一種步進式加熱爐基于熱平衡的爐溫優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種步進式加熱爐基于熱平衡的爐溫優(yōu)化方法的技術(shù)方案，該方案的方法在于滿足鋼坯軋制要求的前提下，盡量降低加熱爐各段爐溫的設(shè)定值，從而降低燃料消耗，減少鋼坯的氧化燒損。其方法是利用爐內(nèi)的熱量平衡關(guān)系，建立爐溫、鋼溫、供熱量和熱損失之間關(guān)系式，并根據(jù)各種初始條件，如：爐型、鋼坯規(guī)格、種類、目標(biāo)出爐溫度、裝爐溫度和軋制節(jié)奏等工況，計算出沿爐長方向的各段最優(yōu)爐溫，使鋼坯在規(guī)定的時間內(nèi)加熱到合適的溫度和允許的斷面溫差，且能耗最小。
【專利說明】—種步進式加熱爐基于熱平衡的爐溫優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明屬于鋼鐵廠軋鋼步進式加熱爐的【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及步進式加熱爐在加熱鋼坯過程中，加熱爐的最優(yōu)供熱量、爐溫、坯溫之間的關(guān)系。
【背景技術(shù)】:
[0002]加熱爐是軋鋼生產(chǎn)線上一個主要的前置設(shè)備，其用途就是為軋機提供符合工藝要求的加熱過的鋼坯。步進式加熱爐是當(dāng)今軋鋼廠應(yīng)用最廣泛的鋼坯加熱爐型，通過步進梁升、進、降、退的循環(huán)動作將鋼坯從加熱爐進料端一步一步送往出料端，在此過程中對鋼坯進行逐步加熱。
[0003]步進式加熱爐為了把鋼坯加熱到目標(biāo)出鋼溫度，通常沿爐長方向設(shè)置幾個加熱段:預(yù)熱段，加熱段和均熱段，有的爐子還把加熱段分為加熱一段和加熱二段。加熱爐設(shè)置分段燒鋼的目的，是根據(jù)鋼坯的受熱特性，給予各段不同的爐溫。比如鋼坯進入加熱爐后，它首先要經(jīng)過預(yù)熱段進行緩慢升溫，預(yù)熱段溫度控制一般在650~950°C ;然后進入加熱段強化加熱，加熱段溫度控制一般在1050~1300°C ;最后進入均熱段使鋼坯內(nèi)外溫度更加均勻，均熱段溫度控制一般在1150~1280°C。在實際生產(chǎn)中，可以測知爐內(nèi)各段環(huán)境溫度，但無法測量每支鋼坯在爐內(nèi)的溫度，尤其是鋼坯的中心溫度。所以在這種情況下，為了保證鋼坯的目標(biāo)出爐溫度，多數(shù)鋼廠采用傳統(tǒng)的高燒法，即按照鋼坯加熱溫度的上限燒鋼，這樣不僅浪費了巨大能源，而且往往導(dǎo)致鋼坯燒損嚴(yán)重，也使得加熱爐壽命縮短。
[0004]隨著原材料的短缺和能源危機的加劇，以及企業(yè)之間的日益競爭，人們對產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、能源消耗、生產(chǎn)成本和環(huán)境保護提出了更高的要求。原來傳統(tǒng)的高燒法已不再適應(yīng)市場的需要。而且鋼種的升溫速度受各鋼種導(dǎo)熱速率限制，并不是爐溫越高鋼坯吸熱越多，在導(dǎo)熱速率限制下，即使高溫?zé)?，多余的熱量也不會被鋼坯吸收，反而對爐體壽命造成不良影響。

