近十几年来，随着计算机技术和自动控制水平的不断提高，均热炉生产自动化控制技术也取得了一定 的进展。现有的控制系统大部分是以燃烧控制为主，即控制炉温、炉压和空燃比等参数。这种控制 方法由于控制的目标是炉温而不是炉内加热的钢锭，因此很难实现优化加热的目的。我们针对马钢 初轧厂的实际生产情况，充分利用已有的设备条件，在详尽分析钢锭浇注、冷却和加热等过程热工 特点的基础上，建立了钢锭一维无限长圆筒在线控制数学模型，开发出均热炉群计算机控制系统， 实现了均热炉生产过程的钢锭热状态动态跟踪、钢锭优化加热控制、钢锭装出炉决策及状态估计、 钢锭烧好实时动态预报模型和钢锭动态待轧处理等。1钢锭热过程数学模型钢锭热过程数学模型是 实现钢锭动态优化加热控制和调度管理的核心，是实现钢锭热状态跟踪和其它功能的基础。为满足 计算机实时性要求，在线控制数学模型采用圆锭、方锭和扁锭均适合的一维无限长圆筒模型［l］ 钢锭内部导热方程为式中T为温度（℃）；p为密度（kg／m勺；Cs为钢锭比热（hi／（k g·t》；K为导热系数（kw／（m·℃》；厂为钢锭沿半径方向上的空间变量（m）；t为时 间（S）。（1）初始条件Tm一Tbo（2）Ts一T刃（3）式中m代表锭模；s代表钢锭； 0代表初始值。（2）边界条件简化成内壁绝热的无限长圆筒的内表面：aa河厂式中凡为圆筒半 径。钢锭（锭模）glde’－－－－－x用辐射和对流的边界条件。1）冷却过程钢锭脱模前模 外表面或脱模后锭外表面：式中T”为温度（K）；。为黑度；H为对流换热系数（W八m‘·℃ 》；a。为斯蒂芬一波尔兹曼常数；下角a代表环境或大气。钢锭脱模前锭外表面或模内表面：式 中N为辐射换热所占的权重；下角n代表计算区域。2）加热过程加热过程中，考虑钢锭外表面边 界条件与炉墙、炉气的辐射换热和与炉气的对流换热．即式中Qws为角系数，中ws＝AS／（ s＋A。）二为换热面积（mz）；下角w代表炉墙、g代表炉气。（3）炉膛热平衡方程利用热 力学第一定律可以得到均热炉炉膛热平衡方程。式中Q为热量（kw）；Q认为燃料低发热量（k J／m勺；司为燃料不完全燃烬率；B；为燃料耗尽量（m’／s）；V为体积（m’）；Vn为 实际燃烧产物量（m’／m’）；n为空气消耗系数；L。为理论空气需要量（m’／m’）为避 免炉增温度的迭代计算，数学模型在线运行中炉墙内壁温度由下式近似计算：式中Y为权重，且Y 。＋Ys＋Yw－1。（4）非线性边界条件的处理对于带辐射项的边界条件，会出现含有温度四 次方的非线性方程，本文采用如下方法处理。假设在k＋1时刻辐射换热的热流密度为q‘”‘－ 。。。〔（T”E”y－（T’j”‘）‘〕（14）用下式进行线性化处理：（5）数学模型求 解采用全隐式差分格式对钢锭热过程数学模型进行离散化，可得到钢锭和锭模在k＋1时刻沿半径 r方向所有结点的差分方程，对该方程组采用追赶法进行数值求解。2均热炉祥钢锭优化加热控制 系统该系统包括钢锭优化加热控制和炉群调度管理二个子系统。二者相对独立，通过系统通信网络 进行信息传递，见图1。2．1控制系统的硬件配置均热炉群钢锭优化加热控制系统采用的是美国 爱克新公司生产的CIM－PAC分布式系统，其中，操作站（上位机）采用SYgySS486 D刃33工业计算机，控制站（上位机）采用SYSR－SR486DX／33I业计算机，其结 构框图见图2。