[发明专利]一种获得低碳钢最优升温曲线的方法

权利要求书

1.一种获得低碳钢最优升温曲线的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：收集轧钢加热炉的坯料类型、燃料类型和炉体结构的参数，设置最小节奏；

步骤二：建立以开轧温度为目标的轧钢加热炉综合平衡模型，把加热炉分成多个微元段，分别计算每个微元的热平衡；

步骤三：采用遗传算法解析非线性综合热平衡类型，获得某种结构的轧钢加热炉低碳钢最优升温曲线；

步骤四：最优升温曲线应用在生产现场。

2.根据权利要求1所述的一种获得低碳钢最优升温曲线的方法，其特征在于：所述坯料类型为坯料成分,以及该坯料在各温度下该钢种的密度、热容、热导率，燃料的成分、低发热值、理论空气、理论烟气、烟比煤空等资料。

3.根据权利要求1所述的一种获得低碳钢最优升温曲线的方法，其特征在于：所述热平衡计算包括以下内容:热收入项Q_入、热支出项Q_出、优化方程。

4.根据权利要求3所述的一种获得低碳钢最优升温曲线的方法，其特征在于：所述热收入项Q入计算公式见下：

Qd＝(3020×CO湿％+2580×H2湿％+8578×CH4湿％+15371×C2H6湿％+5581×H2S湿％)×4186.8＝3.47(GJ/Nm3)

Q入＝Bi*Qd＝60000*3.47＝208646.8(GJ/Nm3)。

5.根据权利要求3所述的一种获得低碳钢最优升温曲线的方法，其特征在于：所述热支出项Q_出的计算公式见下：

Q出＝Q_钢坯+Q_废气+Q_炉壁+Q_门+Q_水+Q_其他

其中:

(1)Q_钢坯

Q_钢坯＝ρ∫_z∫∫_钢坯截面[J_i(T_i)-J_i-1(T_i-1)]dxdydz

式中：

Q_钢坯：单位时间内滞留在本微单元段的钢坯的吸热量，(J/h)；

P：小时产量(t/h)＝140t/h；

ρ：钢坯密度，kg/m³；

dz：本微元段长度，m；

J_i(T_i)：本微元段中钢坯的比焓，kcal/kg；Ji×4186.8J/kg；

T_i：本微元段中钢坯的截面温度场，℃；

T_i-1：本微元段下游相邻微元段中钢坯的截面温度场，℃；

(2)Q废气

Q废气＝(1-K)BiVncy(ty-t0)

式中：

K：机械不完全燃烧损失率，对于气体燃料，取K＝0.01～0.02；

Vn：单位燃料燃烧时产生的烟气量(标m3/m3)；

理论烟气量计算公式：理论空气量L0＝(0.5×CO湿％+0.5×H₂湿％+2×CH₄湿％+3.5×C₂H₆湿％+1.5×H₂S湿％-O₂湿％)/21；

Ln＝1.1L0；

理论烟气量计算：理论烟气量Vn＝Vco₂+V_H2O+V_SO2+V_N2+V_O2

其中：①Vco₂＝CO湿％+CH₄湿％+2×C₂H₆湿％+CO²湿％；

②V_H2O＝H₂湿％+H₂S湿％+H₂O湿％+2×CH4湿％+3×C₂H₆湿％+0.00124gLn；

g:常温1m3空气的饱和水蒸汽含量，g＝18.9g/m3；

③V_SO2＝H₂S湿％

④V_N2＝N₂湿％+0.79Ln

⑤V_O2＝0.21(Ln-L0)

ty、t0：分别为离炉烟气温度(175℃)和环境温度℃(环境温度一般忽略)

cy：离炉烟气平均比热(J/m3.℃)。

C_CO2＝1767.9，C_H2O＝1519.8，C_SO2＝1869.4，C_N2＝1301，C_O2＝1331.4。

(3)Q_炉壁

Q_炉壁＝∑F_壁q_壁×1000(J/h)。

其中F_壁：包括炉墙、炉顶的散热面积，F_壁＝(2H_炉高+B_炉宽)×Li_炉长(m²)，Li炉长:本微元段沿炉长方向的长度。L炉长＝…+Li-1炉长+Li炉长+Li+1炉长+…；

