摘要：本論文以中厚板輥底式高溫固溶爐為研究對象,針對固溶爐熱工過程控制的關鍵技術和重點問題進行了系統研究,建立了新型復合式脈沖燃燒時序控制,在線鋼板溫度實時跟蹤,灰色異步粒子群加熱優化和爐輥水冷計算等重要數學模型.在上述基礎上,開發出了具有自主知識產權的"中厚板輥底式高溫固溶爐基礎自動化系統"和"中厚板輥底式高溫固溶爐加熱過程優化系統",實現了高溫固溶爐自動化,精確化控制.論文主要工作及創新性成果如下: 

(1)提出將定脈沖持續時間和定脈沖消隱時間策略組合,開發了新型復合式脈沖燃燒時序控制模型,彌補了引進熱處理爐時序控制模型參數不能最優選取的不足,解決了積分法計算量大,硬件要求高的問題,實現了高精度爐溫控制. 脈沖燃燒時序控制直接關系爐溫控制精度的高低,是鋼板加熱成功與否的關鍵.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,定脈沖持續時間和定脈沖消隱時間三種建模策略.運用數學分析手段確定了燃燒時序控制中影響爐溫偏差的因素,將定脈沖持續時間和定脈沖消隱時間策略復合,建立了新型復合式脈沖燃燒時序控制模型.開發的模型成功應用于RAL高溫固溶爐,爐溫精度可控制在±3℃以內,同板絕對差和異板絕對差均小于8℃,取得了較好的溫度控制效果和加熱質量.

 (2)提出了考慮爐段間溫度耦合的爐膛溫度計算模型,以使計算爐溫更加接近真實工況.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. 通過對爐內熱交換的研究,確定了鋼板換熱的特性,建立了鋼板外部綜合傳熱熱流計算模型.利用拖偶試驗,確定了爐膛總括熱吸收率計算模型.為使爐溫接近真實,建立考慮爐段間溫度耦合的爐膛溫度計算模型.在此基礎上,建立了在線加熱數學模型,主要包括鋼板導熱模型,爐內傳熱模型和鋼板溫度全爐跟蹤模型.經現場使用證明,所建模型準確可靠,出爐測量溫度與計算溫度的相對誤差在1%以內,能夠真實反映鋼板在爐內加熱升溫過程. 

(3)建立了灰色異步粒子群加熱優化策略,實現了加熱工藝制度的穩態優化.提出從爐溫設定和板速設定兩個方面建立加熱規程優化補償策略,解決了爐溫波動等造成的鋼板溫度和保溫時間出爐時不滿足要求的問題. 針對中厚板高溫固溶爐穩態加熱優化目標的多維性,提出灰關聯分析法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化策略.所建策略繼承了GRA高維多目標決策和APSO并發求解的能力,為熱處理爐加熱優化提供了新的求解方法.結合RAL中厚板輥底式高溫固溶爐單獨傳動單獨變頻的設備特點,建立了爐溫設定和板速設定兩種動態優化補償策略.建立的加熱優化策略成功應用于在線生產,實現了加熱規程的優化,有效保證了鋼板出爐溫度命中率.

 (4)針對爐輥水冷機理不明,爐輥冷卻不當會造成爐溫達不到要求的問題,研究了爐輥水冷對流換熱,建立了爐輥水冷模型,實現了爐輥水冷過程關鍵問題的計算.使用水冷模型進行了仿真研究,提出了爐輥冷卻應遵循的原則. 有關爐輥水冷的深入分析一直未見報道.通過分析爐輥輥內水冷對流換熱,結合Dittus-Boelter和Sieder-Tate管內強制對流實驗關聯式,建立了爐輥水冷對流換熱系數計算模型.在此基礎上,建立了爐輥水冷模型并進行了求解.通過與現場實測數據對比,驗證了模型的有效性.使用水冷模型分析了冷卻水流速和進水溫度對爐輥關鍵界面溫度,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化,實現最佳冷卻提供了理論依據. 

(5)開發了中厚板高溫固溶爐的基礎自動化和過程自動化控制系統,解決了大型高溫固溶爐全自動,全連續加熱生產的技術難題,實現了一鍵式生產操作. 設計的基礎自動化控制系統主要功能包括自動點/停爐,鋼板位置微跟蹤和鋼板生產工序跟蹤,溫度自動控制和爐壓自動控制,實現了基礎自動化級的自動加熱生產.建立的過程優化控制系統主要功能包括跟蹤調度,鋼板溫度跟蹤,保溫控制,加熱規程優化及設定,出爐實績預測和模型自學習,實現了鋼板加熱過程的實時監控和優化控制. 開發建立的中厚板高溫固溶爐熱工過程模型及控制系統已在寶鋼,酒鋼等大型熱處理生產線投入使用,取得了良好的使用效果,滿足了企業實際生產的需要.

作者：李家棟

關鍵詞：輥底式高溫固溶爐 脈沖燃燒 時序控制 溫度跟蹤 灰色異步粒子群 加熱優化 爐輥水冷 自動化系統