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)的整個運(yùn)營情況和物流狀態(tài)，而這方面的研究相對較少。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)模型和離散時間系統(tǒng)模型。離散事件系統(tǒng)模型是以事件為推動模擬進(jìn)程離散時間系統(tǒng)模型是以時間單元為步長的離散性動態(tài)模型。加熱爐物流仿真系統(tǒng)模型是在離散時間系統(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，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。

　　基于對加熱爐內(nèi)傳熱過程的不同簡化方法，已開發(fā)了許多用于爐溫和鋼坯預(yù)測及控制的模型。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，建模時做下列假設(shè)。

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

　　（ 2）板坯在爐內(nèi)運(yùn)動節(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)的加熱為對稱加熱。

　　2. 3最佳爐溫動態(tài)補(bǔ)償模型最佳爐溫動態(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，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，采取對爐溫進(jìn)行動態(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)果顯示和時間表都直觀顯示出板坯在爐加熱狀態(tài)和運(yùn)動狀態(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，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，板坯跨區(qū)時要滿足板坯在該段的時間大于或等于該板坯在該段的最短在段時間的約束。

　　（ 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）入爐時爐號的選擇在常溫坯（簡稱冷坯）生產(chǎn)時，按爐號1， 2，…，1， 2，…順序入爐，在熱送坯（簡稱熱坯）和冷坯同時生產(chǎn)時，如不采用專用爐（非專用爐制） ，即仍按冷坯生產(chǎn)時的入爐規(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，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，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)置模塊對連續(xù)步進(jìn)式加熱爐結(jié)構(gòu)基本參數(shù)、爐個數(shù)、仿真時間步長、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)置模塊對板坯溫示模型中的各段總括吸收率、簡化后的冷熱板坯加熱制度、溫示模型中時間步長等溫度計(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，對加熱爐的正常生產(chǎn)進(jìn)行一個或多個軋制計(jì)劃的仿真，對有熱板坯的計(jì)劃可以按專用爐制度和非專用爐制度仿真，給出入爐、出爐時間和順序、入爐號、出爐板坯溫度、在爐時間等結(jié)果，存入結(jié)果數(shù)據(jù)庫。

　?。?6）時間表顯示模塊按時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度為50000 mm.

　　將余熱回收與預(yù)熱合并總稱為預(yù)熱段，簡化為四段加熱式。

　　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/℃上下簡化爐溫段/℃段末板坯上下表面平均值溫度/℃測量值段末板坯表面溫度/℃計(jì)算值相對誤差/ 段末板坯中心溫度/℃測量值計(jì)算值相對誤差/ 注： 1）為文獻(xiàn)中現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)入爐順序入爐號出爐順序板坯號入爐時間/出爐時間/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/在爐時間/表面溫度/中心溫度/斷面溫差/（ 2）為滿足生產(chǎn)率變化時板坯加熱需要，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：中國潤滑油網(wǎng)