{生产工艺技术}鞍钢线材厂加热炉工艺过程优化控
制系统研制报告
目录
1.研制背景3
2.鞍钢线材厂加热炉系统4 3.研究工作内容5 3.1系统设计原理5 3.2系统的模型组成6 3.3 专家系统知识库20 3.3.1 制定待轧策略的原则25 3.3.2待轧时加热炉炉温的设定策略25 4.轧机电流30
5.研究不同热工参数对氧化烧损、能源消耗的影响。31 6.使用效果评价33 7.经济效益34
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鞍钢线材厂加热炉工艺过程优化控制系统研制报告
1. 研制背景
轧钢加热炉是一个典型的复杂工业过程控制系统，它几乎具备了复杂系统的所有特性，即建模困难、干扰严重，而且具有多变量、时变、非线性、耦合、大惯性兼滞后等特点。国际上对加热炉的优化控制开始于70年代，盛于80年代。国内从80年代开始对这方面进行研究。以前人们对加热炉优化控制研究主要集中在钢坯的升温过程的数学模型、炉温优化设定以及燃烧控制，近年来智能控制技术正逐步被应用到加热炉炉温控制中。由于加热炉内的钢坯温度很难在线测量，尤其是钢坯内部的温度无法直接测量，通常都是用计算机对钢坯在炉内的升温过程进行计算，过去这方面通常采用多元回归的方法。例如武汉钢铁公司引进的热连轧加热炉钢坯升温控制数学模型。多元回归模型的缺点是准确性不高，特别是生产条件与轧制节奏发生变化时。另外，有人应用分布参数理论建立了数学模型，并通过近似集中参数模型研究加热炉的静态、动态优化。但是这种方法的缺点是计算工作量很大，要实现计算机实时估计及控制，需要相当规模的控制计算机。 近几年，随着加热炉生产工艺的不断完善和优化，加热炉生产自动化控制水平也相应提高和不断深入。一般来说，自动化控制系统分为制造执行系统、过程控制系统和基础自动化系统三级。其中，过程控制级(也称为二级或U)主要完成物料跟踪、过程控制参数设定计算、质量数据收集与分析，以及操作指导等任务，包括加热炉过程控制计算机和轧线过程控制计算机两个系统。目前，面向节能降耗、提高轧制产品质量和产量设计的加热炉二级计算机控制系统已广泛地应用于现
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代钢铁企业的加热炉生产控制中。
目前，欧美一些国家、日本、俄罗斯等国己相继开发了具有钢坯位置跟踪、钢坯温度跟踪、装出炉自动化控制、终轧温度控制等功能的二级优化控制系统。一些带有整个生产线物料跟踪的高度自动化的加热炉自动控制系统的研究和实践也己逐渐深入和提高。在国内，多数工业炉窑计算机控制处于燃烧控制的第一层次.虽然数学模型的研究工作起步较早，但实现数学模型优化控制的工程实践尚且较少。
从2003年以来鞍钢线材厂加热炉管道、烧嘴进行了改造，燃料由原有的重油该为高、焦混合煤气，增加了自动化检测和调节装置实现了一级燃烧基础自动化控制，并在此基础上，于2004年新增了加热炉加热过程智能控制系统。近年来，为了提高产品的市场竞争力，鞍钢线材厂在增加产品品种的同时，对产品的质量和性能、节能减排都提出了较高的要求，拟定在原有的加热炉加热过程智能控制系统的基础上针对现有产品品种结构、节能减排指标提出进一步完善要求，并在此研究工作中积累新线加热炉设计、生产的一些改进经验。
2. 鞍钢线材厂加热炉系统
线材厂梁底组合步进式加热炉的结构简图如图2.1所示。该加热炉沿着炉长方向分为预热段、下加热段、上加热段和均热段，其中预热段的长度比较长，主要是为了充分利用烟气的热量来预热钢坯，从而提高燃料的利用率。为了将钢坯加热到规定的目标温度，加热炉以高焦混合煤气做为燃料，通过下加热段、上加热段和均热段对钢坯进行加热。在进行炉温控制的时候，预热段内没有设置烧嘴不参与控制，下加热段、上加热段和均热段各段的均都设有烧嘴，加热炉分为5个控
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制区域进行控制，分别为
下加热段、上加热段、均左段、均中段、均右段。 钢坯的加热过程所述如下:
首先，推钢机将钢坯推入炉内，加热炉的步进梁伸到钢坯底部将钢坯托起、前进、下降，将钢坯放到固定梁上，步进梁接着下降脱离钢坯，然后退到下一块钢坯的底部，再依次重复上述的托起、前进、下降、脱离、后退等步骤，将下一块钢坯装入炉内，如此反复的运动，使得钢坯在炉内能够步进式地前进，从预热段经下加热段、上加热段和均热段的加热，最终送到出炉端，然后由出钢机将钢坯推入轧机进行轧制。
