鋼鐵加熱爐爐群生產(chǎn)物流仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)李婧李蘇劍（北京科技大學(xué)）工序的生產(chǎn)情況。為熱送熱裝生產(chǎn)計(jì)劃編制、生產(chǎn)管理以及加熱爐生產(chǎn)控制等研究和實(shí)際應(yīng)用提供了一種有效的工具。

　　1前言連續(xù)式加熱爐是軋鋼生產(chǎn)的重要設(shè)備，其操作水平的高低直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量和能耗指標(biāo)，它是煉鋼連鑄到軋制生產(chǎn)的中間環(huán)節(jié)，為實(shí)現(xiàn)均衡連續(xù)的軋制生產(chǎn)起著重要的緩沖調(diào)節(jié)作用。此外，連鑄坯熱送熱裝工藝的節(jié)能降耗、提高生產(chǎn)率的效果最終也體現(xiàn)在加熱爐工序的加熱過程中近年來，由于連續(xù)加熱爐在軋鋼生產(chǎn)和熱送熱裝新工藝中所處的重要地位，使之成為研究熱點(diǎn)之一。有關(guān)加熱爐的研究大多從熱能的角度側(cè)重于加熱爐加熱優(yōu)化控制研究，如爐溫優(yōu)化控制、鋼坯加熱優(yōu)化控制等，但對(duì)于生產(chǎn)計(jì)劃和調(diào)度管理者來說，關(guān)心的是生產(chǎn)的整個(gè)運(yùn)營(yíng)情況和物流狀態(tài)，而這方面的研究相對(duì)較少。本文從加熱爐爐群生產(chǎn)物流的角度，結(jié)合熱能控制，針對(duì)連續(xù)步進(jìn)式加熱爐，建立了加熱爐爐群生產(chǎn)物流仿真系統(tǒng)，從流與能的角度研究加熱爐爐群的生產(chǎn)物流過程。

　　2重要的模型2. 1加熱爐物流仿真系統(tǒng)模型離散型仿真系統(tǒng)有兩種類型：離散事件系統(tǒng)模型和離散時(shí)間系統(tǒng)模型。離散事件系統(tǒng)模型是以事件為推動(dòng)模擬進(jìn)程離散時(shí)間系統(tǒng)模型是以時(shí)間單元為步長(zhǎng)的離散性動(dòng)態(tài)模型。加熱爐物流仿真系統(tǒng)模型是在離散時(shí)間系統(tǒng)仿真理論基礎(chǔ)上建立的。

　　2. 2板坯溫示模型加熱爐的生產(chǎn)就是加熱板坯，其出爐節(jié)秦、溫度和斷面溫差必須滿足軋制工藝的要求，仿真模型中要滿足的約束中有很多是與板坯溫度有關(guān)的。因此，板坯的溫度分布關(guān)系到仿真結(jié)果的可靠性，成為生產(chǎn)仿真系統(tǒng)中的重要部分。板坯內(nèi)部溫度分布至今尚無法實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)，因此必須借助鋼坯加熱溫示數(shù)學(xué)模型來實(shí)現(xiàn)鋼坯溫度的直接控制。

　　基于對(duì)加熱爐內(nèi)傳熱過程的不同簡(jiǎn)化方法，已開發(fā)了許多用于爐溫和鋼坯預(yù)測(cè)及控制的模型。近聯(lián)系人：李婧，博士研究生，北京（ 100083）北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院年來使用較多的加熱模型是按傅立葉導(dǎo)熱定理描述的一維加熱微分方程，文獻(xiàn)表明[ 3， 4]，經(jīng)過認(rèn)真校核的一維穩(wěn)態(tài)模型有足夠的計(jì)算精度，完全滿足本系統(tǒng)生產(chǎn)仿真精度的要求。

　　影響爐內(nèi)板坯溫度分布的因素很多，建模時(shí)做下列假設(shè)。

　　（ 1）爐溫分布不隨時(shí)間而變化，將爐溫沿爐長(zhǎng)方向分段線性化。認(rèn)為爐膛內(nèi)介質(zhì)溫度在分區(qū)內(nèi)是均勻的，忽略沿爐長(zhǎng)方向上各區(qū)段間的輻射傳熱。

　　（ 2）板坯在爐內(nèi)運(yùn)動(dòng)節(jié)奏均勻，忽略板坯傳熱的端部效應(yīng)，其導(dǎo)熱過程只沿厚度方向發(fā)生。

　　（ 3）忽略板坯表面氧化層對(duì)傳熱的影響。

　　（ 4）爐內(nèi)各段的爐壁黑度、鋼坯黑度和角度系數(shù)均作常數(shù)處理。

　　（ 5）板坯在爐內(nèi)的加熱為對(duì)稱加熱。

　　2. 3最佳爐溫動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模型最佳爐溫動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)膶?shí)質(zhì)是利用板坯的離線最佳爐溫曲線，在線的調(diào)整爐溫。最佳爐溫曲線是在板坯最佳加熱曲線下的爐溫加熱制度，在實(shí)際生產(chǎn)中，產(chǎn)量波動(dòng)，隨機(jī)干擾等因素必然使鋼溫和爐溫偏離優(yōu)化溫度，為了消除在仿真中鋼溫偏差，采取對(duì)爐溫進(jìn)行動(dòng)態(tài)爐溫補(bǔ)償措施，使仿真更接近實(shí)際情況。

