苗鐵生  鄭永伯

(唐山中厚板材有限公司)

摘 要：針對(duì)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(jì)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(shí)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?duì)環(huán)境的污染。文章對(duì)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(dòng)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(shí)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▌?dòng)比較大，且系統(tǒng)對(duì)它們的抑制能力又較差，導(dǎo)致爐內(nèi)溫度波動(dòng)較嚴(yán)重。加熱溫度過高會(huì)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(huì)影響正常軋制，對(duì)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(shí)，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(shí)，普碳鋼氧化燒損量很少，一般可忽略不計(jì)；當(dāng)溫度在1000 - 1100K時(shí)，氧化燒損量較小；當(dāng)溫度在1100- 1300K時(shí)，氧化燒損量緩慢增大；當(dāng)溫度在1300?1400K時(shí)，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(shí)，普碳鋼表面氧化鐵皮開始熔化,氧化燒損量急劇增大。同時(shí)溫度過高，消耗的燃?xì)庖矔?huì)相應(yīng)增加，浪費(fèi)燃?xì)狻?/p>

1.2加熱時(shí)間的影響

同一加熱制度條件下，隨著加熱時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(huì)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(huì)影響產(chǎn)品表面質(zhì)量, 并且會(huì)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(jì)算模型

鋼坯溫度計(jì)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(jì)算是爐溫反饋控制的依據(jù)。以鋼坯實(shí)時(shí)計(jì)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(duì)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(duì)各段最優(yōu)爐溫設(shè)定值進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，同時(shí)根據(jù)出爐鋼坯的實(shí)測溫度，利用專家經(jīng)驗(yàn)對(duì)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停剂喜荒芡耆紵厝粚?dǎo)致燃耗過高。空燃比自尋最優(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(dòng)搜尋被控對(duì)象具有極值型非線性特性的最優(yōu)工藝，保證計(jì)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(shí)，在優(yōu)先保證極值型非線性關(guān)系的前提下，通過自動(dòng)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(duì)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(duì)爐溫的控制。雙交叉限幅燃燒控制為了對(duì)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(duì)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(duì)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)間的優(yōu)化

根據(jù)鋼坯類型的不同，合理制定對(duì)應(yīng)的升溫曲線，同時(shí)根據(jù)軋線的軋制節(jié)奏，設(shè)定鋼坯在各段的停留時(shí)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(shí)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(gè)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(duì)國內(nèi)某鋼廠加熱爐工藝流程及對(duì)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(jì)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?、壓力波?dòng)及爐內(nèi)參數(shù)變化等因素對(duì)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)?、降氧化燒損的目的，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(duì)比見表2。

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

2000x0.24X100x10⁴ +104 =488 萬元

按照煤氣單價(jià)0. 09 %/m³,節(jié)約單耗27. 66m³/t,產(chǎn)量100萬t/a,計(jì)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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