钢铁加热炉炉群生产物流仿真系统的设计和实现李婧李苏剑（北京科技大学）工序的生产情况。为热送热装生产计划编制、生产管理以及加热炉生产控制等研究和实际应用提供了一种有效的工具。

　　1前言连续式加热炉是轧钢生产的重要设备，其操作水平的高低直接影响产品的质量、产量和能耗指标，它是炼钢连铸到轧制生产的中间环节，为实现均衡连续的轧制生产起着重要的缓冲调节作用。此外，连铸坯热送热装工艺的节能降耗、提高生产率的效果最终也体现在加热炉工序的加热过程中近年来，由于连续加热炉在轧钢生产和热送热装新工艺中所处的重要地位，使之成为研究热点之一。有关加热炉的研究大多从热能的角度侧重于加热炉加热优化控制研究，如炉温优化控制、钢坯加热优化控制等，但对于生产计划和调度管理者来说，关心的是生产的整个运营情况和物流状态，而这方面的研究相对较少。本文从加热炉炉群生产物流的角度，结合热能控制，针对连续步进式加热炉，建立了加热炉炉群生产物流仿真系统，从流与能的角度研究加热炉炉群的生产物流过程。

　　2重要的模型2. 1加热炉物流仿真系统模型离散型仿真系统有两种类型：离散事件系统模型和离散时间系统模型。离散事件系统模型是以事件为推动模拟进程离散时间系统模型是以时间单元为步长的离散性动态模型。加热炉物流仿真系统模型是在离散时间系统仿真理论基础上建立的。

　　2. 2板坯温示模型加热炉的生产就是加热板坯，其出炉节秦、温度和断面温差必须满足轧制工艺的要求，仿真模型中要满足的约束中有很多是与板坯温度有关的。因此，板坯的温度分布关系到仿真结果的可靠性，成为生产仿真系统中的重要部分。板坯内部温度分布至今尚无法实现在线检测，因此必须借助钢坯加热温示数学模型来实现钢坯温度的直接控制。

　　基于对加热炉内传热过程的不同简化方法，已开发了许多用于炉温和钢坯预测及控制的模型。近联系人：李婧，博士研究生，北京（ 100083）北京科技大学机械工程学院年来使用较多的加热模型是按傅立叶导热定理描述的一维加热微分方程，文献表明[ 3， 4]，经过认真校核的一维稳态模型有足够的计算精度，完全满足本系统生产仿真精度的要求。

　　影响炉内板坯温度分布的因素很多，建模时做下列假设。

　　（ 1）炉温分布不随时间而变化，将炉温沿炉长方向分段线性化。认为炉膛内介质温度在分区内是均匀的，忽略沿炉长方向上各区段间的辐射传热。

　　（ 2）板坯在炉内运动节奏均匀，忽略板坯传热的端部效应，其导热过程只沿厚度方向发生。

　　（ 3）忽略板坯表面氧化层对传热的影响。

　　（ 4）炉内各段的炉壁黑度、钢坯黑度和角度系数均作常数处理。

　　（ 5）板坯在炉内的加热为对称加热。

　　2. 3最佳炉温动态补偿模型最佳炉温动态补偿的实质是利用板坯的离线最佳炉温曲线，在线的调整炉温。最佳炉温曲线是在板坯最佳加热曲线下的炉温加热制度，在实际生产中，产量波动，随机干扰等因素必然使钢温和炉温偏离优化温度，为了消除在仿真中钢温偏差，采取对炉温进行动态炉温补偿措施，使仿真更接近实际情况。

　　3炉群生产物流仿真系统的总体设计3. 1设计出发点（ 1）系统性以加热炉炉群为研究对象，从系统的角度去仿真生产。这是区别于某些加热炉的具体单项研究的重要特点之一。

　　（ 2）通用性以现在流行的四段式连续步进式加热炉即预热段、第一加热段、第二加热段、均热段为设计基础（五段式可以简化为四段式） ，基本加热炉参数及炉数、节奏等生产参数都可变化，具有一定的通用性。

　　（ 3）实用性尽可能满足实际生产中的约束条件，达到辅助生产的作用，又由于许多参数如冷热出炉节奏、冷热间隔距离等参数可变化，因此通过仿真可以研究参数的规律和优化问题。

　　（ 4）直观性板坯的加热曲线、仿真的结果显示和时间表都直观显示出板坯在炉加热状态和运动状态。

　　（ 5）扩展性仿真系统具有扩展性，其功能和性能可以进一步增加和完善。

　　3. 2约束条件（ 1）板坯跨区约束为保证板坯加热的均匀性，在空炉初始化过程中，可快速入炉，但在板坯跨区段时，要满足该板坯的表面温度大于或等于该板坯在该段的目标温度的约束在正常生产仿真时，板坯跨区时要满足板坯在该段的时间大于或等于该板坯在该段的最短在段时间的约束。

