宝钢热轧加热炉控制模型的开发

宝钢热轧加热炉控制模型的开发宝钢热轧加热炉控制模型的开发吕立华沈际海邓龙张健民（宝钢研究院自动化研究所，上海201900）摘要为了满足热轧生产的需求，加热炉模型控制需要不断的适应和优化。加热炉控制模型是加热炉过程控制的核心，主要包括热跟踪模型、板坯温度预报模型、炉气温度设定优化模型、剩余在炉时间预报模型以及休止处理模型等，这些模型进行组合对加热炉进行控制，满足板坯的加热质量、轧线生产节奏和节能的控制目标。本文回顾了宝钢热轧加热炉控制模型的开发经历，叙述了加热炉模型控制模块的主要功能，给出热轧加热炉的一些优化方法，优化的加热炉控制模型对提高板坯的加热质量和降低能源消耗具有明显的效果。关键词热轧加热炉控制模型Reheating-furnaceControlModelDevelopmentforBaosteelHotStripRollingPlantLvLihuaShenJihaiDengLongZhangJianmin（ResearchInstitute,AutomationResearchDepartment,BaoshanIronandSteelCop.,Ltd.,Shanghai,201900）AbstractItisnecessaryforre-heatingfurnacecontrolmodeltoadaptandoptimizeinordertosatisfytherequirementofhotstriprollingproduction.Re-heatingfurnacecontrolmodelisthecoreofthere-heatingfurnaceprocesscontrol,includingheatingtrackingmodel,slabtemperatureforecastingmodel,airtemperatureoptimalsetupmodelretainingtimemodelandpausemodel.Modelcontrolaimistosatisfythequalityofslabheatingandmillpaceandminenergy.Inthispaper,thestoryofdevelopmentinthere-heatingfurnacecontrolmodelinhotrollingtechnologyinBaosteelisreviewed.Themaincontentsofre-heatingfurnacecontrolmodelarespecified.SomeoptimalmethodsareprovidedtobeusedBaosteel2050hotmillre-heatingfurnace.Applicationshowsthatgoodre-heatingfurnacecontrolmodelcanimproveslabheatingqualityanddecreaseenergywaste.Keywordshotstriprolling，reheatingfurnace，controlmodel1引言加热炉自动烧钢控制系统是热轧生产的重要环节之一，其主要控制目的是：使加热炉内板坯按轧制节奏移动和抽钢，满足后道工序的产量需求；通过合理的升温，使板坯在到达出炉位置时加热到目标出炉温度、满足目标均热度等各种技术要求，保证加热质量；节约燃料，减少烧损。加热炉能量消耗在整个钢铁行业中占有较大的比重，由于能源危机和环境污染日益加重，如何在满足热轧板坯加热质量的条件下减少加热炉的能耗和污染是当前各国研究工作者所面临的重要课题。目前世界上一些发达国家的大型钢铁企业都使用自动烧钢，因为只有在自动控制的前提下，才能稳定加热炉的烧钢质量和产量，优化加热炉的节能指标，因此加热炉模型控制技术是加热炉核心技术之一。本文回顾了宝钢热轧加热炉模型技术的发展历程，介绍了宝钢热轧加热炉模型系统的关键技术及模型控制框架，并给出了现场应用效果，最后提出热轧加热炉模型进一步发展的方向。