【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0005]本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，而提供一種步進式加熱爐基于熱平衡的爐溫優(yōu)化方法的技術(shù)方案，該方案的優(yōu)化方法在于滿足鋼坯軋制要求的前提下，盡量降低加熱爐各段爐溫的設(shè)定值，從而降低燃料消耗，減少鋼坯的氧化燒損。其方法是利用爐內(nèi)的熱量平衡關(guān)系，建立爐溫、鋼溫、供熱量和熱損失之間關(guān)系式，并根據(jù)各種初始條件，如:爐型、鋼坯規(guī)格、種類、目標(biāo)出爐溫度、裝爐溫度和軋制節(jié)奏等工況，計算出沿爐長方向的各段最優(yōu)爐溫，使鋼坯在規(guī)定的時間內(nèi)加熱到合適的溫度和允許的斷面溫差，且能耗最小。
[0006]本方案是通過如下技術(shù)措施來實現(xiàn)的:一種步進式加熱爐基于熱平衡的爐溫優(yōu)化方法，其特征在于包括如下步驟:
[0007] I)根據(jù)爐型參數(shù)和鋼坯類型，把加熱爐按爐長方向劃分多個微元段，而對鋼坯則進行三維微元劃分；[0008]2)建立鋼種熱物性數(shù)據(jù)庫，包括鋼種的密度、熱容、熱焓、熱導(dǎo)率、塑性最大溫差、斷面允許溫差和過燒溫度等參數(shù)；
[0009]3)確定初始參數(shù):煤氣熱值、鋼坯裝爐溫度、有無蓄熱體及蓄熱體質(zhì)量、爐門爐壁及水梁的熱損失計算參數(shù)；
[0010]4)以爐長方向的預(yù)熱段、加熱段、均熱段的爐溫最高溫為節(jié)點值，插值出沿爐長方向的各微元段爐溫，作為各微元段的初始爐溫值；
[0011]5) 確定微兀段熱平衡方程，^^+^^+^^+^^^ = Qg’i+Qc’i+Qe’i+Qf’i+Qy’i，其中 Qr,i %供入本微元段燃料的燃燒發(fā)熱量，Qm為供入本微元段空氣所帶來的物理熱，Qnu為供入本微元段燃料所帶來的物理熱，Qf,i+1為從上游微元段流入本微元段的煙氣帶來的物理熱，Qg,i為微元段內(nèi)的鋼坯吸熱，Qc,i為微元段內(nèi)的冷卻件吸熱，Qe,i為微元段的爐殼散熱，Qfji為從本微元段流出到下游相鄰微元段的煙氣所帶走的物理熱，Qy,i為從本微元段排出的煙氣所帶走的物理熱；
[0012]6)對入爐坯料進行加熱，判斷坯料平均溫度是否小于彈塑性分界點溫度，如果小于彈塑性分界點溫度則進入步驟7)，否則進入步驟8)；
[0013]7)如果過程溫差大與過程溫差最大值，則降低爐溫，然后重復(fù)步驟5)，如果過程溫差小于過程溫差最大值且可供煤氣量小于需求量，則降低爐溫，重復(fù)步驟5)，如果過程溫差小于過程溫差最大值且可供煤氣量大于需求量則轉(zhuǎn)入下一塊坯料的加熱過程；
[0014]8)判斷坯料溫度是否小于目標(biāo)溫度，如果小于目標(biāo)溫度，則進入步驟9)，否則進入步驟10)；
[0015]9)如果小于目標(biāo)溫度且可供煤氣量小于需求量，則降低爐溫，重復(fù)步驟4)，如果小于目標(biāo)溫度且可供煤氣量小于需求量，則增加爐溫，重復(fù)步驟5)，如果小于目標(biāo)溫度且可供煤氣量等于需求量，則轉(zhuǎn)入下一塊坯料的加熱過程；
[0016]10)如果坯料平均溫度大于出爐目標(biāo)溫度且可供煤氣量小于需求量，則降低爐溫，重復(fù)步驟5);如果如果坯料平均溫度大于出爐目標(biāo)溫度且可供煤氣量大于需求量，則標(biāo)記此坯塊值，并判斷是否是最后一塊坯料，如果是則結(jié)束，如果不是轉(zhuǎn)入步驟6)。
[0017]所述的步驟I)中，沿爐長方向每支鋼坯為一個微元段。
[0018]所述的步驟5)中QmQkvQn^Qtw為熱收入項:
[0019]①供入本微元段燃料的燃燒發(fā)熱量:Qr,i = Unuqd,
