苗鐵生  鄭永伯

(唐山中厚板材有限公司)

摘 要：針對目前國內(nèi)鋼鐵企業(yè)加熱爐工藝控制的不足，通過鋼坯溫度計算模型、基于專家規(guī)則的爐溫設(shè)定調(diào)控、空燃比自尋優(yōu)算法、爐壓控制和優(yōu)化加熱時間等手段，優(yōu)化加熱爐燃燒過程，再輔以余熱利用措施，實(shí)現(xiàn)加熱爐燃燒系統(tǒng)在滿足軋制工藝需求的前提下進(jìn)一步降耗、提效、減排。

關(guān)鍵詞：加熱爐；工藝控制；燃燒系統(tǒng)；降耗提效減排

加熱爐是鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中重要的熱工設(shè)備，在軋鋼生產(chǎn)中占有十分重要的地位，其能耗占鋼鐵工業(yè)總能耗的6%。加熱爐的主要任務(wù)是在保證加熱工藝要求的前提下，將鋼坯加熱到要求的溫度，并盡可能減少燃?xì)夂碗娔艿南?，降低排放物對環(huán)境的污染。文章對加熱爐的智能控制技術(shù)進(jìn)行了深入全面地研究，調(diào)整加熱爐的運(yùn)行狀態(tài)和工藝過程參數(shù)，使其達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)，提高加熱爐運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，解決鋼坯出爐溫度波動大、斷面溫度不均、氧化燒損率高、能耗消耗量大和排放污染嚴(yán)重等問題^[1]。

1氧化燒損及燃?xì)庀挠绊懸蛩?

鋼坯在加熱爐內(nèi)加熱過程中，由于爐內(nèi)存在氧化性氣體(O₂、H₂O、SO₂)，導(dǎo)致鋼坯的表面發(fā)生氧化。一般氧化燒損率高達(dá)5% -6%，嚴(yán)重影響了成品率^[2]。大量文獻(xiàn)研究表明，爐溫、加熱時間及爐內(nèi)氣氛是影響鋼坯氧化燒損的主要因素。

1.1爐溫控制不均衡

由于燃?xì)獾臒嶂岛蛪毫Σ▌颖容^大，且系統(tǒng)對它們的抑制能力又較差，導(dǎo)致爐內(nèi)溫度波動較嚴(yán)重。加熱溫度過高會造成鋼坯的過熱、過燒以及嚴(yán)重氧化，影響正常軋制甚至產(chǎn)生廢料，造成原材料和能源的浪費(fèi)。反之，加熱溫度不足會影響正常軋制，對軋機(jī)、軋輻的磨損巨大。因此,必須了解鋼坯加熱工藝的基本知識，制定正確的加熱工藝制度，以減少加熱過程造成的生產(chǎn)缺陷^[3]。

加熱溫度是板坯表面氧化主要因素，隨著加熱爐爐內(nèi)溫度的升高，板坯表面氧化速度逐漸加快。普碳鋼加熱溫度與氧化量關(guān)系成拋物線變化規(guī)律，如圖1所示。當(dāng)溫度低于1000K時，普碳鋼氧化燒損量很少，一般可忽略不計；當(dāng)溫度在1000 - 1100K時，氧化燒損量較小；當(dāng)溫度在1100- 1300K時，氧化燒損量緩慢增大；當(dāng)溫度在1300?1400K時，各組分的擴(kuò)散速度逐漸加快，普碳鋼氧化燒損量快速增加；當(dāng)溫度超過1400K時，普碳鋼表面氧化鐵皮開始熔化,氧化燒損量急劇增大。同時溫度過高，消耗的燃?xì)庖矔鄳?yīng)增加，浪費(fèi)燃?xì)狻?/p>

1.2加熱時間的影響

同一加熱制度條件下，隨著加熱時間的延長，板坯表面氧化燒損量逐漸增加，其增重成拋物線變化規(guī)律。圖2是1390?1470K的普碳鋼坯在氧濃度為3%的情況下，加熱時間與氧化量的關(guān)系曲線。由圖可以看出，各溫度下的鋼坯氧化量隨時間變化的趨勢大致相同；在0?30min氧化反應(yīng)劇烈，碳鋼氧化燒損量急劇上升；30min后，碳鋼氧化燒損量逐漸減緩。氧化初期鋼基體與空氣直接接觸，氧化增重速率較快，隨著加熱的進(jìn)行，生成的致密氧化鐵皮覆蓋在鋼基體表面，外部的氧化性介質(zhì)不易透入，阻礙氧化鐵皮的生成，因此氧化速率減緩，但整體氧化量還是隨時間的增加而增加的^[4]。

