算的带钢温度和目标值之间的误差在允许的范围之内，计算结束；

带钢温度跟踪数学模型为长度一维跟踪模型，用于跟踪节点在炉内的温度变化情况，通过以下方式得到：

将退火炉沿带钢移动方向展开，由于带钢很薄，忽略厚度上的温差，同时带钢宽度方向梯度较小，假定为零，根据传热学，建立一维非稳态导热方程：

                                           

式中：x—炉长方向坐标，m；

t—时间，s；

—带钢温度，K；

λ—带钢导热系数，W/(mK)；

Q—长度为Δx的带钢获得的热量，W；

ρ—带钢密度，kg/m³；

C—带钢比热，J/(kg℃)；

—带钢体积，m³；

ν=hwΔx，h—带钢厚度，m；w—带钢宽度，m。

在建立模型的同时，在炉内把带钢沿炉长分成若干节点，每个节点都采用一维跟踪模型，结合所有节点的温度就会形成全炉温度模型，即用一个追踪模型可以实现带温跟踪和全炉分布两个方式的计算；既保证差分方程组计算的收敛性，又能缩短模型计算时间。

其中时间步长的取值决定于空间步长与速度的比值，即：

                                                   

式中：V(t)—带钢速度，m/s。

控制方程离散采用一维全隐式有限差分方法进行离散化，得到如下离散化方程：

(1) 内部节点(i点)离散化形式：

i=1~N-1

                         

(2) 边界节点(0点和N点)离散化形式：

                                 

根据数学模型构建专家数据库，根据热处理工艺温度曲线，设定各段热负荷设定值，使带钢在每一行程出口处均达到热处理工艺温度曲线所要求的目标值；

步骤3：带温反馈模型根据热负荷修正计算的结果，结合带钢各段出口温度进行反馈优化控制，根据热惰性以及温度偏差，通过不同的调节比例对各段控制参数进行优化控制，包括对热负荷的实时设定和速度的实时设定，根据设定的参数自动控制一级控制系统，使带钢各段热处理温度快速稳定控制在目标温度附近。

图2是计算热负荷设定值的原理流程图。从图中可以看出，首先给定各段各列初始热负荷，然后利用带钢温度跟踪模型进行加热计算，得到各行程出口处的带钢温度。将计算的带钢温度和带钢热处理工艺温度曲线中各行程出口带钢的目标温度进行比较，根据结果修正热负荷，直至计算的带钢温度和目标值之间的误差在允许的范围之内，计算结束。（图中的代表温度相邻迭代计算差值，代表迭代差值的设定精度）

本方法还建立有带钢过渡控制模型，所述带钢过渡控制模型是通过检测焊缝前后的带钢信息判断控制方式，分别控制带速以及加热制度。此处的过渡是指前一规格带钢换成后一规格带钢之间的一个时间段内的过渡情况。而带钢过渡过程的控制策略是退火炉控制过程中的一个重要组成部分，退火炉内带钢规格变化频繁，热处理温差较大，需要有合适的过渡控制模型，快速调节加热模式，使热处理温度有效过渡，减少废带的产生。

过渡控制策略要求在控制过程中需要保证任意行程的两种带钢的极限温差都应满足表1所示的温度上下限，如果超出极限要求，则优先满足带钢品质要求较高的热处理工艺温度。

表1  各等级各段温度上下限的控制要求

工艺等级二级计算代码加热段上限 ℃加热段下限 ℃CQ1+U1-D1DQ2+U2-D2DDQ3+U3-D3EDDQ4+U4-D4

换带策略是首先根据焊缝前一带钢规格下的热负荷设定值正常生产控制，当焊缝进入退火炉时，修改当前带温各段出口目标值，达到降温或者升温的目的，然后通过带温目标值和反馈至来比例调节热负荷设定值的输出值，如图4和表3所示。在该阶段内，带钢速度发生阶梯变化，如图3所示，使带钢温度波动，因此增加加热段出口带钢温度的限制条件，当实际带温满足极限范围要求的情况下，可以进行速度切换操作，反之，保持当前速度，见表2。当焊缝出退火炉时，模型则按照焊缝后一规格进行调用数据库热负荷设定值以及目标出口温度，逐渐恢复正常生产控制。

表2  各等级允许速度切换的条件

工艺等级二级计算代码加热段允许操作加热段允许操作CQ1>下限值速度下降<上限值速度上升DQ2>下限值速度下降<上限值速度上升DDQ3>下限值速度下降<上限值速度上升EDDQ4>下限值速度下降<上限值速度上升

表3各等级换带期间过渡温度T3的控制要求

本方法在控制过程中，还包括快速升温和降温两种模式，当出口带温目标值和检测值相差超过既定范围时，模型会自动调节辐射管，直接调整到全开或者全关的模式；当现场出现意外，需要加大或者减小辐射管温度时，可以快速调节目标值，来快速控制加热制度。

本发明的控制方法还设置有自动控制模式和手动控制模式；所述自动控制模式不需要人工干预，直接根据钢卷的信息设定目标出口带温以及辐射管功率分配，适用于正常生产；所述手动模式是当信息输入错误或者中途机组故障时，进行人工干预，设置加热模式或者其他模式等操作方法。

本发明的控制方法还设置有系统断带预报功能，该功能是是通过系统检测到焊缝前后的带钢信息，启动预先设定的比较程序进行比较，根据前后带钢厚度差、宽度差以及热处理等级进行判断，当超过可焊接的范围时，系统发出断带预报警告。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。