加热炉的热工制度主要包括温度制度、燃料燃烧制度和炉压制度等。为了保证燃烧的正常进行，加热炉采用了双交叉限幅燃烧控制系统与具备动态补偿功能的炉压控制系统，同时对煤气的、压力与空气的温度、压力以及热风放散温度分别进行控制。
在生产线上，加热炉应该在保证向轧机提供符合工艺要求的钢坯，同时尽可能地降低加热炉的能耗和钢坯的损耗，因而目前很多钢厂普遍采用低温出钢的方法对钢坯进行加热。通过这种方式不仅可以降低加热炉的加热能耗，而且对于延长加热炉的使用寿命、减少炉体的渣量和清渣作业都是很有利的。由于钢坯的成本较高，因此应在加热过程中尽量减少钢坯的烧损和氧化铁皮以及防止脱碳等情况的发生就显得尤为重要。
3. 研究工作内容
3.1系统设计原理
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轧钢加热炉是轧钢生产过程的重要环节，其控制的主要任务是按照轧制生产作业计划，克服坯料钢种尺寸、出钢节奏、燃料热值、入炉钢温等工艺参数条件急剧、大幅度、频繁变化的干扰，将钢坯加热到轧制工艺要求温度水平，并在确保高产优质的情况下，尽可能的降低燃料消耗，减少钢坯氧化烧损消耗。
由于炉内钢坯温度分布的不可测性、加热炉的大热容量和多扰动、时变非线性等特征，构成了一类典型的复杂工业大系统；另一方面随着现代大型轧机的高速化、自动化、高精度和多品种，不仅要求加热炉的温度制度迅速而严格地变化，而且要求控制出炉钢坯奥氏体状态。
鉴于优质加热过程优化控制规律十分复杂，较为完备的数学模型不宜建立，现场炉温、燃料流量、热值计量仪表的检测精度、轧制节奏、生产方式都难满足数学模型控制的要求。本系统将数学模型与人工智能相结合，基于专家规则与热工机理建立了加热炉加热过程智能优化控制系统，通过对加热钢坯加热曲线的优化，得出合理的钢坯的加热曲线，调用炉内钢坯温度计算模型计算钢坯温度分布是否满足优化后的加热曲线，直到得出最佳的炉温分布，根据不同的优化目标预估值建立专家系统知识库，并针对生产实际情况中钢坯炉内位置分布情况的复杂性，建立专家控制规则集，以实现对加热炉加热过程的合理控制。
系统引入轧制产品规格、坯料钢质、外型尺寸（薄厚、长短、宽窄）、批量（数量）、炉内加热温度曲线、加热时间、开轧（出炉）温度、轧制节奏（波动幅度大且无计划、无规律）等八类定性工艺信息，涵盖生产过程中在线实时几百个动态变化信息，纳入模型控制系统。系统由主控模型和基于传感器在线实时的入炉温度变化调节、轧制节奏变化调节、钢坯开轧温度反馈调节，停、待轧调节、空
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燃比例调节等辅助动态优化调节模型组合而成，从而大大提高模型控制系统的灵活性、适用性。 3.2系统的模型组成
系统采用模块化设计方法，系统模型（模块）组成如下：
主模型 炉内钢坯温度预报模型 炉温优化设定模型 专家系统知识库 专家系统规则集 专家系统推理机 辅助模型 钢坯位置跟踪模块；入炉温度变化模块； 煤气热值变化调节模块；空燃比例调节模块； 轧制节奏变化模块；开轧温度反馈控制模块； 燃烧控制模块；待轧及事故处理模块； 智能模型优化模块；统计分析模块等； 网络通讯模块； 主模型：
◆炉内钢坯温度预报模型
由于钢坯内部温度不能够被直接检测，系统采用FACC(FurnaceAutomaticCombustionControl的缩写)模型中钢坯温度计算模块，根据钢坯装炉时的处理信息,计算钢坯装入时的温度并建立钢坯热跟踪初始数据;然后利用加热炉热电偶实测的炉温,采用中心差分计算模型,推算各钢坯当前时刻所在位置的炉气温度以及上一时刻钢坯的内部温度分布。 板坯入炉温度计算：
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通过钢温预报模型计算，建立了加热炉炉膛温度与通条温差间的关系，如图所示：
图3-1φ5.5帘线钢出炉温度1090℃时温度曲线 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 鞍钢线材厂加热炉工艺过程优化控制系统研发及 验收报告
炉气温度 头部温度 黑印温度 尾部温度 24 28 18 28 348 145 132 149 654 260 228 273 870 420 372 436 1000 591 540 611 1116 1176 713 654 728 811 744 822 1188 928 858 938 鞍山戴维冶金科技开发有限公司