盡管各樣本鋼坯的溫度均相差20K,但氧化量的增量是不同的。在加熱的前30min內(nèi)，氧化量增量幅度較小，但隨著加熱的繼續(xù)進(jìn)行，30?60min內(nèi)，氧化量增幅逐漸擴(kuò)大，60min后，氧化量增幅趨于穩(wěn)定。氧化量增幅隨溫度的升高而增大，表明了溫度越高，氧化反應(yīng)速度越大，故需要縮短鋼坯在高溫區(qū)的停留時間。

1.3爐內(nèi)氣氛的影響

正常情況下，煤氣和空氣要想實(shí)現(xiàn)最佳燃燒，空氣系數(shù)的取值范圍為1.02?1.10。若空氣不足，燃燒不充分，產(chǎn)生黑煙，浪費(fèi)能源，熱效率降低，并且污染環(huán)境；若空氣過量，多余的空氣會帶走熱量，造成燃?xì)饫速M(fèi)，降低燃燒溫度，增加鋼的氧化與脫碳，不僅浪費(fèi)材料而且給除磷帶來困難，嚴(yán)重的還會影響產(chǎn)品表面質(zhì)量, 并且會增加NO_x的排放量^[5]。因此，控制合理的空氣系數(shù)至關(guān)重要。實(shí)際生產(chǎn)中，在保證均熱段合理的加熱溫度下，應(yīng)采用較低的空氣系數(shù), 降低高溫鋼坯附近的氧氣濃度，以降低其氧化燒損率。

2加熱爐燃燒過程優(yōu)化

2.1鋼坯溫度計算模型

鋼坯溫度計算模型是實(shí)現(xiàn)爐溫優(yōu)化設(shè)定控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，鋼坯溫度在線計算是爐溫反饋控制的依據(jù)。以鋼坯實(shí)時計算溫度和鋼坯設(shè)定升溫曲線的偏差作為反饋補(bǔ)償控制的輸入，對鋼坯的升溫過程嚴(yán)格按照理想升溫曲線進(jìn)行加熱。

2.2專家規(guī)則的爐溫設(shè)定調(diào)整控制

利用反饋補(bǔ)償控制對各段最優(yōu)爐溫設(shè)定值進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償，同時根據(jù)出爐鋼坯的實(shí)測溫度，利用專家經(jīng)驗(yàn)對加熱爐各段爐溫進(jìn)行調(diào)整。

2.3空燃比自尋優(yōu)算法

空氣煤氣的最佳配比是加熱爐燃燒控制的重要內(nèi)容，空燃比的合理配置有利于降低燃料單耗?？杖急忍?，爐溫降低，需要更多的燃料來加熱鋼坯導(dǎo)致燃料消耗增大?？杖急忍?，燃料不能完全燃燒必然導(dǎo)致燃耗過高?？杖急茸詫ぷ顑?yōu)控制的特點(diǎn)是在不需要知道數(shù)學(xué)系統(tǒng)模型的情況下，自動搜尋被控對象具有極值型非線性特性的最優(yōu)工藝，保證計算函數(shù)達(dá)到或接近最優(yōu)值,而且在工藝環(huán)境發(fā)生變化時，在優(yōu)先保證極值型非線性關(guān)系的前提下，通過自動捜索功能找到新工藝環(huán)境下的最優(yōu)值。根據(jù)爐溫偏差變化率，可反映出煤氣熱值的變化量，為此模糊化爐溫偏差和爐溫偏差變化率，并采用模糊專家規(guī)則對空燃比進(jìn)行優(yōu)化。

