加熱爐全自動模型在寶鋼熱軋各產線的運用

王墨南,呂立華

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

加熱爐是鋼鐵生產工藝的重要環節,板坯的加熱質量直接影響了鋼鐵產品的最終質量。近年來,寶鋼熱軋各產線都在大力推進加熱爐全自動模型,以達到加熱爐無人化操作。同時隨著生產的發展,產品越來越多,質量要求越來越高,加熱爐全自動模型的個性化要求也越來越高。

本文根據寶鋼各產線生產的實際情況,基于傳統的加熱爐燒鋼模型,結合現場經驗,優化了加熱爐燒鋼模型,包括優化板坯必要爐溫、段內設定溫度、生產節奏等。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

一般加熱爐的側視圖如圖1所示,預熱段和加熱段上下都安裝有側燒嘴,均熱段上部為平焰燒嘴,下部為側燒嘴。L2溫度設定模型只控制安裝有燒嘴的預熱段、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

傳統加熱爐全自動燒鋼模型具有下列功能。

1.1.1 L2系統板坯熱跟蹤模型

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

1.1.2 L2系統加熱爐各段自動設定溫度

根據加熱爐L2控制系統計算或給出的板坯實時溫度、板坯段末溫度、生產節奏等計算加熱爐各段(預熱段、加熱段、均熱段)的設定溫度。具體計算步驟如下:

(1)計算板坯在各段的段末目標溫度。

有段末溫度要求的板坯根據要求計算段末目標溫度;無段末溫度要求的板坯根據出爐目標溫度和生產經驗給予段末目標溫度,如板坯的加熱段段末溫度可以低于出爐目標溫度一定值。板坯預熱段段末目標溫度可以根據出爐目標溫度和模擬升溫曲線預測段末目標溫度。

(2)板坯剩余在段時間計算。

模型根據軋線計算的出鋼節奏、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。

加熱爐段內板坯根據標準爐溫曲線(每塊板坯在加熱爐內都有一條設定好的標準爐溫曲線,根據板坯的規格、裝鋼溫度等,標準爐溫曲線的大小也會不同,數值可以離線配置)和剩余在段時間第一次模擬計算板坯到達段末的計算溫度T1。再根據標準爐溫曲線升高50 K的曲線(形狀和標準爐溫曲線類似),采用同樣的方法第二次計算板坯到達段末的計算溫度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=當前段標準爐溫+

(目標段末溫度-T1)/溫度感度

(3)

(4)段內設定溫度計算。

加熱爐段內根據計算的板坯必要爐溫、板坯溫度權重、板坯特殊鋼權重、板坯位置權重加權計算段內的設定爐溫[2],見式(4)。

(4)

式中:θSET為段內設定溫度;θslab為板坯必要爐溫;W=板坯溫度權重×板坯特殊鋼權重×板坯位置權重;N為段內板坯數量。

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

板坯特殊鋼權重:模型可以根據板坯的重要程度設置不同的特殊鋼權重,這樣就可以在不同鋼種過渡時保證質量要求,更加嚴格板坯的生產工藝。

板坯位置權重:根據段內板坯的位置設定位置權重。一般段內中部板坯的位置權重大于剛入段和將要出段的板坯。

1.1.3 L2—L1控制

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

1.2 存在問題

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

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

圖3 標準爐溫圖

現在根據離線模擬數據來說明標準爐溫對板坯必要爐溫計算的影響。以板坯在預熱段的情況為例,案例A為假設預熱段的段末目標溫度為980 ℃,板坯在預熱段的初始平均溫度為640 ℃,剩余出段時間為40 min;案例B為假設預熱段的段末目標溫度為980 ℃,板坯在預熱段的初始平均溫度為990 ℃,剩余出段時間為10 min,采用matlab離線計算不同標準爐溫對必要爐溫的影響,見表1。

