加热炉炉内坯料优化加热曲线计算系统及方法

摘要

一种计算加热炉内坯料优化加热曲线的方法，主要通过对坯料的位置跟踪及温度跟踪实现其在加热炉内的步进及加热。并综合考虑坯料出炉温度与目标温度的偏差及坯料的升温速率对原炉温制度进行修正，用修正后的炉温制度重新对坯料进行加热。对于满足出炉温度的坯料，以积分替代目标函数来表征本次加热燃耗的大小。完成指定次数的优化计算后，从中选出积分替代目标函数值最小的一个，并将其对应的坯料升温曲线作为该尺寸规格坯料的优化加热曲线。该方法可以在坯料入炉前完成多块坯料优化加热曲线的计算，计算效率高。利于加热炉数学模型利用所计算的坯料优化加热曲线修正加热制度，提高金属的加热质量和加热炉的生产效率，利于实现加热炉最优控制。

主权项

加热炉炉内坯料优化加热曲线计算系统，其特征在于包括：坯料步进及位置跟踪模块，对坯料进行步进操作并返回当前位置；坯料温度跟踪模块，对加热炉内坯料的内部温度场进行跟踪；加热炉炉温制度修正模块，根据温度参数，对炉温制度进行修正；燃料消耗量计算模块，对于满足目标出炉温度的坯料用积分替代目标函数来表征其从入炉至出炉整个加热过程的燃料消耗量多少；上述各模块依次相连；所述的系统还包括坯料参数初始化模块，初始化待入炉坯料几何参数及物性参数；加热炉炉温制度设定模块，对加热炉的相关参数进行初始化；计时器，计时并判断是否达到步进或温度跟踪周期；所述系统采用包括以下步骤的计算方法：S1)调用坯料参数初始化模块，初始化待入炉坯料几何参数及物性参数；同时，给定坯料入炉温度；S2)调用加热炉炉温制度设定模块，初始化加热炉相关参数；S3)计时器计时并判断时间是否达到加热炉步进周期，如果未达到加热炉步进周期，则计时器继续计时；如果达到加热炉步进周期，则执行坯料步进模块，按照加热炉的步进周期仿真坯料在加热炉内的步进动作，并实现对炉内坯料位置的实时预报；S4)计时器继续计时并判断时间是否达到坯料温度跟踪周期，如果未达到坯料温度跟踪周期，则计时器继续计时；如果达到坯料温度跟踪周期，则执行坯料温度跟踪模块，对不同尺寸规格的坯料在加热炉内不同在炉时间、不同炉内位置的内部温度场进行跟踪；S5)根据坯料位置跟踪模块返回的坯料当前位置数据来判断坯料是否步进至出炉位置，如果坯料尚未步进至出炉位置，则回到步骤S3；如果坯料已步进至出炉位置，则进入下一步；S6)计算坯料的温度参数，包括坯料出炉温度及出炉时坯料断面温差，与坯料目标值出炉温度进行比较，如果不在目标出炉温度允许范围内，则调用加热炉炉温制度修正模块，对原炉温进行修正，然后返回到步骤S2；如果在目标值允许范围内，则对坯料从入炉到出炉的温升进行拟合形成坯料优化加热曲线，然后调用燃料消耗量计算模块，对于满足目标出炉温度的坯料用积分替代目标函数来表征其从入炉至出炉整个加热过程的燃料消耗量多少；对炉温制度进行修正的方法包括：按以下公式进行修正：$T_{\mathrm{fur}\_u,i}^{n+1}=c_u·T_{\mathrm{fur}\_u,i}^n·(1-c_{1\_u,i}·\frac{\mathrm{\Delta T}}{T_{\mathrm{Disch}\arg e}})·(1-c_{2\_u,i}·\frac{\Delta k_i}{k_i})$$T_{\mathrm{fur}\_b,i}^{n+1}=c_b·T_{\mathrm{fur}\_b,i}^n·(1-c_{1\_b,i}·\frac{\mathrm{\Delta T}}{T_{\mathrm{Disch}\arg e}})·(1-c_{2\_b,i}·\frac{\Delta