2.4煤氣、空氣流量控制

在燃燒負(fù)荷劇烈變化的情況下，可利用煤氣、空氣流量雙交叉限幅控制法實(shí)現(xiàn)對爐溫的控制。雙交叉限幅燃燒控制為了對副回路控制器的空氣流量和煤氣流量的設(shè)定值進(jìn)行限幅，采用對空氣流量與煤氣流量的實(shí)測值進(jìn)行控制，通過相互制約，有效防止了負(fù)荷發(fā)生快速變化可能出現(xiàn)的空氣和煤氣過度剩余。保證燃燒系統(tǒng)始終工作于最佳燃燒區(qū)域內(nèi)，可大大減少過氧燃燒和缺氧燃燒所帶來的熱損失，進(jìn)而最大程度上降低燃料浪費(fèi)和對環(huán)境造成的污染，達(dá)到節(jié)能、降耗、環(huán)保的目的。

2.5爐壓控制

加熱爐的爐壓控制可采用排煙溫度和爐壓的選擇性控制系統(tǒng)，在煙溫正常情況下，通過選擇直接壓力控制方式來選擇爐壓控制器，從而有效地控制爐壓使其保持穩(wěn)定；當(dāng)煙溫超高時，可利用煙溫控制器，將煙溫控制在工藝允許的要求范圍內(nèi)。爐壓控制方式選擇原理如圖3所示。

①當(dāng)排煙溫度處于100 -200℃范圍時，選擇控制器為爐壓控制器，控制調(diào)節(jié)閥的開度，從而有效控制加熱爐的爐壓穩(wěn)定性。

②當(dāng)排煙溫度超過200℃范圍時，選擇控制器為煙溫控制器，控制調(diào)節(jié)閥的開度，從而使煙溫能夠盡快回到工藝允許的范圍。

③當(dāng)控制器不起作用的時候，跟蹤正在工作的控制器的輸出，來實(shí)現(xiàn)控制器之間的快速無擾切換，從而達(dá)到控制要求，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的有效控制。

2.6加熱時間的優(yōu)化

根據(jù)鋼坯類型的不同，合理制定對應(yīng)的升溫曲線，同時根據(jù)軋線的軋制節(jié)奏，設(shè)定鋼坯在各段的停留時間，并在保證鋼坯出爐溫度的前提下，盡量縮短鋼坯在高溫段的時間，實(shí)現(xiàn)降氧化燒損、節(jié)燃?xì)狻?/p>

3余熱利用

加熱爐排出的廢氣溫度很高，帶走了大量的余熱。為了提高加熱爐的熱效率，節(jié)約能源，應(yīng)最大限度利用廢氣余熱。其主要有兩個途徑：一是利用廢氣余熱來預(yù)熱空氣和燃?xì)?，將一部分熱量帶回爐膛，提高爐子熱效率，采用設(shè)備是換熱器或蓄熱室；二是利用廢氣余熱生產(chǎn)蒸汽，提高熱能利用率，采用的設(shè)備是余熱鍋爐。

4實(shí)施效果

通過對國內(nèi)某鋼廠加熱爐工藝流程及對象特性進(jìn)行深入分析后，結(jié)合定量反饋理論和模糊控制理論設(shè)計了加熱爐智能控制系統(tǒng)，并予以實(shí)施，加熱爐的基本信息如表1所示。

加熱爐智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用,有效地抑制了燃?xì)鉄嶂怠毫Σ▌蛹盃t內(nèi)參數(shù)變化等因素對加熱爐運(yùn)行的影響,提高了爐溫控制精度，實(shí)現(xiàn)了加熱爐燃燒過程的最優(yōu)控制，實(shí)現(xiàn)了節(jié)燃?xì)狻⒔笛趸療龘p的目的，并實(shí)現(xiàn)了加熱爐智能燃燒，減少了工人的工作強(qiáng)度。改造前后效果對比見表2。

按照鋼坯單價2000元/t,產(chǎn)量100萬t/a, 計算燒損節(jié)能金額：

2000x0.24X100x10⁴ +104 =488 萬元

按照煤氣單價0. 09 %/m³,節(jié)約單耗27. 66m³/t,產(chǎn)量100萬t/a,計算煤氣節(jié)能金額:

0. 09 x 27. 66 x 100 x 10⁴÷10⁴= 248.94 萬元

參考文獻(xiàn)

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[3] 蔡喬方.加熱爐[M].北京：冶金工業(yè)出版社, 2008.

[4] 金明•板坯加熱過程氧化燒損及溫度變化規(guī)律研究[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2016.

[5] 華建社，陳佳宜，杜金星.蓄熱式軋鋼加熱爐熱工分析[J]•工業(yè)爐，2017, (3)： 35-38.