无缝钢管热轧生产线加热炉计算机优化控制的学习体会

文献概况

本文发表于2003年《工业加热》第32卷第2期，作者来自北京科技大学与宝山钢铁集团，围绕无缝钢管热轧生产线上的环形加热炉和荒管再加热炉建立了数学模型与计算机优化控制系统，实现了热轧过程温度跟踪控制，并在实际生产中取得了良好效果。彼时正值国内无缝钢管行业从经验操作向自动化控制转型的关键阶段，宝山钢铁作为当时国内无缝钢管产能最大的企业之一，其技术探索具有行业标杆意义。

加热炉工艺背景与核心难点

无缝钢管热轧生产线的加热炉系统是整个生产线的"心脏"，其控制精度直接决定荒管质量和成材率。环形加热炉采用环形布置，坯料在其中连续前进，加热过程涉及辐射传热、对流传热与接触传热的耦合，且不同规格钢管对应不同的加热制度。荒管再加热炉则用于对穿孔后的荒管进行再加热，为后续连轧精轧工序提供合适温度。

加热炉控制的核心难点在于：

数学模型构建思路

文中提到的数学模型建立，本质上是对加热炉热工过程的定量描述。环形加热炉的数学模型通常包括三个层次：炉内传热模型（描述炉墙、炉气与坯料之间的热量传递）、坯料温度场模型（描述坯料从外表面到中心的温度梯度变化）以及燃烧模型（描述燃料燃烧释放的热量与空气量的关系）。

对于无缝钢管热轧，坯料加热温度的控制目标通常为：出炉温度在1180～1230℃之间（取决于钢种），中心与表面温差控制在200～250℃以内。若温差过大，在后续穿孔工序中会产生内裂纹；若出炉温度过低，则穿孔力增大、设备负荷过高；若过高，则氧化烧损加剧、能耗上升。

荒管再加热炉的控制目标相对明确：将荒管加热至连轧开轧温度（通常1050～1100℃），同时保证壁厚方向的温度均匀性，以避免在连轧过程中产生层状开裂。

计算机优化控制的工程实现

文中提到的"计算机优化控制系统"，在当时属于较为前沿的技术应用。从工程实践角度看，这类系统通常包含以下功能模块：

1. 温度预测模块：基于坯料当前温度、炉内各区温度、加热功率等实时数据，利用数学模型预测坯料出炉温度，提前调整加热功率。
2. 优化设定模块：根据钢管规格、钢种、目标出炉温度，计算各区的最优加热功率分配，生成加热曲线。
3. 跟踪控制模块：实时监测坯料温度（通过红外测温或接触式测温），将实际温度与设定温度进行对比，输出控制指令。
4. 规格切换模块：在钢管规格切换时，自动调用对应规格的加热制度参数，减少切换过渡期的废品率。

工程实践中的关键经验

从实际生产经验来看，加热炉计算机优化控制的成功实施，不仅仅是软件层面的工作，更需要以下条件的支撑：

• 测温系统的可靠性：红外测温仪的标定精度和响应速度直接影响控制效果。在实际操作中，氧化皮脱落、炉内气氛干扰等因素会导致测温偏差，需要定期标定和补偿。
• 执行机构的响应速度：燃烧器调节阀、风门执行器等执行机构的响应时间若过长，会削弱前馈控制的效果，导致温度超调。
• 模型参数的定期修正：随着炉体耐火材料的老化、炉门密封状况的变化，传热特性会发生漂移，需要定期利用实际生产数据修正模型参数。
• 操作人员的配合：计算机优化控制并非完全替代人工操作，在异常工况（如断钢、堆钢、炉压异常）下，仍需操作人员及时干预。

学习心得与行业启示

回顾2003年前后的技术环境，国内无缝钢管行业普遍面临能耗高、质量波动大、成材率低等问题。加热炉作为能耗最大的工序（通常占热轧总能耗的50%以上），其优化控制具有显著的经济效益。文中所述的计算机优化控制系统，其核心价值不仅在于温度控制精度的提升，更在于将加热工艺知识系统化、模型化，降低了操作人员的技能依赖，提高了生产稳定性。

从当前视角来看，随着工业4.0和智能制造的发展，加热炉控制已从单一的温度优化发展到多目标优化（能耗、质量、产量协同优化），并融合了数字孪生、数据分析等新技术。但无论如何演进，其底层逻辑仍然是准确的数学模型与可靠的实时数据——这正是本文所奠定的基础。对于今天的工程师而言，理解加热炉热工过程的基本原理、掌握传热模型的基本框架，仍然是从事智能控制开发的前提条件。