　　（ 2）入炉约束在初始化中，要满足人工设定的入炉节奏要求，同时要求入炉口有足够的空间放置入炉板坯。在正常生产状态下，只要入炉口有放置待入板坯的空间，即可入炉。

　　（ 3）出炉约束板坯出炉顺序要严格按轧制计划顺序出炉，在尽可能满足加热目标温度的条件下满足出炉节奏的要求。

　　（ 4）入炉时炉号的选择在常温坯（简称冷坯）生产时，按炉号1， 2，…，1， 2，…顺序入炉，在热送坯（简称热坯）和冷坯同时生产时，如不采用专用炉（非专用炉制） ，即仍按冷坯生产时的入炉规则如用专用炉（专用炉制） ，则热专用炉入热坯，其他炉入冷坯，按炉号顺序入炉。

　　（ 5）节奏变化当同炉冷热（冷坯在前，热坯在后）混装时，热坯进入二加后出炉节奏变快，采用热坯出炉节奏热冷（热坯在前，冷坯在后）混装时，冷坯进入二加后节奏变缓，采用冷坯出炉节奏。这样使温度和节奏有一定的过渡，以减轻冷热入炉板坯因加热制度不同而造成的影响。

　　3. 3总体功能结构总体功能结构见图1.

　　（ 1）基本参数设置模块对连续步进式加热炉结构基本参数、炉个数、仿真时间步长、出炉节奏等仿真基本参数进行设置、修改，建立参数文件。

　　（ 2）热参数设置模块对板坯温示模型中的各段总括吸收率、简化后的冷热板坯加热制度、温示模型中时间步长等温度计算基本参数进行设置。

　　（ 3）轧制计划的编辑模块对轧制计划数据库进行输入、修改、删除、添加等基本操作。

　　（ 4）空炉初始化模块时间表显示板坯加热曲线正常生产仿真空炉初始化轧制计划编辑热参数设置基本参数设置加热炉物流仿真系统对空炉进行初始化仿真，将板坯按一定规则排满炉中，将结果保存在结果数据库中。

　　（ 5）正常生产模块在满足一定约束的条件下，对加热炉的正常生产进行一个或多个轧制计划的仿真，对有热板坯的计划可以按专用炉制度和非专用炉制度仿真，给出入炉、出炉时间和顺序、入炉号、出炉板坯温度、在炉时间等结果，存入结果数据库。

　　（ 6）时间表显示模块按时间的顺序排列出入炉事件。

　　4应用实例4. 1温示模型的验证其中加热炉有效长度为50000 mm.

　　将余热回收与预热合并总称为预热段，简化为四段加热式。

　　验证标准板坯尺寸为250 mm×1250 mm×生产率为冷装350 t/ h.出炉板坯表面为1 250±10℃，断面温差小于35℃板坯的性能参数按文献和文献[ 6]取值。

　　板坯加热曲线图。

　　板坯中心温度与实际值的最大误差为4. 8 ，加热终了温度非常接近实测值，在计算过程中，一加和二加终了温度误差比较大，这与一加和二加炉温线性化的误差有很大关系。数据表明，只要取得合适的总括吸收率值和炉温，模型的计算是可靠的。

　　4. 2仿真实例以某钢厂的连续步进式加热炉为仿真对象，加热炉尺寸如图1所示炉数为2炉仿真板坯尺寸为目标为（ 1250±10）℃，断面温差≤35℃轧制节奏为冷计划板坯出炉节奏2. 5 min，热计划中热坯出炉节奏为2 min，冷坯出炉同冷计划。（冷计划指计划板坯全为冷板坯，热计划为计划中全部或部分为热板坯） 专用炉数为1炉热轧制计划中出炉结构规律为三热二冷，即热专用炉连续出3块坯之后，专门加热冷坯的加热炉连续出2块坯，两炉按此比例交替出炉。

　　仿真部分结果，炉温变化曲线图见图4.

　　5结论（1）为了适合加热炉炉群生产物流仿真的特点，系统使用了总括热吸收率法简化一维模型，提高了求解速度。经验证，计算值与参考值吻合较好，最大误差为4. 8　，模型的计算速度和精度满足整个模型仿真的要求。

　　项目验证项目预热段第一加热段第二加热段均热段各段平均炉温/℃上下简化炉温段/℃段末板坯上下表面平均值温度/℃测量值段末板坯表面温度/℃计算值相对误差/ 段末板坯中心温度/℃测量值计算值相对误差/ 注： 1）为文献中现场采集数据入炉顺序入炉号出炉顺序板坯号入炉时间/出炉时间/出炉间隔/板坯头位置/板坯尾位置/板坯位置状态板坯热状态入炉温度/在炉时间/表面温度/中心温度/断面温差/（ 2）为满足生产率变化时板坯加热需要，系统使用了加热炉炉温设定补偿算法，效果较好，由仿真结果看板坯的加热温度总体为1 239℃～1261℃，在考虑误差的情况下满足板坯的加热目标范围。

　　（ 3）系统能够进行各种连续步进式加热炉炉群生产条件下的仿真，用于探讨热送热装生产组织工艺，热送热装轧制计划编制和在线生产控制等有关的系统问题。

作者：佚名　　来源：中国润滑油网