2宝钢热轧加热炉模型的发展宝钢在加热炉自动烧钢模型方面已进行了多年的研究和开发，积累了许多成果的经验和教训，形成加2007中国钢铁年会论文集热炉模型成套能力研发能力。1998宝钢1580热轧增建3号硅钢加热炉，宝钢首次独立开发加热炉L2过程控制软件系统，在原1580加热炉模型的基础上增加了3号加热炉的燃烧控制和热跟踪模型。2001年宝钢研究院自动化所为主完成“冶金加热炉节能控制技术研究”项目，该项目以1580加热炉为对象建立了整套加热炉仿真系统，该系统是一个包括ACC控制节能仿真、DCS仿真系统、加热炉炉体模型等在内的集成仿真系统，通过该仿真系统的研究，宝钢进一步掌握了热轧加热炉模型技术。2004年宝钢2050产线2号加热炉进行蓄热式改造，同时2050加热炉自投产以来，模型运行状况一直不是很好，生产长期为“B”方式。在这种条件下，宝钢研究院、设备部、热轧厂共同组成研发团队，启动“2050蓄热加热炉自动烧钢模型及炉群C方式研究”项目，项目针对2050加热炉系统在加热炉在炉时间计算、加热炉温度跟踪模型、炉温设定、模型学习等方面产生宝钢独立知识产权的技术，并使加热炉“C”方式达到95％以上。2004年宝钢开始建设1880热轧，公司决定由宝钢自主开发1880加热炉模型控制系统。1880三热轧定位于建成国际上最具竞争力的热轧生产线，将具有世界最先进的生产设备和生产技术指标。1880加热炉系统将包括一座高温加热炉和三座全蓄热式加热炉，目前已经全部投产，模型控制系统运行稳定。2007年宝钢开发了高线加热炉的过程控制模型，同时结合环形加热炉开发了环形加热炉模型控制系统。经过数年的积累，目前已经具备提供板坯、方坯和圆坯加热炉成套过程控制模型的能力。3热轧加热炉控制模型热轧加热炉燃烧控制属于复杂的热工控制过程，存在很多影响板坯加热质量的不确定性因素，例如：轧线加热节奏的变化、计划编排的合理性、仪表设备的状况等，所以控制模型必须适应热轧生产的实际情况，平衡各种各样的需求。从总体上看，加热炉控制模型可以分为正常生产的燃烧控制模型和异常情况下的燃烧控制模型。这两类控制模型的目标是不完全一样的，需要分别对待，但它们基本上都可以抽象为基于热传导方程的多目标的非线性优化控制问题。加热炉燃烧控制模型的主要模块如图1所示。图1加热炉控制模型主要模块从图1可以看出加热炉燃烧控制模型涉及的模型很多，核心是周期计算，也就是指定的时间间隔定时启动计算模型动态确定当前各段的炉气设定温度。优化计算的关键是确定板坯最佳升温曲线和必要炉温，它是满足一定约束条件的最优化问题，即正常生产时，要确保加热质量和满足轧线产量，并做到尽可能节能。这里的板坯最佳升温曲线是指在所考虑的几个有限的优化目标的前提下，最优化的。实际生产中远不止这几个目标，所以只能是某种程度上近似的最优化。宝钢1580和2050在求取最佳升温曲线时，求解了一个多目标优化命题。由于二者的控制思想不同，在应用上没有统一的形式。图2是加热炉仿真系统的框图，基本上反映了加热炉模型控制系统的主要结构框架。热轧生产对板坯的温度控制要求越来越高，相应地对加热炉燃烧控制也提出了更高的要求，例如对板坯的均热度、上下表面温差、全长温度以及边部温度都有更高的要求，另外在满足板坯加热质量的前提下，还要尽可能的节约能源。控制模型在平衡这些目标时，要仔细考虑模型参数的分类，区分不同的功能需求，明确在什么情况下，采取什么样的控制策略等等，在模型具体实现上，关键的是设计调整好热跟踪模型、必要炉温优化模型和剩余在炉时间预报模型以及休止处理模型。可以说，这些是加热炉燃烧控制模型的主线，其他众多模型都是为这条主线服务的。宝钢热轧加热炉控制模型的开发图2加热炉模型控制结构图4宝钢热轧加热炉模型的应用1998宝钢1580热轧增建3号硅钢加热炉，在增加3号加热炉的燃烧控制和热跟踪模型的过程中，积累了加热炉模型的开发经验，并通过仿真加深了对加热炉控制模型的理解。