2·2钢锭热状态的动态跟踪钢锭在生产过程的热状态跟踪是进行钢锭实时动态烧 好预报和动态待轧策略的基础。利用已建立的钢锭冷却和加热过程数学模型可以实现均热炉生产全 过程的钢锭温度动态跟踪。操作工启动装钢键后即可输入本炉钢锭的钢种、锭型以及传搁时间等控 制参数，当输入数据得到确认后控制系统立即调用钢锭冷却数学模型，进行钢锭装炉温度分布计算 。随后，每隔一个时间步长调用一次钢锭加热模型，根据当时实际炉温计算钢锭在炉全过程的温度 响应，而且可以将钢锭当前的温度分布实时显示在CRT上。2．3钢锭烧好实时动态预报本系统 采用基于钢锭热过程数学模型的钢锭本护全村提的动在快好而报。目2硬件配置枢国传统的钢锭烧 好预报采用“0”、“1”和“2”次预报，即当钢锭浇注完之后，由预计的传搁时间和拟采用的 加热策略，第1次做出钢锭烧好预报，即“0”次预报；当钢锭装炉完了进行钢锭烧好的“1”次 预报；当进入均热期时，进行“2”次预报。这种预报方法显然没有考虑实际生产时的随机情况， 预报值很难做到准确。针对炉群调度管理和钢锭优化加热工艺动态修正策略的需要，实现了基于数 学模型的钢锭在炉全过程动态烧好预报，即从钢锭入炉开始，每隔一个时间步长调用烧好预报模型 一次，根据当前实际炉况和钢锭温度计算本炉钢锭的烧好时间，直到钢锭出炉为止，这样就不再分 “1”次、“2”次预报。这种动态烧好预报方法大大增强了控制系统对随机情况的处理能力，提 高了预报精度。2．4钢锭动态优化加热Xi艺的确定从工程实用角度出发，提出了一种钢锭动态 优化加热工艺的确定方法，其主要思想是钢锭入炉后首先根据钢种、锭型及其热状态，选择一种预 先设置的升温曲线，然后根据烧好预报时间和轧机要求确定出炉时刻，每个时间步长进行一次设定 值动态修正，以保证烧好时刻与出炉时刻同步。钢锭入炉后，每一时间步长均先调用加热模型进行 钢温跟踪计算，然后调用钢锭烧好预报模型计算烧好预报时间t报。根据t报与轧机生产要求的出 炉时间t出之间的关系，进行炉温设定值在线修正，从而完成钢锭优化加热工艺的动态优化。（l ）t报一t出＞凸t时，采用快速加热法，即在最大热负荷下将炉温升至设定炉温T设以上已T， 保温一段时间后降至设定炉温，这样能缩短轧机的待热时间。快速加热法通过修改炉温设定值（T ＠十乙T）来实现。（2）It报一t出【一动t时，按原有加热法加热，对设定值一般不作修正 。（3）t报一t出＜凸t时，如按原加热法加热，将出现待轧现象。我们采用“二段加热法”对 原有加热法进行修正，即将可能出现的待轧现象提前转移到低温处理，以达到节能、减少氧化烧损 的目的。2．5钢锭动态待轧处理钢锭待轧分二种情况：一是在正常轧制条件下，有多炉加热好的 钢锭等待轧制；二是轧机因某种原因如电气故障、换辊等造成钢锭待轧。前者是针对已加热好的炉 子，亦称为自动待轧；后者是针对所有的均热炉，亦称为请求待轧。对单个炉坑来讲，均热炉的待 轧处理可以看作是该坑优化加热控制的一部分。基于这种思想，当某种钢锭调度要求的出炉时间t 出已知时，将待轧时间t待定义为t待一t出一t报（16）式中t报为当前炉况下，动态烧好预 报的出炉时间。（1）计划待轧与t报相对应，t待亦是一个动态变量，当t待＞乙t时，则进行 “