1200 1020 954 1031 1198 1040 984 1056 1195 1056 1002 1068 1188 1092 1040 1100 1180 1110 1060 1120
图3-2一组钢出炉温度1110℃时的温度曲线
炉气温度 头部温度 黑印温度 尾部温度 0 24 28 18 28 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 348 654 870 1000 1116 1176 1206 1220 1212 145 260 420 601 132 228 372 540 149 273 436 613 720 654 732 855 780 867 992 912 1053 1077 978 1008 1206 1200 1200 1084 1098 1130 1020 1040 1070 1094 1120 1140 1002 1062 1086
图3-3二组钢出炉温度1130℃时温度曲线
炉气温度 头部温度 黑印温度 尾部温度 0 24 28 18 28 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 348 654 870 1000 1116 1194 1218 1240 1236 145 260 420 604 132 228 372 540 149 273 436 621 733 654 745 867 780 877 1002 1072 1109 912 984 1026 1236 1230 1220 1129 1140 1160 1056 1068 1090 1142 1150 1170 1012 1081 1121
通过对帘线钢、I组钢、II组钢钢温模型在线计算，由此得出：入炉时刻钢坯头尾部与黑印温差为0，随着钢坯由预热段进入下加热、上加热炉膛温度快速上升，由于钢坯头尾部靠近炉墙，受炉墙辐射影响温度偏高，中部接触水梁部分温度偏低，头尾部与黑印温差逐渐变大；当钢坯进入均热段，钢坯自身由头尾部温度高的部分向中部温度低的部分传热，头尾部与黑印温差有所缓解。
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图3-4帘线钢温差曲线 头部与黑印温差 尾部与黑印温差 0 10 10 10 13 17 20 32 45 30 48 64 40 51 71 50 59 74 60 67 78 鞍山戴维冶金科技开发有限公司
70 70 80 80 66 77 90 56 72 100 51 66 110 50 60 120 50 60
图3-5一组钢温差曲线 头部与黑印温差 尾部与黑印温差 0 10 10 10 13 17 20 32 45 30 48 64 40 61 73 50 66 78 60 75 87 70 80 90 80 75 84 90 69 78 100 64 74 110 62 73 120 60 70
图3-6二组钢温差曲线 头部与黑印温差 尾部与黑印温差
0 10 10 10 13 17 20 32 45 30 48 64 40 64 81 50 79 91 60 87 97 70 90 80 88 90 83 95 100 73 86 110 72 82 120 70 80 100 97 通过对帘线钢、I组钢、II组钢温差曲线分析，在相同的在炉时间条件下，不同的钢种在不同的炉膛温度（供热负荷）下出炉后通条温差不相同，随着炉膛温度（供热负荷）升高，钢坯出炉后头尾部与黑印部分温差逐渐增大。实践中在不同的炉膛温度条件下，通过调节均热段左、中、右烧嘴开度来尽量消除温差，即将均热段左、右部分烧嘴开度变小，均中段烧嘴开度变大。 ◆
炉温优化设定模型
加热炉炉温的优化目标的确定离不开轧钢生产工艺对其的要求，当然所讨论的数学模型不可能包含实际生产的所有目标，这里我们只考虑轧钢过程中比较重要的生产目标。要得到与实际生产状况吻合较好的最优炉温分布，优化目标至少应该包括如下四方面：
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1.钢坯出炉时刻其表面温度应该达到轧制工艺要求的目标加热温度，或者说，表面温度与期望温度差值最小;
2.钢坯出炉时刻其表面温度与中心温度的差值(又称钢坯的断面温差)达到极小值; 3.加热炉生产的能耗(燃料消耗)最小; 4.被加热钢坯的氧化烧损最少;