在对2050加热炉控制系统优化时，一些经验和方法得到了应用。1880热轧全蓄热加热炉和高温取向硅钢加热炉模型的成功开发，使得模型系统更加完善，满足了许多新的需求，提供了许多新的模型功能。4.1加热炉在炉时间优化加热炉板坯的炉温设定是一个滚动优化过程，其中涉及一个重要的变量就是剩余在炉时间。板坯剩余在炉时间预测的精度直接影响到板坯温度预测模型的精度，从而影响设定炉温的准确性。1580基本上是按定时抽钢节奏进行加热炉生产的，尽管2050也是这样，但很多情况由操作工手动进行抽钢的，这样必然导致不同规格的板坯在加热炉的时间不同，如果完全按相同的轧制节奏进行计算和学习修正，往往带来较大的误差。优化后的板坯剩余在炉时间模型中首先将四个加热炉看成一个整体统筹考虑加热炉系统的抽钢节奏，再将系统的抽钢节奏对应到同一炉内的板坯出炉间隔。通过建立统一的加热炉板坯出炉间隔层别，建立加热炉系统出炉间隔的预测，可以预先知道在正常生产的情况下出炉节奏的变化，避免了在板坯变规格时由于轧制节奏的变化引起出炉间隔的变化而导致的在炉时间计算的不稳定。另外针对实际生产节奏的变化，建立了加热炉出炉间隔的自学习修正系统，进一步提高了在炉时间的预测精度。该算法投运后，系统运行正常，并一直在线控制。系统预测的板坯各段在炉时间以及总在炉时间的标准差显著减少，模型精度提高20%以上。4.2加热炉标准炉温设计方法及其应用加热炉板坯加热控制的目标是通过合理分配各段的热负荷和设置上下炉温偏差来实现的。对于上下炉温偏差，手动控制时，操作工靠经验来操作；自动控制时，2050采用投产时的一套标准炉温，目前已经难以满足热轧生产的要求。在线调整是有一定风险的，所以迫切需要一种通过仿真模拟来确定标准炉温的方法。针对该问题，建立了加热炉标准炉温仿真工具，并建立加热炉标准炉温的设计方法和流程，其主要步骤如下：——首先给出了板坯温度校准模型；2007中国钢铁年会论文集——然后通过图上操作的方法，通过仿真模拟确定标准炉温；——最后介绍了标准炉温的使用方法。该技术把数学方法与图形操作有机结合起来，把经验与工艺统一起来，具有很强的实用性。利用该技术给出了2050常规加热炉和蓄热式加热炉的标准炉温，为常规加热炉标准炉温的优化提供了参考和技术支持，蓄热加热炉的标准炉温直接在2050加热炉过程机上得到了应用，满足了生产的要求。4.3板坯温度模型物理参数以及模型参数的优化板坯温度模型是加热炉模型控制的关键，模型精度差的一个主要原因就是模型参数不合理，包括辐射系数和模型的物理参数（包括质量热容、密度和热传导率）。2050加热炉从投产开始一直没有对这部分进行很好的优化，由于设备状况和产品结构的变化，使得模型的适应性无法满足生产的要求。在进行分析的基础上，首先对板坯温度模型物理参数进行了优化，先利用现有知识，确定最大的物性参数集，并进行分类；然后给出计算物理参数的近似计算公式；最后给出基于近似原则的加权确定方法。该方法在2050加热炉自动烧钢中得到了应用，提高了模型的计算精度。然后，对模型参数和控制系统进行了优化，根据埋偶实验数据，利用自行开发的模型优化工具对辐射系数和炉温曲线进行了优化，同时优化了炉温设定规则和控制周期。经过优化以后，C方式投入率不断的提高，燃耗也随之降低。4.41880热轧加热炉模型新功能宝钢1880热轧建设的目标是高效、优质、低耗，为此建设了三座全蓄热加热炉和一座高温硅钢加热炉，并提出了许多新的需求，图3给出的是主要的关键需求。图31880热轧关键需求针对1880热轧的关键需求，加热炉模型控制系统实现了取向硅钢与普钢的交叉轧制控制模型，实现了冷热板坯分开装炉的模型控制方法，实现了板坯的头尾温度控制功能，实现了高温硅钢加热炉炉内自适应控制功能，以及热平衡计算功能等新的功能。1880热轧加热炉整套控制控制模型的开发，使得宝钢加热炉模型控制技术迈上了一个新的台阶。在模型的开发与应用过程中，体会到：加热炉是一个复杂的控制系统，不仅加热炉本身要受到各种因素