加热炉炉温优化与控制方法的研究

加热炉炉温优化与控制方法的研究

张伟伟

江苏金轮特种钢丝有限公司 江苏 南通 226000

摘要：加热炉炉温优化与控制是工业生产中的重要问题，对于提高加热效率、节约能源和确保操作安全具有重要意义。对加热炉炉温优化设定和控制方法的研究一直是加热炉控制研究的重点和热点，本文对加热炉炉温优化与控制方法的现有研究成果进行了总结，并在此基础上，对加热炉炉温控制方法的发展趋势进行了展望。

关键词：加热炉；炉温优化；炉温控制；控制方法

0引言

随着工业生产的不断发展，加热炉在材料处理、热加工等领域中的应用越来越广泛。为了提高生产效率、确保产品质量，加热炉炉温的优化与控制变得至关重要。加热炉作为工业生产中的重要设备，在热处理、热加工等过程中扮演着关键角色。炉温的优化与控制直接影响产品的质量和生产效率。首先，炉温的优化与控制能够确保加热炉在生产过程中达到最佳的工作状态，提高能源利用效率，减少生产时间，从而提高整体生产效率。通过精确控制炉温，可以缩短加热时间，实现快速加热和降低能源消耗；其次，炉温对材料的性能和质量具有直接影响。通过优化和精确控制炉温，可以确保加热过程中材料达到预期的热处理效果，提高产品的质量稳定性和一致性，同时通过采用先进的控制技术，例如PID控制、模型预测控制等，可以在保证生产质量的前提下，最大限度地减少能源消耗；最后，高效的炉温控制可以减少设备的过热或过冷，降低设备的磨损程度，延长设备的使用寿命。对于高温环境下工作的加热炉设备，合理的炉温控制对设备的维护和管理具有积极的影响。因此，本文对加热炉炉温优化与控制方法的现有研究成果进行了总结，并在此基础上，对加热炉炉温控制方法的发展趋势进行了展望。

1加热炉炉温优化的研究现状

1.1传统加热炉炉温控制数学模型

建立炉温优化目标函数的方法可以分为三种：以“端头供热”原则、以能量平衡方程为依据、以炉内各段钢坯总热焓量最小为目标。（1）以“端头供热”原则建立目标函数：这种方法通常考虑炉子两端的温度差，试图通过调整加热炉两端的供热情况来实现炉温的优化。然而，这种方法可能过于简化，忽略了炉内其他区域的温度变化对整体温度分布的影响。（2）以能量平衡方程为依据建立目标函数：这种方法尝试通过能量平衡方程来建立优化目标函数。然而，可能存在的问题是过于简化的能量平衡方程，无法准确考虑炉内的复杂热传递和能量转化过程。（3）以炉内各段钢坯总热焓量最小为目标建立目标函数：这种方法考虑使炉内各段钢坯的总热焓量最小，试图通过优化炉温分布来达到这个目标。然而，同样可能存在过于简化的问题，无法充分考虑炉内其他因素对炉温的影响。

综合来看，这些方法可能在简化模型时忽略了一些重要因素，从而导致建立的目标函数难以全面反映炉温特性。在实际情况中，可能需要更为复杂和准确的数学模型，考虑更多的因素，如非线性效应、传感器延迟等，以更好地描述和优化加热炉的温度控制。在炉温优化的过程中，对模型的建立和参数的选择要谨慎，并可能需要进行实地验证和调整。

1.2传统加热炉炉温优化方法

传统加热炉炉温的优化涉及到多个方面，包括控制策略、温度分布、能源利用效率等。首先，选择合适的控制策略是关键。PID控制、模型预测控制（MPC）、模糊控制等都是常见的控制方法。合理地选择和调整这些控制策略可以实现炉温的稳定和精确控制。PID控制是一种基于反馈的控制方法，通过调整比例（P）、积分（I）和微分（D）三个控制参数来实现系统的稳定性和性能。在炉温控制中，PID控制器可以根据实时误差、积分误差和微分误差来调整控制输出，从而调整炉温。MPC是一种先进的控制方法，它基于对系统的数学模型进行预测，然后根据这些预测来调整控制输出。在炉温控制中，MPC可以更好地处理系统的非线性和时变性，允许在未来一定时间范围内进行优化调整。模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制方法，它通过考虑模糊的、非精确的输入和规则，来生成相应的控制输出。在炉温控制中，模糊控制可以应对一些复杂的、难以精确建模的系统。