对上述生产目标，在实际生产的大多数情况下不可能同时兼顾，这是因为钢坯的加热生产是轧钢生产流程中的一环，它的生产状况必须跟随轧制节奏的变化而进行调整，因此，想要得到特定生产条件下炉温设定的绝对最优值是不现实的，只能得到一定生产条件下的炉温分布的理想值。因此在优化指标中，对各项进行了加权处理，以体现不同生产条件下对炉温分布优化指标考虑的侧重点不同。 综上，建立如下的炉温优化目标函数: (3.4)约束条件如下:
优化目标函数中各符号所代表的意义如下:
－钢坯在炉内的加热时间(s)，其与钢坯在炉内的位移s有如下关系: ,为钢坯在炉内的运动速度; ,－钢坯的入炉时刻和出炉时刻; －炉温分布优化设定的关键点;
、－分别代表钢坯温度分布和炉温温度分布(℃); 、－钢坯出炉时刻的表面温度和中心温度(℃);
、－钢坯加热时所允许的最大加热速度和最大断面温差(℃); －钢坯的目标出炉温度(℃);
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－钢坯出炉时刻所允许的最大断面温差(℃); －计算炉温分布的离散化时间步长; －时间离散化之后的节点数;
－与炉温分布有关的某种控制作用向量函数(例如加热炉的燃料消耗等)；其中为炉温设定值向量:，，，，为需要进行炉温优化的各加热段数量。 －被加热钢坯的质量;
ε－钢坯表面的氧化烧损率，即钢坯在加热时单位质量、单位温升条件下的氧化烧损量，与钢坯种类和钢坯温度有关; 、、、－加权系数，且、、
优化目标中的第一项表示对钢坯出炉时刻表面温差的要求，体现了钢坯出炉温度达到轧制工艺要求这一指标，第二项表示了对钢坯出炉时刻断面温差的要求，两项合在一起显示了轧钢生产过程对钢坯加热工艺的生产目标要求。优化函数的第三项体现了加热生产过程的能耗指标要求，这是优化加热炉炉温分布的主要目标所在。第四项是生产过程对钢坯氧化烧损的要求，钢坯加热过程的优化烧损直接关系到钢铁产品的成材率、成品的表面质量。
为根据二次型优化目标函数(3.4)求得加热炉的炉温最优分布，需要根据加热炉工况和钢坯参数及加热工艺给定各设定点的最初炉温值，之后调用炉内钢坯温升计算模型计算钢坯温度分布，然后计算优化目标函数，判断约束条件，再确定下一次炉温优化的搜索方向，重复上述过程，直到得出最佳的炉温分布，整个优化算法的流程如图3-7所示。
图3-7
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3.3专家系统知识库
炉温设定值的优化调整策略在整个算法中占据非常重要的位置，调整策略的优劣关系到算法的收敛速度和最后结果的精度，对此问题，很多学者都进行过有益的探讨，但大多数文献都是从经典优化控制理论入手，寻找全局最优解。但是，加热炉能耗极小化是一个动态过程的参数最优化问题，由于模型的时变及非线性、控制变量之间的耦合性，使得许多经典的控制理论，如极大值原理、动态规划、非线性规划等都较难实现，鉴于此，我们提出了一种基于专家经验的炉温设定值的优化调整策略。这种策略是把专家经验同加热炉生产目标相结合得出的，结合厚板线2#加热炉特点，我们考虑的决策条件有如下几个：钢种、规格、入炉温度、钢坯出炉目标温度和钢坯出炉时刻的断面温差。所得结论由一系列相关规则给出，并将此类专门知识、经验通过在线跟踪调试建立各类钢种的加热制度并以数据的形式存储在专家知识库中。
1、如果钢坯为帘线钢，在考虑钢坯在炉时间一定的情况下（即轧制节奏一定）则有：
1)钢坯断面较小、钢坯入炉温度略高、钢坯出炉温度较高、温差较小，此时下加热段供热负荷应该较低，上加热段炉热负荷偏低，均热段供热负荷应该较高。 2)钢坯断面较小、钢坯入炉温度略高、钢坯出炉温度较高、温差较大，此时下加热段供热负荷应该偏低，上加热供热负荷正常，均热段供热负荷应该较低。 3)钢坯断面较小、钢坯入炉温度略高、钢坯出炉温度较低、温差较小，此时下加热段供热负荷应该偏低，上加热段供热负荷应该较高，均热段供热负荷应该较高。 4)钢坯断面较小、钢坯入炉温度略高、钢坯出炉温度较低、温差较大，此时下加