[0020]②供入本微元段空氣和燃料的物理熱:Qk，i = Vk’ ^kTti, Qm，i = Vm，^mTniji,
[0021]③從上游微元段流入本微元段的煙氣帶來的物理熱:Qf，i+1 = Vf，i+1CyIY，i+1，式中: 燃料燃燒程度Wnu燃料的體積流量；qd為燃料的低發(fā)熱值；Vti為供入微元段的空氣
流量；Ck為空氣的比熱Jlu為空氣的預(yù)熱溫度Jnu為供入微元段的燃料流量，Cm為燃料的比熱，Tnu為燃料的預(yù)熱溫度，Vf,i+1為從上游微元段流入本微元段的煙氣量；Cy為煙氣的比熱，TL,i+1為本微元段上游微元段的爐溫。
[0022]Q^+Qe^+Qe^+Qf^+Q,^為熱支出項，①微元段內(nèi)的鋼坯吸熱:Qg;i = mg；i f /
Cg (Tg, i " Tg； η) dxdy
[0023]②微元段內(nèi)的冷卻件吸熱:Qc;i = Σ Qc;i (Tui，Tc；i)
[0024]③微元段的爐殼散熱:Qe，i = Qe，i (TL，i； Ta)
[0025]④從本微元段流出到下游相鄰微元段的煙氣所帶走的物理熱:Qti = VtiCyTui ；[0026]⑤從本微元段排出的煙氣所帶走的物理熱:Qy，i = \ ^yTu i ；
[0027]其中:mg i為本微元段中鋼坯的質(zhì)量流量；Cg為鋼坯的比熱，?^、Τ&η本微元段和下游微元段中鋼坯的截面溫度場為本微元段的爐溫；Ta為爐子的環(huán)境溫度；Vy，i為從本微元段排出的煙氣量。
[0028]步驟4)中加熱段分為兩段。預(yù)熱段的溫度范圍為650-950°C ;加熱段中的兩段，溫度范圍分別為950-1200°C、1050-1300°C ;均熱段的溫度范圍為1150_1280°C。
[0029]所述的步驟I)中每個鋼坯劃分為27X 19X25節(jié)點。
[0030]所述的步驟6)中根據(jù)步長可以確定爐內(nèi)鋼坯間距和支數(shù)，從而確定每支鋼坯在爐內(nèi)的位置或所在微元段。
[0031]本方案的有益效果可根據(jù)對上述方案的敘述得知，由于在該方案中如果沒有達到出爐目標(biāo)溫度和溫差要求，那么調(diào)整爐溫，重新開始全局的求解過程，直到找到最優(yōu)解。如果達到出爐目標(biāo)溫度和斷面溫差要求，但坯塊標(biāo)記不是最后一塊，，減少節(jié)奏，重新開始求解。如果達到出爐目標(biāo)溫度和斷面溫差要求，且坯塊標(biāo)記是最后一塊，則結(jié)束求解，輸出結(jié)果，結(jié)束全局求解過程。由此可見，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有突出的實質(zhì)性特點和顯著的進步，其實施的有益效果也是顯而易見的。
【具體實施方式】
[0032]為能清楚說明本方案的技術(shù)特點，下面通過一個【具體實施方式】，，對本方案進行闡述。
[0033]本方案的一種步進式加熱爐基于熱平衡的爐溫優(yōu)化方法，其特征在于包括如下步驟:
[0034]I)根據(jù)爐型參數(shù)和鋼坯類型，把加熱爐按爐長方向劃分多個微元段，所述的步驟I)中，即沿爐長方向每支鋼坯為一個微元段，而對鋼坯則進行三維微元劃分；所述的步驟I)中每個鋼坯劃分為27X 19X 25節(jié)點；
[0035]2)建立鋼種熱物性數(shù)據(jù)庫，包括鋼種的密度、熱容、熱焓、熱導(dǎo)率、塑性最大溫差、斷面允許溫差和過燒溫度等參數(shù)；
[0036]3)確定初始參數(shù):煤氣熱值、鋼坯裝爐溫度、有無蓄熱體及蓄熱體質(zhì)量、爐門爐壁及水梁的熱損失計算參數(shù)；