计划待轧”处理，即将已预见到的高温待轧现象预先处理至低炉温状态。计划待轧有两种情况， 一是对于较低的炉温，由于可能出现多炉钢锭同时烧好的现象，则需在某个低炉温＊。设下保温一 段时间后再按普烧法升温，见图3（a）；二是对于已进入或将进入均热期的炉坑，如继续按当前 炉温的加热方法加热将出现待轧现象，此时必须将炉温降至TL＆保温一段时间后再重新升温．见 图3（b）。图3计划待轧策略与文献I川“请求待轧”策略一样，“计划待轧”策略中也有待轧 再升温时刻t升的确定问题。文献［川是通过假设在t升时刻钢锭的温度分布均匀而且等于T。设 ，以此为初始条件进行t升时刻的烧好预报。显然这种方法没有考虑实际待轧过程对钢锭温度的影 响。本系统由于实现了钢锭热状态参数的动态跟踪，烧好预报t报及出炉时间t出均是动态变量， 这使得t升的求解变得更为精确、简便；当t报一t出时，即为待轧重新升温时刻。这一判据使得 图3中t。时刻以后的每一点都有可能成为重新升温点，从而确保烧好时刻和出炉时刻同步。（2 ）非计划待轧当t待较小时，不预先进行“计划待轧”处理，而在加热完成时进行‘啡计划待轧” 处理，即根据加热工艺规定，每过一段时间相应降低一次炉温设定值。由于“计划待轧”策略的实 施，非计划待轧时间较短，一般不需要进行出炉前的重新升温。3均热炉群调度管理系统均热炉群 调度管理系统主要包括以下内容。3．1钢锭装炉决策模型钢锭装炉决策的主要任务是在出现待装 、待料或数批热锭到达均热车间的情况下，合理安排装炉顺序，使总的等待时间最小。以钢锭待装 时间和均热炉待炉时间最短为目标函数的装炉决策可以表示为纯整数规划中的指派问题。3．2钢 锭出炉决策模型钢锭出炉决策主要任务是在出现待热、待轧时合理安排钢锭出炉顺序，使总的等待 时间最小。首先根据均热车间各个炉坑的工作状态（优化加热控制的烧好预报）和钢锭装炉决策方 案，估计出一定时期内可能加热完毕的炉坑数量和相应的出炉时刻，其次根据每炉钢锭的数量、规 格和轧机工作状态，估计出各炉钢锭所需的轧制时间。钢锭出炉决策模型最终给出轧机生产要求的 各炉坑的出炉时间，为优化加热控制提供依据。3．3轧制节奏模型轧制节奏模型是根据各炉坑的 装炉锭数、钢种、锭型以及当班或当天的成品规格确定轧制节奏，即估算在炉的各炉钢锭轧制所需 时间，为装、出炉决策模型编制装、出炉顺序提供依据，最终推算出各炉钢锭的可出炉轧制时间。 3．4加热勤学模型的修正加热数学模型是进行优化加热控制和炉群调度管理的核心，其准确度取 决于实测炉温的真实性和均热炉热工特性稳定性。（1）炉温修正测温热电偶的安装位置、测温孔 处挂渣、炉衬蚀损或热电偶老化等因素均能导致炉温测量值失真。当炉温测量值偏离实际值而又不 能及时检修时，操作人员可以根据经验或借助校正仪表确定偏差值，并在上位机操作画面上输入偏差值，加热数学模型将按经验修正公式自动进行炉温修正。（2）炉子特性的修正随着炉龄变化导致炉底积渣、炉体密封、换热器性能等炉子热工性能的改变，使之偏离数学模型校验时的情况，引起数学模型计算结果不准。本系统通过钢锭出炉表面温度偏差在某一时期内的平均值，对加热数学
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