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热段供热负荷应该偏低，上加热段供热负荷应该较高，均热段供热负荷应该较低。 5)钢坯断面较大、钢坯入炉温度略高、钢坯出炉温度较高、温差较小，此时下加热段供热负荷应该偏低，上加热段供热负荷应该较低，均热段供热负荷正常。 6)钢坯断面较大、钢坯入炉温度略高、钢坯出炉温度较高、温差较大，此时下加热段供热负荷应该偏低，上加热供热负荷正常，均热段供热负荷应该较低。 7)钢坯断面较大、钢坯入炉温度略高、钢坯出炉温度较低、温差较小，此时下加热段供热负荷应该偏低，上加热段供热负荷应该较高，均热段供热负荷应该较高。 8)钢坯断面较大、钢坯入炉温度略高、钢坯出炉温度较低、温差较大，此时下加热段供热负荷应该偏低，上加热段供热负荷应该较高，均热段供热负荷应该较低。 9)钢坯断面较小、钢坯入炉温度高、钢坯出炉温度较高、温差较小，此时下加热段供热负荷应该低，上加热段供热负荷应该较低，均热段供热负荷正常。 10)钢坯断面较小、钢坯入炉温度高、钢坯出炉温度较高、温差较大，此时下加热段供热负荷应该低，上加热段供热负荷应该低，均热段供热负荷应该较低。 11)钢坯断面较小、钢坯入炉温度高、钢坯出炉温度较低、温差较小，此时下加热段供热负荷应该低，上加热段供热负荷应该较高，均热段供热负荷应该较高。 12)钢坯断面较小、钢坯入炉温度高、钢坯出炉温度较低、温差较大，此时下加热段供热负荷应该低，上加热段供热负荷应该较高，均热段供热负荷应该较低。 13)钢坯断面较大、钢坯入炉温度高、钢坯出炉温度较高、温差较小，此时下加热段供热负荷应该低，上加热段供热负荷应该较低，供热负荷正常。
14)钢坯断面较大、钢坯入炉温度高、钢坯出炉温度较高、温差较大，此时下加热段供热负荷应该低，上加热段供热负荷正常，均热段供热负荷应该较低。
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15)钢坯断面较大、钢坯入炉温度高、钢坯出炉温度较低、温差较小，此时下加热段供热负荷应该低，上加热段供热负荷应该较高，均热段供热负荷应该较高。 16)钢坯断面较大、钢坯入炉温度高、钢坯出炉温度较低、温差较大，此时下加热段供热负荷应该低，上加热段供热负荷应该较高，均热段供热负荷应该较低。 2、如果钢坯为Ⅰ组钢、Ⅱ组钢，则上述1)～16)的情形下，各段炉温设定值应比被加热钢坯为低温钢时高，炉温设定值的决策过程与低温钢相同。 ◆专家系统规则集
连续加热炉在实际生产中不存在或很少存在全炉或局部各段钢坯均为同一炉温曲线的情况，在实际生产过程中炉内钢坯分布复杂，包括钢种混装、冷热混装、坯料断面尺寸和长短混装、不同轧制规格的存在（这直接影响轧制节奏）。针对这一复杂的情况，系统依据专家操作规则，排定优先级别，建立了专家系统规则集。
例如，当冷料和热料混装时，在钢坯由预热段进入加热段、加热段进入均热段时，系统根据冷热坯料的数量，在不同位置提前升温或降温。 ◆专家系统推理机
推理机实质上是计算机的一组程序，目的是用于控制、协调整个专家系统的工作。它根据当前的传感器输入数据或信息，再利用知识库中的知识，按一定的规则策略去推理处理。 辅助模型
◆钢坯位置跟踪模型
装钢台发出装钢信号，L2级接收装钢信号作为钢坯入炉标志，同时读取轧制计划。
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并根据来自基础自动化的各钢坯装料时步进梁的动作信号,对加热炉内各钢坯在加热炉的位置进行实时跟踪。系统实时显示并记录每块钢坯的在炉位置、钢坯信息、在炉温度。 ◆入炉温度跟踪模型
入炉温度跟踪模块根据检测入炉钢坯温度计算入炉钢坯热含，调整各段的供热负荷。
钢坯带入热含公式：Q=CiTi×W Q：钢坯带入的热含 Ci：比热容KJ/（Kg.℃） Ti：温度℃ W：重量Kg
◆煤气热值变化调节模块
实时检测煤气热值变化，在线修正各段的煤气流量，维持各段供热平衡。 ◆空燃比例调节模块
跟踪煤气热值变化，实时调节空燃配比。并根据炉温、残氧含量、煤气热值信号，在线学习最优热效率曲面，动态寻优最佳空燃比。 ◆节奏变化模块
根据炉内钢坯轧制信息，预测轧制节奏变化，动态计算各钢坯剩余在炉时间，并调节各段供热负荷。同时通过在线实测轧机节奏对计算剩余在炉时间进行修正。 实际的生产过程中，钢坯的轧制节奏是随生产情况不断调整的，因此相应的各段炉温设定值也必然随之变化，我们不可能对每一个轧制节奏都要计算相应的最佳
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炉温设定值。解决的方法就是计算典型的轧制节奏所对应的炉温设定值，当轧制节奏变化时，采用线性插值进行在线补偿。
设当前的轧制节奏，介于介于之间，则第段的炉温设定值为: (3.6)
其中，和分别为轧制节奏为和时第段的炉温设定值。
由上述分析可知，对于给定的钢坯，轧制节奏对炉温设定影响很大。轧制节奏的经常变化，若处理的不好，将引起炉温设定值的频繁波动，即浪费能源又影响钢坯的加热质量，反过来造成工况不稳，形成恶性循环。可见，对轧制节奏的处理非常重要，一般而言，在求解最优炉温分布之前，首先应该对轧制节奏进行如下的平滑处理。
