钢坯表面的氧化、其它散失的热量， KJ / h ；Tf , j －第j段炉

　　本文采用有限差分技术对控制方程进行离散化处理，空 间离散采用内节点法，采用交替隐式格式的TDMA（追赶法） 数值求解技术。图4为数学模型的计算程序框图。

　　高级语言开发出比较通用的软件，则能够将设计、控制与研 究结合起来，既可以实现离线研究，又可用于在线控制，从 而对设计和控制工作起到一定的指导作用。

　　基于加热炉的物理结构和热工机理，本文首先对加热炉 本身进行了建模；对于炉内的换热过程建模采用了不完全模 型——依靠总括热吸收率法充分简化了炉膛换热[10]，对钢坯 加热过程进行网格差分建模；在应用总括热吸收率法过程中 结合了大量的专家经验和实验数据从而尽可能提高了该法 的普适性；依靠专家经验建立了炉温优化专家库，最后建立 了加热炉热平衡模型，从而实现了钢坯在加热炉内加热全过 程的动态仿真。通过该系统的计算结果可以揭示出炉内热过 程的变化规律，反映出加热炉的主要热工参数、结构参数和 工艺参数等对钢坯加热质量以及炉子能耗的影响。

　　系统仿线)；针对换热器：预热空气温度(TYa)、预热燃料 温度(TYr)、换热器效率(C2)、最高允许排烟温度(TPmax)； 在冷却机构中：冷却方式(汽化冷却还是水冷却)、冷却介质 状况(温差变化范围ΔTL、汽化率C3、消耗量Q)、固定梁根 数(M)等。对于钢坯加热过程中存在以下重要参数：钢坯材 质、长度(L)、宽度(W)、厚度(D)、装炉温度(T0)、出炉目标 (目标温度Taim)、允许最大温差ΔTmax)、钢坯前后间距(Gap) 以及加热炉的布料方式(单、双排)、额定产量(P)等。

　　在均匀辐射的情况下，稍稍深入炉内的热电偶所测得的 炉温通常是低于炉壁温度、更低于炉气温度的，它是炉气、 炉壁和钢坯三者之间的均衡温度。热电偶的位置对这个示数 有一定的影响。在本文的讨论中，炉温简化为该处热电偶的 测量值。在此提出几个重要参数：各热电偶的温度测量值(或 称控制温度)T(i)、各热电偶延炉长方向的位置(X(i))。

　　步进梁式加热炉是现代冶金企业热轧车间生产工序中 重要的加热设备，也是该环节中能耗最大的设备。目前在加 热炉上所展开的工作主要是设计和控制两个方面。步进梁式 加热炉炉型设计理念、方案比较成熟，在设计时着重考虑的 是轧线实际情况和钢坯的工艺要求，近年来加热炉新的设计 方向主要有蓄热式[1]、数字化[2]等。加热炉控制的功能是根 据钢坯的入炉参数、生产状况和工艺指标，通过控制炉温， 空气燃料流量和空燃比，空气燃料压力，烟气残氧浓度以及 炉膛压力，尽可能地降低能耗，减少氧化烧损，使钢坯在炉 中均匀受热，出炉时达到工艺要求的轧制温度[3]。在加热炉 的控制领域涌现了广泛的研究成果，可分为经典控制方法 (PID控制)[4]、现代控制方法(极大值、极小值原理[5,6])、模糊 控制方法[7,8]、人工神经网络方法[9]等。

　　在加热炉的控制领域涌现了广泛的研究成果可分为经典控制方法pid控制现代控制方法极大值极小值原理56模糊控制方法78人工神经网络方法在加热炉的设计领域中由于设计依据大多源于手册上提供的实验数据或工程经验的总结所以对设计方案缺少详细细致的研究过程

　　式中：h为钢坯的氧化量， kg / m2 ；a1、a2为钢坯的氧化动 力学常数。

　　加热过程的影响，从而对炉内传热过程有更深入的了解。对比黑匣子实验和热平衡测试结果，该仿

　　真系统能够较好地模拟加热炉内的实际生产状况。利用该软件不仅可以对设计工作进行测试和验

　　关键词：总括热吸收率法；步进梁式钢坯加热炉；数学模型；仿真系统；黑匣子实验

　　式中： Bj －当前炉段燃料消耗量， m3 / h ; Qdw －燃料的低 位发热量， KJ / m3 ； Ln 、Vn －实际空气需要量和燃烧产物 生成量， m3 / m3 ； Ck 、 C f 、 Cy －预热空气、燃料、燃烧 产物的平均比热， kJ /(m3°C) ；Qum 、Qus 、Qll 江南体育、Quyz 、Quf －分别为炉膛传给钢坯、炉墙向周围环境、冷却水管带走、

　　作者简介: 安月明(1980-), 男, 唐山人, 硕士生, 研究方向为热工过程

　　步进梁式加热炉由炉体和炉用设备两大部分组成，其 中：炉体又可划分为几个炉区，从功能上看至少包括预热段、 加热段和均热段等三部分，有些还包括余热回收段；炉用设 备主要包括：燃烧器、换热器、冷却系统等部分。在炉体中， 可以分析归纳出以下几个重要参数：各炉区的长度、上下部 炉膛高度(L(i)、Hu(i)、Hb(i))、炉子有效内宽(Wide)、炉衬 材料的材质和厚度等。在炉用设备中，针对燃烧器主要有以 下重要参数：燃料类型、热值及波动范围(Qdw±Δq)、空气

　　摘 要：采用总括热吸收率法简化了炉膛内辐射换热，针对步进梁式钢坯加热炉建立了数学模型，

　　编写了描述加热炉内热过程的系统仿真软件。利用该软件定量地研究了加热炉主要热工参数对钢坯

　　在连接加热炉本体模型和钢坯加热模型时，本文并没有 采用传统的以炉内热平衡为基础的仿真建模方法，以至于不 得不进行复杂、繁琐、耗时的辐射热交换求解，而是采用总 括热吸收率法。它依靠总括热吸收率沿炉长方向的分布规律 充分简化了炉膛内辐射换热的求解，从而更具有工程实用 性，本文所开发的仿真数学模型软件能够方便地在加热炉设 计工作和在线高级控制工作中直接应用。仿线 仿真系统的结构设计

　　在加热炉的设计领域中，由于设计依据大多源于手册上 提供的实验数据或工程经验的总结，所以对设计方案缺少详 细、细致的研究过程；在加热炉控制策略研究中，众多的控 制策略都只是针对某种特定情况的工程实践，存在着通用性 差的缺点。通过对加热炉系统的建模与仿真，借助于计算机

　　钢坯在步进粱式加热炉内加热，表面受到炉气、炉墙的 辐射传热及炉气的对流传热，内部以热传导的方式传递热 量。本文建立了钢坯内部传热的二维数学模型，即考虑钢坯 内部温度沿宽度和高度方向变化，从而建立钢坯加热过程的 二维传热数学模型。其物理模型示意图见图2。