[摘要]：為了對熱處理爐的數學模型進行優化和控制，提高自動化程度及加熱質量，有效的降低能源消耗，著重介紹了熱處理爐控制系統數學模型的設計及原理分析，給出了二級過程模塊的設計思路和架構。

[關鍵詞]：數學模型，熱交換流程圖      [中圖分類號]TG15

隨著市場對鋼板品種和質量要求不斷提高，越來越多的鋼板需要在軋制后再進行熱處理工藝，以提高金相組織結構，強化鋼板性能，提高鋼板附加值的目的。由于熱處理工藝的特殊之處，鋼板溫度的加熱控制是十分重要的技術指標，熱處理加熱爐的數學模型的建立和有效實施對提高產品質量，降低能源消耗起到了至關重要的作用。本文描述了熱處理爐處理L2控制系統及數學模型的主要功能及實現。

1、數學模型的兩個主要計算

數學模型用來描述熱處理爐內鋼板的加熱過程，主要用到兩個方面理論計算：

1.1計算爐壁與鋼板的熱交換

要計算輻射管、爐壁和爐頂到鋼板的熱交換，輻射和傳導都要考慮進去。最終精確的出爐溫度值是由出爐口安裝的紅外測溫儀測量的數據為準。鋼板在熱處理爐內的熱交換主要是通過對流和輻射來完成。主要應用公式如下：

熱對流傳導:

熱輻射傳導:

總的熱量交換:

1.2計算鋼板的熱消耗

鋼板自裝爐時起到加熱結束，每隔2－5秒周期（根據鋼板厚度和分層數）就要對鋼板溫度進行重復性計算，不斷更新模型去處的數據。由于鋼板的厚度不同，計算鋼板的平均溫度時，根據厚度進行分層計算。對20mm以上及以下的厚度分別運用不同的計算模型。

1.2.1零維計算：

數學模型對于厚度20mm以下鋼板的溫度計算采用零維計算方法。也就是說在鋼板的厚度方向上沒有溫度坡度的計算。因為薄的鋼板相對來說它的熱導率較高，不適合分成多層來進行計算。計算的結果用來優化爐內設置點溫度設定。

3.2.1一維計算：

隨著鋼板厚度的增加，模型的計算將采用一維方法，主要應用傅立葉微分方程，得到穩定可靠的計算結果。在鋼板的厚度方向將計算層次數分為3-15層。這樣得到鋼板內部更細致的溫度分布數據。

2、自動控制系統架構

L2計算機控制系統實現了輥底式熱處理爐的主要數學模型的控制功能，L2計算機系統的模型計算，從鋼板裝入熱處理爐開始執行，到該鋼板出爐時結束。熱處理爐被分成20個溫度控制區域，數學模型對每個爐內控制區域溫度設置點的溫度進行控制，通過L2計算機對一級PLC系統的控制來實現。

當一張新的鋼板裝爐時，操作員須在本地計算機上手動輸入鋼板的ID號進行確認。如果有可用的L3管理系統（是處于計劃層和車間層操作控制系統之間的執行層，主要負責生產管理和調度執行），則通過觸發這個輸入的ID號，L2計算機系統會從L3數據庫中找出該鋼板的相關數據。L2,L3兩個不同的計算機系統的數據交換通過相應的接口程序進行通訊。在整個處理過程中，如果L2系統與L3系統的通訊出現異常，則只應用L2的當地數據庫。這種情況下，由操作員對裝爐鋼板進行核查，手工輸入相應的數據。如：鋼板ID，厚度，長度，加熱時間，加熱溫度等。操作工通過HMI的溫度控制模塊菜單對所有的溫度設置點進行確認。熱處理爐自動控制系統架構如下圖1所示：

（圖1）

3、數學模型的設計與構成

該數學模型主要包括三個子模塊：物料跟蹤計算、鋼板溫度模型計算和模型數據優化計算。最后將優化后的數據發送到PLC，通過調節爐內鋼板的運行速度，燒嘴的燃燒控制、保溫時間等相應儀表控制，以達到最優。模型流程圖如圖2所示：

（圖2）

3.1物料跟蹤模塊的設計

鋼板裝爐后，首先L2通過TCP/IP協議接收PLC傳送的鋼板ID號，鋼板的頭部位置、鋼板運行速度以及上下表面溫度等數據，通過L2數學模型的計算對當前爐內的鋼板進行物料跟蹤。每隔幾秒計算周期更新爐內鋼板的位置跟蹤進行數據更新，鋼板出爐后，相應的鋼板從物料跟蹤系統中移除，流程圖3如下所示：

（圖3）

3.2鋼板溫度模塊的設計

鋼板溫度控制會根據厚度不同，按照零維或者一維模型的計算周期進行更新，鋼板出爐后，其技術特性和溫度數據等提交給L2數據庫中存儲。

（圖4）

3.2爐內設置點優化模塊的設計

鋼板裝爐后，L2系統在數據庫中找到有效的鋼板數據，數學模型會根據鋼板奧氏體溫度和奧氏體時間的相關數據，建立起唯一的比熱曲線。運算開始之后，數學模型會被分成不同的子任務一個接一個的執行循環執行，直到下一張鋼板裝爐時為止。

數學模型預算的鋼板平均溫度將與比熱曲線工藝設置點溫度進行比較，兩者之間會出現一個溫度差值，模型會自動進行數據修正。盡可能做到偏差最小化。與鋼板的比熱曲線最接近，從而能源消耗減少到最小。如圖5所示：

（圖5）

4小結

熱處理爐鋼板的溫度控制是自動化控制的重點和難點，一個好的二級模型不但可以提高鋼板加熱質量，提升鋼板組織性能，還能降低煤氣等能源的消耗，為企業創造更多的效益。該文簡述的是LOI公司熱處理爐二級控制系統的設計思路和架構，在濟鋼中厚板廠得到了較好的應用。

作者：岳臨萍，女，1972年2月出生，碩士研究生，電氣高級工程師，主要研究方向是冶金行業計算機、儀表控制系統、測量技術的開發與應用。