对在时刻采集到的轧制节奏值进行滤波，即： (3.7)
其中，和分别是时刻轧制节奏的采样值和滤波值，是比例系数。滤波的目的在于减弱随机因素的影响。
对每块钢坯之前的半小时内的轧制节奏采样值进行加权平均: (3.8)
其中为一正整数，为加权系数，在一定程度上反映了轧制节奏的变化趋势，具有一定的预报功能，同时也有益于抑制随机干扰。 引入比例因子，则当前时刻的轧制节奏为: (3.9)
如轧制节奏长时间过大，使得限制v的增长速度，以确保加热质量，
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和过大，则对乘以比例因子，以减少加热炉的热负荷。 ◆
开轧温度反馈控制模块
系统引入包括开轧温度、轧机压下量、压下力、轧机电流在内的钢坯轧制过程中的反馈信号，对出炉温度是否达到轧制工艺要求的期望值，并以此为反馈修正补偿控制系统因环境变量变化等原因产生的误差。 ◆待轧及事故处理模块
待轧及事故处理模块包括计划待轧和非计划待轧，根据钢坯剩余在炉时间判断是待热或是执行降温、保温、升温策略。 ◆燃烧控制模块
根据各控制模块计算得出的参数，引入直线插补法，得出各段供热负荷的最终设定值，实时修正。 ◆智能模型优化模块
随着加热炉在生产过程中仪表设备、加热炉炉体等硬件条件逐渐的变化，原有固化的各工况下的过程参数将不能满足生产工艺的要求。根据统计分析数据库中记录的现场生产数据，包括：按钢种和规格记录的单耗、平均开轧温度、平均烟气残氧含量等指标对控制系统原有的过程参数进行优化。在优化过程中采用小步长试探以及状态转移的方法逐步逼进最佳控制状态，以期得到最低的单耗、最优的开轧温度和合理的烟气残氧含量。结果经工艺工程师确认后，更新专家数据库。 ◆统计分析模块
系统统计功能完善，可追溯性强，包括：按班、钢种、小时记录加热炉相关的热工参数，数据保存一年以上；按班、按钢种、按小时加热炉相关热工参数统计、
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查询、分析，自动生成月报表。 ◆L2级与PLC、L3级的网络通讯模块
通过PLC控制系统、L2、L3级的通讯，实现实现生产、计划数据的共享。 实际的轧钢生产过程中，加热炉的生产是为轧机服务的。很多原因会导致轧制生产工序停产，导致了加热炉待轧现象的出现。出现待轧后，如果加热炉炉温不做相应调整，不仅导致燃料的浪费，而且加剧了钢坯的氧化脱碳，影响钢坯的加热质量，因此必须对加热炉的待轧情况进行分析，确定合理的炉温控制策略。基于此，加热炉的待轧控制也是加热炉优化控制中重要的组成部分，以下对此进行分析。
3.3.1制定待轧策略的原则
基于满足加热质量的前提下，希望在待轧结束时，不出现待热待轧现象，因此制定待轧控制策略时，应遵循以下原则：
待轧开始时，及时足够地削减燃料消耗量，迅速将炉温降至适当的低水平，以减少加热能耗和避免发生过热过烧现象;
均热段保温水平适当提高，以便于重新开轧生产时，位于加热炉出钢侧的钢坯能够及时出钢，满足轧线生产需要;
重新开轧之前，应在尽可能短的时间里将出炉钢坯加热到轧制工艺要求的加热质量状态，避免轧机因等待出钢而影响生产; 炉内各加热段应该采用不同的待轧策略; 3.3.2待轧时加热炉炉温的设定策略
按照待轧时刻与待轧时间能否事先预知，待轧情况可分为计划待轧和非计划待轧
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两种方式，其各自的炉温决策策略是不相同的。对于计划待轧(计划检修或交接班时出现)，其发生时刻和持续时间一般能够准确知道，因此，该情况下的炉温决策较简单，计划待轧对各段炉温设定值的影响是依次的。本章主要针对非计划待轧(由于轧制事故等随机因素造成的待轧)进行分析。一般而言，非计划待轧有可分成短期待轧、中期待轧、长期待轧和待热待轧几种情况。
待轧状态时的炉温设定采用“斜坡函数”法，其斜率值取决于待轧时间的长短和当加热炉恢复到原来的生产率时钢坯和耐火材料所能承受的最大温度梯度。对每个炉温控制区分别建立温度斜坡函数，建立待轧时的炉温设定策略。当待轧开始的时候，加热炉各段的温度设定值降至最低，其最低值由斜坡函数和选择的待轧时间决定。 (1)短期待轧情况
当待轧时间小于15分钟时，炉温待轧控制模块启动自动待轧模式，并适当降低炉温(10-20℃)。 (2)中期待轧情况