[0037]4)以爐長方向的預(yù)熱段、加熱段、均熱段的爐溫最高溫為節(jié)點值，插值出沿爐長方向的各微元段爐溫，作為各微元段的初始爐溫值；
[0038]5)確定微兀段熱平衡方程，^^+^^+^^+^^^ = Qg’i+Qc’i+Qe’i+Qf’i+Qy’i，其中 Qr, i 為供入本微元段燃料的燃燒發(fā)熱量，Qm為供入本微元段空氣所帶來的物理熱，Qnu為供入本微元段燃料所帶來的物理熱，Qf,i+1為從上游微元段流入本微元段的煙氣帶來的物理熱，Qg,i為微元段內(nèi)的鋼坯吸熱，Qc,i為微元段內(nèi)的冷卻件吸熱，Qe,i為微元段的爐殼散熱，Qfji為從本微元段流出到下游相鄰微元段的煙氣所帶走的物理熱，Qy,i為從本微元段排出的煙氣所帶走的物理熱；其中Qy、Qt 1、Qm, Qf，i+1為熱收入項:
[0039]①供入本微元段燃料的燃燒發(fā)熱量:Qm = Unuqd, [0040]②供入本微元段空氣和燃料的物理熱:Qk，i = Vk’ ^kTti, Qm，i = Vm，^mTniji,
[0041]③從上游微元段流入本微元段的煙氣帶來的物理熱:Qf，i+1 = Vf,i+1CyTL,i+1,Qg,i+Qc,i+Qe,i+Qf,i+Qy,i 為熱支出項，
[0042]①微元段內(nèi)的鋼還吸熱:Qg，i = mg，i / /鋼述截面Cg (Tg，1- Tg，^1) dxdy
[0043]②微元段內(nèi)的冷卻件吸熱=Qcu=E Qc； i (Tl，i, Tc，i)
[0044]③微元段的爐殼散熱:Qe，i = Qe； i (?Υ，i； Ta)
[0045]④從本微元段流出到下游相鄰微元段的煙氣所帶走的物理熱:Qf，i = Vf, ,CyTu i ；
[0046]⑤從本微元段排出的煙氣所帶走的物理熱:Qy，i = Vy iCyTui ；
[0047]其中:式中:I^i燃料燃燒程度Jnu燃料的體積流量；qd為燃料的低發(fā)熱值；Vti為供入微元段的空氣流量；Ck為空氣的比熱；Tti為空氣的預(yù)熱溫度Jnu為供入微元段的燃料流量，Cffl為燃料的比熱，Tnu為燃料的預(yù)熱溫度，vf,i+1為從上游微元段流入本微元段的煙氣量；cy為煙氣的比熱，TL,i+1為本微元段上游微元段的爐溫，m&i為本微元段中鋼坯的質(zhì)量流量；Cg為鋼坯的比熱，TgyTg^本微元段和下游微元段中鋼坯的截面溫度場為本微元段的爐溫；Ta為爐子的環(huán)境溫度；Vy，i為從本微元段排出的煙氣量。
[0048]6)對入爐坯料進行加熱，判斷坯料平均溫度是否小于彈塑性分界點溫度，如果小于彈塑性分界點溫度則進入步驟7)，否則進入步驟8)；
[0049]7)如果過程溫差大與過程溫差最大值，則降低爐溫，然后重復(fù)步驟5)，如果過程溫差小于過程溫差最大值且可供煤氣量小于需求量，則降低爐溫，重復(fù)步驟5)，如果過程溫差小于過程溫差最大值且可供煤氣量大于需求量則轉(zhuǎn)入下一塊坯料的加熱過程；
[0050]8)判斷坯料溫度是否小于目標(biāo)溫度，如果小于目標(biāo)溫度，則進入步驟9)，否則進入步驟10)；
[0051]9)如果小于目標(biāo)溫度且可供煤氣量小于需求量，則降低爐溫，重復(fù)步驟4)，如果小于目標(biāo)溫度且可供煤氣量小于需求量，則增加爐溫，重復(fù)步驟5)，如果小于目標(biāo)溫度且可供煤氣量等于需求量，則轉(zhuǎn)入下一塊坯料的加熱過程；