q_壁:炉壁单位面积热损失；

t_壁:炉内壁面温度(℃)；

t₀：炉外环境温度(℃)；

a_W：炉墙外表面传热系数按《工业炉设计手册》P147表5-5，

S:炉墙各层材料的厚度(m)；

λ：炉墙各层材料的热导率[KJ/(m.h.℃)]；

(4)Q_水冷件

Q_梁＝(55t_L-18600)·A_梁×4186.8(J/h)；

Q_立柱＝16.8×t_L·A_立柱×4186.8(J/h)；

A_梁：水量冷却面积(m²)；

n_梁:水量根数；

D梁：水梁外径(m)；

L梁：水量长度(m)；

A_立柱＝n_立柱×π×D_立柱×H_立柱(m²)

n_立柱:立柱根数；

D_立柱：立柱外径(m)；

H_立柱：立柱高度(m)；

(5)Q_炉门

Q_炉门＝Q_辐+Q_溢+Q_过梁

其中：

Tg:炉门处的温度，K；

A：炉门开启面积，m²,A＝B×BH；

φ：角度修正系数，取φ＝0.55；

单位时间内炉门开启时间，分钟，即每小时开启几分钟；

则进炉门和出料炉门的辐射热损失分别为：

其中t_g进料、t_g出料分别为进料和出料炉门处温度，℃；

t_壁：过梁处炉体内壁面温度；

t_水：过梁内水的温度，取31℃；

S:过梁各层材料的厚度(m)；

λ:过梁各层材料的热导率[KJ/(m.h.℃)]；

F_门：过梁的壁面面积；

(6)Q_其他

Q_其他包括炉底散热损失，其他散热损失等，一般去热收入量的2％-3％，本实施例采用Q_其他＝0.03Q_入；

(7)根据各段供热量计算各段所需蓄热体量

通过以上计算，可获得蓄热体需要量

6.根据权利要求3所述的一种获得低碳钢最优升温曲线的方法，其特征在于：所述优化方程具体包括炉温优化目标、以及约束条件，其中炉温优化目标是以轧制工艺对钢坯温度分布的要求为基础的，以生产过程中的某些生产目标为约束条件，寻求满足约束条件的炉温优化分布曲线，所述生产目标为：

(1)出炉时刻，钢坯的表面温度达到轧制工艺要求的最低温度，或者说出炉时刻钢坯的表面温度与轧制工艺期望的钢坯表面温度的偏差小于给定值；

(2)出炉时刻钢坯的表面温度与钢坯的中心温度的偏差符合要求，即钢坯的断面温差小于给定值；

(3)在满足钢坯出炉温度的前提下，尽量降低钢坯的能量消耗；

(4)尽量缩短钢坯的在炉时间，提高加热炉的生产率；

(5)尽量降低钢坯的氧化烧损；

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。因此本专利根据实际情况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的考虑的侧重点的不同，建立如下的炉温优化目标函数：

约束条件如下:

(1)钢坯出炉时刻表面温度与目标表面温度之差的限制T_出炉钢表-T*|≤ΔT_{给定表面温差}；

(2)出炉时刻钢坯最大断面温差的限制|T_出炉钢表-T_{出炉钢中心}|≤ΔT_{给定断面温差}；

(3)钢坯在预热段内最大加热速度的限制T_平均预报(k)-T_平均预报(k-1)≤ΔT_{最大加热速度}；

(4)加热炉内某点的最大最小炉温限制T_{i最小炉温}≤T_炉i≤T_{i最大炉温}；

(5)钢坯温度分布与加热炉炉温分布之间的函数关系为：

T_钢平均(k)＝F(T_钢平均(k-1),T_炉(k-1)

其中：T_出炉钢表、T_{出炉钢中心}分别代表钢坯出炉时刻的实测表面温度和中心预报温度(℃)；

T_平均预报：钢坯在炉内的平均预报温度(℃)；

ΔT_{最大加热速度}、ΔT_{给定表面温差}：钢坯加热时所允许的最大加热速度和最大断面温差(℃)；

T*：钢坯表面的目标出炉温度(℃)；

ΔT_{给定表面温差}：钢坯出炉时刻所允许的最大断面温差(℃)；

S：加热炉的炉长(m)；

v：钢坯在加热炉中的运动速度(m/s)；

ω₁、ω₂、ω₃、ω₄：加权系数，且ω₁、ω₂、ω₄＞＞ω₃；

N：计算钢坯平均预报温度的采样点数。

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，体现了钢坯出炉的表面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，优化函数的第三项表示钢坯在炉内的平均预报温度，第四项表示钢坯在炉内的停留时间，第三项和第四项体现了对钢坯生产过程中节能降耗的要求。