表1 不同標準爐溫對設定爐氣溫度的影響

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

傳統的加熱爐燒鋼模型如果沒有結合各條產線的實際經驗,計算的板坯必要爐溫不準確,從而加熱爐各段的設定溫度也難以準確,導致模型投入率偏低。

2 現場解決方案

根據現場各條產線的生產經驗,優化了加熱爐燒鋼模型的部分功能,使模型設定值更加適合現場實際情況,取得了很好的現場運用效果。

2.1 目標溫度優化

傳統的加熱爐燒鋼模型板坯各段的目標溫度設定較為粗糙,預熱段段末目標溫度采用預測計算,加熱段段末目標溫度根據板坯出爐溫度適當減少一定溫度計算。該方法并不能很好地反映現場實際情況。優化方法如下:

(1)加熱段段末目標溫度根據開爐數不同、爐號不同,多維度進行段末溫度設定。

(2)大多數鋼種預熱段段末目標溫度設定根據標準爐溫預測計算,見公式(5)。

預熱段目標溫度=

(5)

該方法根據加熱段目標溫度和各段的升溫速率倒推預熱段目標溫度。由于升溫速率的計算也是根據標準爐溫而得(類似必要爐溫計算的方法),根據上一章節的分析,同樣存在很大的不準確性。同時,該方法也沒有考慮生產實際情況,過于理想化,計算的段末目標溫度與現場實際要求相距甚遠。

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

2.2 上下爐溫差優化

板坯在實際生產時,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。當不同工藝鋼種交接時,上下爐溫差隨著板坯必要爐溫加權進行設定。比如段內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,加權計算后段內設定溫度上下部爐溫會很接近,這就不符合現場實際情況?，F場不同種類板坯交接時,往往是一種鋼比另一種鋼生產質量更敏感,上下爐溫差要求更嚴,但是設定溫度高低卻需要兼顧兩種種類的板坯,即按照板坯權重加權計算段內設定溫度。

本文的優化方法是把上下爐溫差敏感的板坯根據出鋼記號列出。當段內出現這些板坯時,段內設定溫度嚴格按照這些板坯的工藝拉開上下爐氣溫差。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產線得到應用,達到預期效果。

2.3 提前升降溫優化

現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的普通板坯控制。比如特殊板坯剛進入預熱段,加熱段的爐溫就應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別,兩種鋼種交接時加熱爐的爐溫無法快速控制在特殊板坯的要求范圍內,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質量。原有加熱爐控制模型無法實現這個功能,操作工只能手動控制特殊板坯與普通板坯的交接。

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

該模塊在梅鋼1 422 mm產線得到了應用,達到了預期效果。

2.4 必要爐溫優化

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確性,導致段內設定溫度計算不準確。尤其是板坯降溫時,設定溫度往往過低,與實際情況不符。

本文的優化邏輯為:①對板坯的必要爐溫計算根據實際經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溫度的板坯,則必要爐溫計算可以在特定范圍內修正到一定值;某些出爐溫度需要不能高于出爐目標溫度太多的板坯,則必要爐溫計算可以在特定范圍內限定一個上限值。

2.5 節奏優化

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

本文為解決這個問題,優化了真實生產節奏,通過修正后的虛擬節奏再計算加熱爐設定值,解決了節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 虛擬節奏計算表

生產節奏過快或兩爐生產時,虛擬節奏要比真實節奏計算的更小,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 應用案例

根據現場實際生產經驗優化后的加熱爐全自動模型已在寶鋼熱軋多條產線得以運用,測試表明,長期運行穩定,并且有很高的自動燒鋼投入率。

圖4為梅鋼1 422 mm產線自動燒鋼畫面,各段全部采用自動模式控制。

圖4 加熱爐自動燒鋼畫面

4 結語

分析了傳統加熱爐模型存在的問題,根據寶鋼各產線生產的實際情況,優化了各個模塊,特別對于質量敏感的鋼種進行了針對性設置,包括目標溫度優化、上下爐氣溫差優化、提前升降溫模塊、板坯必要爐溫優化、節奏優化等。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化的同時,筆者也真切感受到加熱爐硬件狀態對自動燒鋼的影響。一般加熱爐工作狀態穩定的產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,生產質量和自動化率才能穩步提升,真正降低操作人員的工作強度。