为了节能降耗，同时保证钢坯的加热质量，应以最大速率降低和升高炉温，待轧时的炉温决策和钢坯温度变化如图3.10所示。 钢坯温度的最大减小量由下式确定: (3.19)
其中，为钢坯温度的最大减小量，为自启动斜坡函数至待轧结束时的时间间隔，为加热炉恢复到原来的生产率时钢坯和耐火材料所能承受的最大温度梯度。 炉温和钢坯温度均被设为加热曲线的最小值并维持至启动斜坡函数。
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(3)长期待轧情况
如果待轧时间大于8小时，炉温设定值与被加热钢坯参数无关，此时可以把炉温降至最低，在待轧结束前某一时刻，再把炉温沿某条优化设定曲线升高到正常设定值。
(4)待热待轧情况
待热待轧是指钢坯己经到达出钢侧，但钢坯还没有达到期望的温度分布所启用的一种待轧模式。在此模式下，均热段的炉温维持不变，其它各段炉温设定均处于待轧状态，钢坯在均热段保持直到达到轧制工艺所要求的目标温度分布。 上述的待轧策略较易于在线控制中应用，操作人员可以在给定的待轧降温速度和升温速度的基础上进行动态调节优化，对延长加热炉的使用寿命、提高钢坯加热质量和减少氧化烧损都有重要意义，实际运行结果表明控制效果较好。 针对短期停轧10分钟、20分钟的情况，分别对停留在加热炉加热段和均热段钢坯的通条温差与炉膛压力变化进行了研究，如图所示： 、停轧10分钟时，加热段炉膛压力与钢坯头中尾温差的变化
头部与黑印温差 尾部与黑印温差 炉膛压力Pa 0 70 80 16 1 71 80 14 2 72 81 12 3 72 81 10 4 72 82 8 5 73 82 6 6 75 84 4 7 77 86 2 8 80 88 0 9 81 92 -1 10 85 95 -2
停轧20分钟时，加热段炉膛压力与钢坯头中尾温差的变化
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头部与黑印温差 0 70 2 71 4 74.9 6 77.8 8 81.9 10 85 12 86.5 14 87.6 16 90 18 93 1020 95 105 -8 尾部与黑印温差 80 81.9 84.2 87.6 91.1 95 95.7 97.5 98.6 3 炉膛压力Pa 16 12.5 9.1 6.2 4.6 -2 -4 -6 -6.5 -7
停轧10分钟时，均热段炉膛压力与钢坯头中尾温差的变化
头部与黑印温差 尾部与黑印温差 炉膛压力Pa 0 50 60 16 1 49.2 58.4 14 2 48.7 57.5 12 3 48.2 56 10 4 47.7 54.5 8 5 46.7 53.1 6 6 45.7 52.6 4 7 44.3 52.1 2 8 42.8 51.6 0 9 41.3 50 -1 10 40 50 -2
停轧20分钟时，均热段炉膛压力与钢坯头中尾温差的变化
头部与黑印温差 尾部与黑印温差 炉膛压力Pa 0 50 60 16 2 48.4 57.6 12.5 4 46.6 57 9.1 6 45.5 56.4 6.2 8 44.3 54.7 4.6 10 42 53 -2 12 40 49.5 -4 14 38 46 -6 16 36.8 45.5 -6.5 18 35.1 43.2 -7 20 35 40 -8
随着停轧时间的延长，加热炉总供热负荷逐渐减少，系统开始关闭烟道闸，当烧嘴的供热负荷减少到一定量的时候，炉膛压力开始降低。如图所示，停轧10分钟时，加热炉的炉膛压力降低到-2Pa,随着炉头负压吸风，停留在加热段的钢坯头
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部与黑印部分的温差由80℃增长到95℃，尾部与黑印部分的温差由70℃增长到85℃；停轧20分钟时，加热炉的炉膛压力降低到-8Pa，停留在加热段钢坯的中部黑印部分继续受冷风与水梁温度的干扰，头中尾温差持续加大，此时头部与黑印的温差增长为95℃，尾部与黑印的温差增长为105℃。而停留在均热段的钢坯头中尾的温差也有所变化，停轧至10分钟时，（均热段的结构是梁底组合式），头部与黑印部分的温差由50℃降低到40℃，尾部与黑印部分的温差由60℃降低到50℃；停轧至20分钟时，均热段钢坯温差持续降低，头部与黑印部分的温差降低到35℃，尾部与中部黑印的温差降低到40℃。
4. 轧机电流