　　3爐群生產(chǎn)物流仿真系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)3. 1設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)（ 1）系統(tǒng)性以加熱爐爐群為研究對(duì)象，從系統(tǒng)的角度去仿真生產(chǎn)。這是區(qū)別于某些加熱爐的具體單項(xiàng)研究的重要特點(diǎn)之一。

　　（ 2）通用性以現(xiàn)在流行的四段式連續(xù)步進(jìn)式加熱爐即預(yù)熱段、第一加熱段、第二加熱段、均熱段為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（五段式可以簡(jiǎn)化為四段式） ，基本加熱爐參數(shù)及爐數(shù)、節(jié)奏等生產(chǎn)參數(shù)都可變化，具有一定的通用性。

　　（ 3）實(shí)用性盡可能滿足實(shí)際生產(chǎn)中的約束條件，達(dá)到輔助生產(chǎn)的作用，又由于許多參數(shù)如冷熱出爐節(jié)奏、冷熱間隔距離等參數(shù)可變化，因此通過仿真可以研究參數(shù)的規(guī)律和優(yōu)化問題。

　　（ 4）直觀性板坯的加熱曲線、仿真的結(jié)果顯示和時(shí)間表都直觀顯示出板坯在爐加熱狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

　　（ 5）擴(kuò)展性仿真系統(tǒng)具有擴(kuò)展性，其功能和性能可以進(jìn)一步增加和完善。

　　3. 2約束條件（ 1）板坯跨區(qū)約束為保證板坯加熱的均勻性，在空爐初始化過程中，可快速入爐，但在板坯跨區(qū)段時(shí)，要滿足該板坯的表面溫度大于或等于該板坯在該段的目標(biāo)溫度的約束在正常生產(chǎn)仿真時(shí)，板坯跨區(qū)時(shí)要滿足板坯在該段的時(shí)間大于或等于該板坯在該段的最短在段時(shí)間的約束。

　　（ 2）入爐約束在初始化中，要滿足人工設(shè)定的入爐節(jié)奏要求，同時(shí)要求入爐口有足夠的空間放置入爐板坯。在正常生產(chǎn)狀態(tài)下，只要入爐口有放置待入板坯的空間，即可入爐。

　　（ 3）出爐約束板坯出爐順序要嚴(yán)格按軋制計(jì)劃順序出爐，在盡可能滿足加熱目標(biāo)溫度的條件下滿足出爐節(jié)奏的要求。

　　（ 4）入爐時(shí)爐號(hào)的選擇在常溫坯（簡(jiǎn)稱冷坯）生產(chǎn)時(shí)，按爐號(hào)1， 2，…，1， 2，…順序入爐，在熱送坯（簡(jiǎn)稱熱坯）和冷坯同時(shí)生產(chǎn)時(shí)，如不采用專用爐（非專用爐制） ，即仍按冷坯生產(chǎn)時(shí)的入爐規(guī)則如用專用爐（專用爐制） ，則熱專用爐入熱坯，其他爐入冷坯，按爐號(hào)順序入爐。

　　（ 5）節(jié)奏變化當(dāng)同爐冷熱（冷坯在前，熱坯在后）混裝時(shí)，熱坯進(jìn)入二加后出爐節(jié)奏變快，采用熱坯出爐節(jié)奏熱冷（熱坯在前，冷坯在后）混裝時(shí)，冷坯進(jìn)入二加后節(jié)奏變緩，采用冷坯出爐節(jié)奏。這樣使溫度和節(jié)奏有一定的過渡，以減輕冷熱入爐板坯因加熱制度不同而造成的影響。

　　3. 3總體功能結(jié)構(gòu)總體功能結(jié)構(gòu)見圖1.

　　（ 1）基本參數(shù)設(shè)置模塊對(duì)連續(xù)步進(jìn)式加熱爐結(jié)構(gòu)基本參數(shù)、爐個(gè)數(shù)、仿真時(shí)間步長(zhǎng)、出爐節(jié)奏等仿真基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、修改，建立參數(shù)文件。

　　（ 2）熱參數(shù)設(shè)置模塊對(duì)板坯溫示模型中的各段總括吸收率、簡(jiǎn)化后的冷熱板坯加熱制度、溫示模型中時(shí)間步長(zhǎng)等溫度計(jì)算基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

　　（ 3）軋制計(jì)劃的編輯模塊對(duì)軋制計(jì)劃數(shù)據(jù)庫進(jìn)行輸入、修改、刪除、添加等基本操作。

　　（ 4）空爐初始化模塊時(shí)間表顯示板坯加熱曲線正常生產(chǎn)仿真空爐初始化軋制計(jì)劃編輯熱參數(shù)設(shè)置基本參數(shù)設(shè)置加熱爐物流仿真系統(tǒng)對(duì)空爐進(jìn)行初始化仿真，將板坯按一定規(guī)則排滿爐中，將結(jié)果保存在結(jié)果數(shù)據(jù)庫中。

