中厚板高溫固溶爐熱工過程建模與控制.pdf

1、本論文以中厚板輥底式高溫固溶爐為研究對(duì)象，針對(duì)固溶爐熱工過程控制的關(guān)鍵技術(shù)和重點(diǎn)問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究，建立了新型復(fù)合式脈沖燃燒時(shí)序控制、在線鋼板溫度實(shí)時(shí)跟蹤、灰色異步粒子群加熱優(yōu)化和爐輥水冷計(jì)算等重要數(shù)學(xué)模型。在上述基礎(chǔ)上，開發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“中厚板輥底式高溫固溶爐基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)”和“中厚板輥底式高溫固溶爐加熱過程優(yōu)化系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)了高溫固溶爐自動(dòng)化、精確化控制。論文主要工作及創(chuàng)新性成果如下:
　　(1)提出將定脈沖持續(xù)時(shí)間和

2、定脈沖消隱時(shí)間策略組合，開發(fā)了新型復(fù)合式脈沖燃燒時(shí)序控制模型，彌補(bǔ)了引進(jìn)熱處理爐時(shí)序控制模型參數(shù)不能最優(yōu)選取的不足，解決了積分法計(jì)算量大、硬件要求高的問題，實(shí)現(xiàn)了高精度爐溫控制。
　　脈沖燃燒時(shí)序控制直接關(guān)系爐溫控制精度的高低，是鋼板加熱成功與否的關(guān)鍵。研究了高溫固溶爐脈沖燃燒的控制原理，提出了定脈沖周期、定脈沖持續(xù)時(shí)間和定脈沖消隱時(shí)間三種建模策略。運(yùn)用數(shù)學(xué)分析手段確定了燃燒時(shí)序控制中影響爐溫偏差的因素，將定脈沖持續(xù)時(shí)間和定脈沖消

3、隱時(shí)間策略復(fù)合，建立了新型復(fù)合式脈沖燃燒時(shí)序控制模型。開發(fā)的模型成功應(yīng)用于RAL高溫固溶爐，爐溫精度可控制在±3℃以內(nèi)，同板絕對(duì)差和異板絕對(duì)差均小于8℃，取得了較好的溫度控制效果和加熱質(zhì)量。
　　(2)提出了考慮爐段間溫度耦合的爐膛溫度計(jì)算模型，以使計(jì)算爐溫更加接近真實(shí)工況。建立了適合脈沖燃燒方式的鋼板在線加熱模型，解決了高溫明火固溶爐鋼板溫度精確跟蹤難的問題。
　　通過對(duì)爐內(nèi)熱交換的研究，確定了鋼板換熱的特性，建立了鋼板外

4、部綜合傳熱熱流計(jì)算模型。利用拖偶試驗(yàn)，確定了爐膛總括熱吸收率計(jì)算模型。為使?fàn)t溫接近真實(shí)，建立考慮爐段間溫度耦合的爐膛溫度計(jì)算模型。在此基礎(chǔ)上，建立了在線加熱數(shù)學(xué)模型，主要包括鋼板導(dǎo)熱模型、爐內(nèi)傳熱模型和鋼板溫度全爐跟蹤模型。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)使用證明，所建模型準(zhǔn)確可靠，出爐測(cè)量溫度與計(jì)算溫度的相對(duì)誤差在1％以內(nèi)，能夠真實(shí)反映鋼板在爐內(nèi)加熱升溫過程。
　　(3)建立了灰色異步粒子群加熱優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)了加熱工藝制度的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化。提出從爐溫設(shè)定和板速

5、設(shè)定兩個(gè)方面建立加熱規(guī)程優(yōu)化補(bǔ)償策略，解決了爐溫波動(dòng)等造成的鋼板溫度和保溫時(shí)間出爐時(shí)不滿足要求的問題。
　　針對(duì)中厚板高溫固溶爐穩(wěn)態(tài)加熱優(yōu)化目標(biāo)的多維性，提出灰關(guān)聯(lián)分析法GRA與異步粒子群算法APSO組合，建立了高溫固溶爐的灰色異步粒子群加熱優(yōu)化策略。所建策略繼承了GRA高維多目標(biāo)決策和APSO并發(fā)求解的能力，為熱處理爐加熱優(yōu)化提供了新的求解方法。結(jié)合RAL中厚板輥底式高溫固溶爐單獨(dú)傳動(dòng)單獨(dú)變頻的設(shè)備特點(diǎn)，建立了爐溫設(shè)定和板速設(shè)定

6、兩種動(dòng)態(tài)優(yōu)化補(bǔ)償策略。建立的加熱優(yōu)化策略成功應(yīng)用于在線生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了加熱規(guī)程的優(yōu)化，有效保證了鋼板出爐溫度命中率。
　　(4)針對(duì)爐輥水冷機(jī)理不明、爐輥冷卻不當(dāng)會(huì)造成爐溫達(dá)不到要求的問題，研究了爐輥水冷對(duì)流換熱，建立了爐輥水冷模型，實(shí)現(xiàn)了爐輥水冷過程關(guān)鍵問題的計(jì)算。使用水冷模型進(jìn)行了仿真研究，提出了爐輥冷卻應(yīng)遵循的原則。
　　有關(guān)爐輥水冷的深入分析一直未見報(bào)道。通過分析爐輥輥內(nèi)水冷對(duì)流換熱，結(jié)合Dittus-Boelter和S

7、ieder-Tate管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，建立了爐輥水冷對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算模型。在此基礎(chǔ)上，建立了爐輥水冷模型并進(jìn)行了求解。通過與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了模型的有效性。使用水冷模型分析了冷卻水流速和進(jìn)水溫度對(duì)爐輥關(guān)鍵界面溫度、冷卻水出水溫度和能耗的影響，給出了爐輥冷卻過程中冷卻水流速（流量）和出水溫度的控制原則。所做研究為高溫固溶爐爐輥水冷優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)最佳冷卻提供了理論依據(jù)。
　　(5)開發(fā)了中厚板高溫固溶爐的基礎(chǔ)自動(dòng)化和過程自動(dòng)化

8、控制系統(tǒng)，解決了大型高溫固溶爐全自動(dòng)、全連續(xù)加熱生產(chǎn)的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了一鍵式生產(chǎn)操作。
　　設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要功能包括自動(dòng)點(diǎn)/停爐、鋼板位置微跟蹤和鋼板生產(chǎn)工序跟蹤、溫度自動(dòng)控制和爐壓自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)的自動(dòng)加熱生產(chǎn)。建立的過程優(yōu)化控制系統(tǒng)主要功能包括跟蹤調(diào)度、鋼板溫度跟蹤、保溫控制、加熱規(guī)程優(yōu)化及設(shè)定、出爐實(shí)績(jī)預(yù)測(cè)和模型自學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)了鋼板加熱過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和優(yōu)化控制。
　　開發(fā)建立的中厚板高溫固溶爐熱工