[0052]10)如果坯料平均溫度大于出爐目標(biāo)溫度且可供煤氣量小于需求量，則降低爐溫，重復(fù)步驟5);如果如果坯料平均溫度大于出爐目標(biāo)溫度且可供煤氣量大于需求量，則標(biāo)記此坯塊值，并判斷是否是最后一塊坯料，如果是則結(jié)束，如果不是轉(zhuǎn)入步驟6)。
[0053]步驟4)中加熱段分為兩段。預(yù)熱段的溫度范圍為650-950°C ;加熱段中的兩段，溫度范圍分別為950-1200°C、1050-1300°C ;均熱段的溫度范圍為1150_1280°C。
[0054]所述的步驟6)中根據(jù)步長可以確定爐內(nèi)鋼坯間距和支數(shù)，從而確定每支鋼坯在爐內(nèi)的位置或所在微元段。
[0055]本發(fā)明并不僅限于上述【具體實施方式】，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在本發(fā)明的實質(zhì)范圍內(nèi)做出的變化、改型、添加或替換，也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種步進式加熱爐基于熱平衡的爐溫優(yōu)化方法，其特征在于包括如下步驟: 1)根據(jù)爐型參數(shù)和鋼坯類型，把加熱爐按爐長方向劃分多個微元段，而對鋼坯則進行三維微元劃分； 2)建立鋼種熱物性數(shù)據(jù)庫，包括鋼種的密度、熱容、熱焓、熱導(dǎo)率、塑性最大溫差、斷面允許溫差和過燒溫度等參數(shù)； 3)確定初始參數(shù):煤氣熱值、鋼坯裝爐溫度、有無蓄熱體及蓄熱體質(zhì)量、爐門爐壁及水梁的熱損失計算參數(shù)； 4)以爐長方向的預(yù)熱段、加熱段、均熱段的爐溫最高溫為節(jié)點值，插值出沿爐長方向的各微元段爐溫，作為各微元段的初始爐溫值； 5)石角定微元段熱平衡方程，^^+。]^+?！?。!^+:= UQcU+QeU+UQyii,其中Qr,i為供入本微元段燃料的燃燒發(fā)熱量，Qm為供入本微元段空氣所帶來的物理熱，Qnu為供入本微元段燃料所帶來 的物理熱，Qf，i+1為從上游微元段流入本微元段的煙氣帶來的物理熱，Qgii為微元段內(nèi)的鋼坯吸熱，Qcji為微元段內(nèi)的冷卻件吸熱，Qe,i為微元段的爐殼散熱，Qfji為從本微元段流出到下游相鄰微元段的煙氣所帶走的物理熱，Qy,i為從本微元段排出的煙氣所帶走的物理熱； 6)對入爐坯料進行加熱，判斷坯料平均溫度是否小于彈塑性分界點溫度，如果小于彈塑性分界點溫度則進入步驟7)，否則進入步驟8)； 7)如果過程溫差大與過程溫差最大值，則降低爐溫，然后重復(fù)步驟5)，如果過程溫差小于過程溫差最大值且可供煤氣量小于需求量，則降低爐溫，重復(fù)步驟5)，如果過程溫差小于過程溫差最大值且可供煤氣量大于需求量則轉(zhuǎn)入下一塊坯料的加熱過程； 8)判斷坯料溫度是否小于目標(biāo)溫度，如果小于目標(biāo)溫度，則進入步驟9)，否則進入步驟 10)； 9)如果小于目標(biāo)溫度且可供煤氣量小于需求量，則降低爐溫，重復(fù)步驟4)，如果小于目標(biāo)溫度且可供煤氣量小于需求量，則增加爐溫，重復(fù)步驟5)，如果小于目標(biāo)溫度且可供煤氣量等于需求量，則轉(zhuǎn)入下一塊坯料的加熱過程； 10)如果坯料平均溫度大于出爐目標(biāo)溫度且可供煤氣量小于需求量，則降低爐溫，重復(fù)步驟5);如果如果坯料平均溫度大于出爐目標(biāo)溫度且可供煤氣量大于需求量，則標(biāo)記此坯塊值，并判斷是否是最后一塊坯料，如果是則結(jié)束，如果不是轉(zhuǎn)入步驟6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的步進式加熱爐基于熱平衡的爐溫優(yōu)化方法，其特征是:所述的步驟I)中，沿爐長方向每支鋼坯為一個微元段。