炉内的温度分布直接影响产品的质量和生产效率。通过调整加热元件的布局、改进热交换系统以及优化加热过程等方法，可以有效实现温度分布的优化。这一系列的措施有助于确保产品在加热过程中受到均匀而精准的加热，从而提高生产效率并优化最终产品的质量。不均匀的的温度分布可能导致产品部分区域受热不足或过热并导致产品生产周期的延长，通过调整加热元件的布局，确保热量均匀分布在整个炉膛内。采用先进的温度控制系统，实时监测并调整炉内温度，以确保每个区域都受到适当的加热。

提高能源利用效率是炉温优化的一个重要目标。通过优化燃烧过程、改进绝热层设计、减小热损失等手段可以降低能源消耗，提高生产效益。确保燃烧是充分而高效的，调整燃烧参数，如气体流量、氧气含量等，以最大程度地利用燃料的能量。绝热层对于防止热能向炉外传递至关重要。通过改进绝热层的设计，使用高效的绝热材料，可以减少热能的损失，确保尽量将热量集中在炉内。定期检查和维护炉子的隔热材料，以确保其保温性能。修复或更换受损的绝热层，减小热损失，提高能源利用效率。使用高效的热交换设备，确保在能量传递过程中最大化利用热量。这可能涉及到采用先进的热交换技术，如空气预热器或液体冷却系统。

2炉温控制的现状

2.1加热炉炉温控制难点

加热炉是一个具有强耦合性、强非线性、大滞后、时变等特点的典型的复杂工业被控对象。加热炉炉温控制涉及到一些难点和挑战，主要体现在以下几个方面：（1）非线性特性：炉温控制系统通常具有非线性特性，包括燃烧过程的非线性、加热元件的非线性以及炉内材料的热性质非线性。这使得建立精确的数学模型和设计有效的控制策略变得复杂。（2）时滞和惯性：炉温的变化可能存在时滞，即控制操作的影响不会立即反映在炉温上。同时，炉温系统可能具有一定的惯性，导致控制响应的迟滞，增加了控制的难度。（3）温度分布不均匀： 炉内的温度分布通常不是均匀的，可能存在横向和纵向的温度梯度。这使得对整个炉温分布进行精确控制变得更为复杂。（4）外部扰动和不确定性：外部因素，如原料的变化、环境温度的波动等，可能对炉温产生影响。这些外部扰动和不确定性需要在控制系统中进行有效的补偿。（5）高温环境：加热炉通常处于高温环境下，这对传感器和控制设备的稳定性和耐受性提出了挑战。选择适合高温环境的传感器和设备是关键问题。（6）多变量互相关：炉温的控制通常是多变量的，与其他因素如燃料流量、氧气含量等存在复杂的互相关关系。同时调整一个变量可能对其他变量产生影响，需要进行综合考虑。

2.2加热炉炉温控制内容

加热炉的炉温控制主要包括炉压控制和燃烧控制。炉压控制是指对加热炉内的炉膛压力进行监测和调节，以确保炉内压力处于安全和稳定的范围内。炉压的控制对于炉温的稳定和燃烧效率的提高都非常重要，主要包括炉压传感器、炉压控制器及炉压保护和报警等炉压控制内容。除了炉压控制外，燃烧控制也是炉温控制的重要内容。燃烧控制是指对加热炉内的燃烧过程进行监测和调节，以确保燃烧效率和温度控制的稳定性。燃烧控制的主要目标是提供适量的燃料和氧气，以实现高效的燃烧和所需的温度。常见的燃烧控制包括燃料供应控制、氧气供应控制及燃烧效率监测。燃烧控制系统通过控制燃料供应来调节燃烧过程，这可以包括调节燃气流量、燃油喷嘴的开启程度或固体燃料的供给速率等。燃烧过程需要适量的氧气来支持燃烧反应，燃烧控制系统可以通过控制风机的风量或调节空气与燃料的混合比例来控制氧气供应。通过监测燃烧效率，并提供实时的燃烧数据和报表，优化燃料和氧气的供应来提高燃烧效率和节能效果。