　　（ 5）正常生產(chǎn)模塊在滿足一定約束的條件下，對(duì)加熱爐的正常生產(chǎn)進(jìn)行一個(gè)或多個(gè)軋制計(jì)劃的仿真，對(duì)有熱板坯的計(jì)劃可以按專用爐制度和非專用爐制度仿真，給出入爐、出爐時(shí)間和順序、入爐號(hào)、出爐板坯溫度、在爐時(shí)間等結(jié)果，存入結(jié)果數(shù)據(jù)庫。

　　（ 6）時(shí)間表顯示模塊按時(shí)間的順序排列出入爐事件。

　　4應(yīng)用實(shí)例4. 1溫示模型的驗(yàn)證其中加熱爐有效長(zhǎng)度為50000 mm.

　　將余熱回收與預(yù)熱合并總稱為預(yù)熱段，簡(jiǎn)化為四段加熱式。

　　驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)板坯尺寸為250 mm×1250 mm×生產(chǎn)率為冷裝350 t/ h.出爐板坯表面為1 250±10℃，斷面溫差小于35℃板坯的性能參數(shù)按文獻(xiàn)和文獻(xiàn)[ 6]取值。

　　板坯加熱曲線圖。

　　板坯中心溫度與實(shí)際值的最大誤差為4. 8 ，加熱終了溫度非常接近實(shí)測(cè)值，在計(jì)算過程中，一加和二加終了溫度誤差比較大，這與一加和二加爐溫線性化的誤差有很大關(guān)系。數(shù)據(jù)表明，只要取得合適的總括吸收率值和爐溫，模型的計(jì)算是可靠的。

　　4. 2仿真實(shí)例以某鋼廠的連續(xù)步進(jìn)式加熱爐為仿真對(duì)象，加熱爐尺寸如圖1所示爐數(shù)為2爐仿真板坯尺寸為目標(biāo)為（ 1250±10）℃，斷面溫差≤35℃軋制節(jié)奏為冷計(jì)劃板坯出爐節(jié)奏2. 5 min，熱計(jì)劃中熱坯出爐節(jié)奏為2 min，冷坯出爐同冷計(jì)劃。（冷計(jì)劃指計(jì)劃板坯全為冷板坯，熱計(jì)劃為計(jì)劃中全部或部分為熱板坯） 專用爐數(shù)為1爐熱軋制計(jì)劃中出爐結(jié)構(gòu)規(guī)律為三熱二冷，即熱專用爐連續(xù)出3塊坯之后，專門加熱冷坯的加熱爐連續(xù)出2塊坯，兩爐按此比例交替出爐。

　　仿真部分結(jié)果，爐溫變化曲線圖見圖4.

　　5結(jié)論（1）為了適合加熱爐爐群生產(chǎn)物流仿真的特點(diǎn)，系統(tǒng)使用了總括熱吸收率法簡(jiǎn)化一維模型，提高了求解速度。經(jīng)驗(yàn)證，計(jì)算值與參考值吻合較好，最大誤差為4. 8　，模型的計(jì)算速度和精度滿足整個(gè)模型仿真的要求。

　　項(xiàng)目驗(yàn)證項(xiàng)目預(yù)熱段第一加熱段第二加熱段均熱段各段平均爐溫/℃上下簡(jiǎn)化爐溫段/℃段末板坯上下表面平均值溫度/℃測(cè)量值段末板坯表面溫度/℃計(jì)算值相對(duì)誤差/ 段末板坯中心溫度/℃測(cè)量值計(jì)算值相對(duì)誤差/ 注： 1）為文獻(xiàn)中現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)入爐順序入爐號(hào)出爐順序板坯號(hào)入爐時(shí)間/出爐時(shí)間/出爐間隔/板坯頭位置/板坯尾位置/板坯位置狀態(tài)板坯熱狀態(tài)入爐溫度/在爐時(shí)間/表面溫度/中心溫度/斷面溫差/（ 2）為滿足生產(chǎn)率變化時(shí)板坯加熱需要，系統(tǒng)使用了加熱爐爐溫設(shè)定補(bǔ)償算法，效果較好，由仿真結(jié)果看板坯的加熱溫度總體為1 239℃～1261℃，在考慮誤差的情況下滿足板坯的加熱目標(biāo)范圍。

　　（ 3）系統(tǒng)能夠進(jìn)行各種連續(xù)步進(jìn)式加熱爐爐群生產(chǎn)條件下的仿真，用于探討熱送熱裝生產(chǎn)組織工藝，熱送熱裝軋制計(jì)劃編制和在線生產(chǎn)控制等有關(guān)的系統(tǒng)問題。

作者：佚名　　來源：中國(guó)潤(rùn)滑油網(wǎng)