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的步進式加熱爐基于熱平衡的爐溫優(yōu)化方法，其特征是:所述的步驟5)中QmQkyQn^QfM為熱收入項: ①供入本微元段燃料的燃燒發(fā)熱量=Qy= I^iVnuqd, ②供入本微元段空氣和燃料的物理熱=Qlu= VtiCkTti, Qnu = VnuCmTnu, ③從上游微元段流入本微元段的煙氣帶來的物理熱:Qf，i+1= Vf； i+1 CyTu i+1, 其中:燃料燃燒程度Wnu燃料的體積流量；qd為燃料的低發(fā)熱值；Vti為供入微元段的空氣流量；Ck為空氣的比熱；1^為空氣的預(yù)熱溫度Jnu為供入微元段的燃料流量，Cffl為燃料的比熱，Tnu為燃料的預(yù)熱溫度，Vf,i+1為從上游微元段流入本微元段的煙氣量；Cy為煙氣的比熱，TL,i+1為本微元段上游微元段的爐溫。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的步進式加熱爐基于熱平衡的爐溫優(yōu)化方法，其特征是:為熱支出項，①微元段內(nèi)的鋼坯吸熱:Q&i =m&i fTg, 1-1) dxdy ②微元段內(nèi)的冷卻件吸熱:QM=Σ Qm(Um) ③微元段的爐殼散熱:QM= Qm Om, Ta) ④從本微元段流出到下游相鄰微元段的煙氣所帶走的物理熱:Qti= VtiCyTui ； ⑤從本微元段排出的煙氣所帶走的物理熱:Qy，i= VyjCyIm ； 其中=Higii為本微元段中鋼坯的質(zhì)量流量本微元段和下游微元段中鋼坯的截面溫度場；Cg為鋼坯的比熱，Tui為本微元段的爐溫；Ta為爐子的環(huán)境溫度為從本微元段排出的煙氣量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的步進式加熱爐基于熱平衡的爐溫優(yōu)化方法，其特征是:步驟4)中加熱段分為兩段。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的步進式加熱爐基于熱平衡的爐溫優(yōu)化方法，其特征是:步驟4)中預(yù)熱段的溫度范圍為650-950°C ;加熱段中的兩段，溫度范圍分別為950-1200°C、1050-1300°C ;均熱段的溫度范圍為1150-1280°C。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的步進式加熱爐基于熱平衡的爐溫優(yōu)化方法，其特征是:所述的步驟I)中每個鋼坯劃分為27X 19X25節(jié)點。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的步進式加熱爐基于熱平衡的爐溫優(yōu)化方法，其特征是:所述的步驟6)中根據(jù)步長可以確定爐內(nèi)鋼坯間距和支數(shù)，從而確定每支鋼坯在爐內(nèi)的位置或所在微元段。
【文檔編號】C21D9/70GK103952529SQ201410192763
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月8日
【發(fā)明者】焦吉成, 孔德奎, 徐守新, 趙傳領(lǐng), 馬永力, 周廣生, 邵蔚, 黃亞飛, 鄧君堂, 商桂梅, 蘇秀梅 申請人:濟鋼集團有限公司