2.3传统的炉温控制方式

对于加热炉炉温控制的初始方式，操作人员根据经验调节阀门的开度来控制燃料和空气的流量确实存在一些问题，如加热效果不佳和燃料浪费多。为了改进炉温控制效果，许多学者关注并进行了研究，其中最为广泛的方法之一是调节空燃比的交叉限幅方法。调节空燃比的交叉限幅方法是通过控制燃料和空气的比例来实现炉温控制。该方法的基本思想是根据炉温的变化情况，通过调节燃料和空气的流量，使得燃烧过程中的空燃比保持在一个合适的范围内，以达到稳定的炉温控制效果。这种方法的优点是可以实现相对较好的炉温控制效果，通过控制空燃比可以调节燃烧的强度和温度分布，从而提高加热效果和燃烧效率。然而，这种方法的响应速度较慢，因为调节空燃比需要一定的时间来达到稳定状态，特别是在炉温变化较快的情况下。为了提高响应速度，一些研究者还对炉温控制方法进行了改进和优化。例如，可以结合模型预测控制方法，利用数学模型对炉温进行预测，并根据预测结果进行控制调节，以实现更快的响应速度和更精确的控制效果。

3结论与展望

随着社会需求和技术发展，优化算法的种类会越来越多并越来越完善，这将为炉温优化设定提供更多选择。在当前的研究中，确实只有几种基本的和改进的优化算法在炉温优化设定中得到应用。然而，可以预见，在未来的研究工作中，将会有更多先进的优化算法被应用于炉温的优化设定。智能控制的优越性和有效性已经得到广泛认可，并成为现代控制技术的主要手段和方法。在炉温控制中，智能控制方法或智能控制与其他方法的结合已经被广泛采用。智能控制方法可以利用先进的算法和技术，通过学习、适应和优化来实现更精确、更快速的炉温控制。

同时，随着计算机的普及和计算机性能的提高，计算机控制也得到了迅速发展和完善。智能控制技术与计算机控制技术的结合已经成为一种趋势，这种结合可以充分利用计算机的强大计算能力和数据处理能力，提高炉温控制的精度和效率。总的来说，随着技术的不断进步和研究的深入，炉温控制方法将会不断演进和改进。更多先进的优化算法将被应用于炉温的优化设定，智能控制方法将继续发挥重要作用，并与其他控制方法相结合。同时，计算机控制技术的发展也将为炉温控制带来更多的机遇和挑战。

参考文献：

[1]毕春长,李 柠,黄 道.钢坯加热炉仿真系统研究[J].系统仿真学报,2004,16(4):663-666.

[2]卜建荣,徐君燕,朱里红.热轧过程中加热炉炉温优化控制方法[J].钢铁研究学报,2010,22(8):60-63.

[3]张凯举,邵 诚,殷福亮.基于热轧钢坯温度优化的综合优化控制方法的研究[J].信息与控制,2006,35(6):755-758.

[4]陈南岳.现代加热炉过程控制技术及其数学模型[J[.冶金自动化,1985,9(3):12-22.

[5]吴小芳,李少远.基于前馈补偿的加热炉炉温设定值优化[J].控制工程,2008,15(1):35-38.

[6]Steinboeck A,Graichen K,Wild D,et al. Model-based trajectory planning,optimization,and open-loop control of a continuous slab reheating furnace[J]. Journal of Process Control,2011(21): 279-292.

[7]卜建荣,徐君燕,朱里红.热轧过程中加热炉炉温优化控制方法[J].钢铁研究学报,2010,22(8): 60-63.