产量（规格） φ5.5 φ5.5 φ6.5 φ6.5 φ7 φ7 φ8 φ8 φ9 φ9 三架轧机温度 880 890 890 900 890 900 890 900 890 900 三架轧机电流 620A 550A 813A 691A 815A 716A 844A 753A 875A 782A 生产线状态 三线 三线 三线 三线 三线 三线 三线 三线 三线 三线 断面尺寸 120×120 120×120 120×120 120×120 120×120 120×120 120×120 120×120 120×120 120×120 鞍钢线材厂加热炉工艺过程优化控制系统研发及 验收报告
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φ10 φ10 φ11 φ11 φ12 φ12 φ13 φ13 890 900 890 900 890 900 890 900 894A 803A 920A 835A 956A 847A 981A 870A 三线 三线 三线 三线 三线 三线 三线 三线 120×120 120×120 120×120 120×120 120×120 120×120 120×120 120×120 如表所示，不同产量（规格）的钢坯在不同出炉温度的情况下，轧机电流也会对应着有所变化。如表所示，同产量（规格）下，出炉温度较低的钢坯所需的轧机电流量要大于出炉温度高的钢坯，相差大约90A左右的电流。而轧制速度的变化，也会影响到轧机电流的变化，轧制速度加快，轧机电流便随之变大，每提升一个规格大约增加25A左右的轧机电流。
5. 研究最佳产品质量（脱碳）与加热工艺参数间关系 6. 使用效果评价
系统于2009年6月在原有控制系统的基础上进行升级研发，历经三个月的系统设计、程序开发、现场调试、工艺优化于2009年9月开始正式投入使用，截止目前系统在线连续正常运行，投入率达95%以上，在线材厂取得良好效果，具体技术指标如下： 6.1统一操作的效果
系统实现了智能系统程序控制烧钢，统一了四班操作，操作方式由过去个人分散
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经验型、粗放型转化为数据型、科学型，稳定了烧钢工艺，极大提高了烧钢质量。 6.2加热制度优化的效果
系统的专家数据库优化模块实现了现有9类74个钢种的热工加热制度的优化，并为后续新钢种热工加热制度的建立与优化预留了足够的空间，而且操作简单、易学、安全、无须专业计算机知识。充分合理的利用热装钢坯余热资源，减低了单位燃料消耗。 6.3提高钢品质量的效果
使用该系统后，将开轧钢坯平均温度稳定在±30℃的合理范围内，通条温差由原来的100℃降低为70℃，其中帘线钢的通条温差降低为50℃。避免了由于出现轧制节奏变化、停轧等情况时人工设定炉温调节滞后引起开轧温度大起大落，稳定了轧制生产工艺，提高钢板产品质量，满足生产工艺要求。 6.4空燃比优化设定使用效果
通过使用空燃比优化设定策略，加热炉的烟气残氧含量从使用前的7.1%降低为5.5%左右。减少了加热炉尾气带走的热损耗，加热炉热效率明显提高，使加热炉始终保持在最佳燃烧状态。 6.5待轧策略的使用效果
实际生产中，出现待轧后，系统能够及时自动调整加热炉炉温，防止了燃料的浪费，减少了钢坯的氧化脱碳的机会，对提高钢坯的加热质量起了重要作用。 6.6降低氧化烧损率的效果
与系统投入前三个月人工操作下相近的热装率、生产作业率、产量、原料参数等情况比较，氧化烧损率从以前的0.6%降低为0.54%。
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6.7脱碳
7. 经济效益
系统投入后，加热炉燃耗由2009年上半年平均的1.1GJ/t，降为2009第四季度月平均的1.053GJ/t，按照每GJ煤气36.89元，每月按照30天生产计算。 经济效益计算如下：
减少煤气消耗×2009年第四季度产量×每GJ煤气单价 =0.047GJ/t×36.89元/GJ×t ＝万元
加热炉钢坯烧损率由2009年上半年平均的0.6％降为2009年第四季度平均的0.54％，2009年第四季度共生产钢坯吨，钢坯平均价格元/吨，氧化铁皮价格200元/吨计算。 经济效益计算如下：
降低钢坯烧损率×总产量×（钢坯平均价格-氧化铁皮价格） ＝（0.6％-0.54％）×吨×（-200）元/吨 ＝万元
合计经济效益：+＝万元。
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