k_i}{k_i})$式中，分别为进行第n次炉温制度修正时加热炉第i炉段上、下炉膛的炉温，分别为对第n次炉温制度修正后的加热炉第i炉段上、下炉膛的炉温，并作为第n+2次炉温制度修正的初始值，c_u、c_b为与炉温制度有效修正次数相关的系数，c_{1_u,i}、c_{1_b,i}分别为第i炉段的炉温制度修正因子，c_{2_u,i}、c_{2_b,i}分别为第i炉段坯料升温速率修正因子，ΔT为坯料出炉温度与目标出炉温度的偏差，T_Discharge为坯料的目标出炉温度，为坯料在第i炉段升温速率的相对偏差；S7)判断坯料优化加热曲线计算次数是否达到设定的计算次数，如果没有达到，则坯料优化加热曲线计算次数加1，然后调用加热炉炉温制度修正模块，对炉温进行修正，然后返回到步骤S2；如果达到设定的计算次数，则输出坯料优化加热曲线；其中，步骤S4执行坯料温度跟踪模块的具体方法包括：首先，根据当期炉温制度，采用总括热吸收率法确定坯料上、下表面热流，其计算式为：式中，q_u、q_b分别为坯料上、下表面的热流密度；T_{fur_u}、T_{fur_b}分别为坯料所在炉段的加热炉上、下炉膛炉温；T_{surf_u}、T_{surf_b}分别为坯料当前上、下表面温度；σ为斯忒藩‑玻耳兹曼；φ_{CF_u}、φ_{CF_b}分别为坯料当前位置所对应的加热炉上、下炉膛总括热吸收率系数；然后，通过下面的导热控制方程求解坯料内部温度场T(y,τ)：$\rho \left(T\right)c\left(T\right)\frac{\partial T(y,\tau )}{\partial \tau }=\frac{\partial }{\partial y}\left[\lambda \left(T\right)\frac{\partial T(y,\tau )}{\partial y}\right]$导热控制方程的初始条件为：(1)对于冷装坯料，T(y,τ)|_τ＝0＝T₀(0≤y≤h)(2)对于热装坯料，T(y,τ)|_τ＝0＝T(y)(0≤y≤h)导热控制方程的边界条件为：$q_u\left(\tau \right)=\lambda \left(T\right)\frac{\partial T(y,\tau )}{\partial y}{|}_{y=h}(0<\tau <{\tau }_{\mathrm{TimeInFur}})$$q_b\left(\tau \right)=\lambda \left(T\right)\frac{\partial T(y,\tau )}{\partial y}{|}_{y=0}(0<\tau <{\tau }_{\mathrm{TimeInFur}})$式中，ρ(T)为坯料密度，c(T)为坯料比热容，λ(T)为坯料导热系数，T₀为环境温度，T(y)为热装坯料厚度方向的温度分布函数，τ_TimeInFur为坯料在加热炉内的加热时间，h为坯料厚度，T＝T(y,τ)为坯料温度场分布函数，y为坯料厚度方向的坐标，τ为时间；热装坯料厚度方向的温度分布函数T(y)按照下述方法确定：将坯料沿厚度方向进行划分，则从坯料下表面开始第i个节点的T(y)值为：(1)i＝0T_CharNode(i)＝T_Surf(2)i＝1～(N‑1)/2T_CharNode(i)＝‑4.621+0.01762·h+1.014·T_Surf+0.01387·Δh·i(0℃≤T_Surf≤350℃)T_CharNode(i)＝‑89.8+0.1979·h+1.122·T_Surf+0.157·Δh·i(350℃＜T_Surf≤700℃)T_CharNode(i)＝‑387.5+0.7166·h+1.345·T_Surf+0.6436·Δh·i(700℃＜T_Surf≤1050℃)T_CharNode(i)＝‑526.6+0.5363·h+0.5191·T_Surf+0.5004·Δh·i(1050℃＜T_Surf≤1400℃)(3)i＝(N‑1)/2+1～N‑1T_CharNode(i)＝T_CharNode(j)(j＝N‑1‑i)式中，N为沿坯料厚度方向等间距划分的节点数目，N为奇数，T_CharNode(i)为坯料入炉时内部第i个节点的温度，T_Surf为坯料入炉时检测的表面温度，Δh为坯料相邻两节点间的厚度，i＝0表示坯料下表面的节点，i＝N‑1表示坯料上表面的节点。