蓄熱式鋼包烘烤器控制系統設計

蔡培力，孫家富，張 松

（遼寧科技大學材料與冶金學院，遼寧 鞍山 114051）

蓄熱式鋼包烘烤器控制系統設計

蔡培力，孫家富，張 松

（遼寧科技大學材料與冶金學院，遼寧 鞍山 114051）

針對早期鋼包烘烤器能耗高、烘烤溫度低、烘烤質量差等問題，設計了基于高風溫燃燒技術的蓄熱式鋼包烘烤器控制系統。采用PLC控制的空氣單預熱蓄熱式鋼包烘烤器結構，分析了機械傳動與控制系統原理，提出了基于智能積分型時間比例控溫算法的鋼包烘烤器控溫策略。根據控溫誤差及誤差變化率，優化不同的積分速度系數，整定最佳的導通時間和關斷時間比值、積分時間和最佳高、低過沖量抑制值，使系統能有效克服快速升溫造成的上過沖量及快速降溫造成的下過沖量。通過控制煤氣流量和蓄熱式燒嘴的定時切換，實現了對鋼包溫度的自動控制。通過鞍鋼2150車間的應用結果表明，蓄熱體可預熱助燃空氣達1 000℃以上，排煙溫度可降至150℃左右，燃燒器火焰穩定，污染物和NOx排放量少，控制系統工作穩定，烘烤時間短，控溫精準，鋼包內溫度場均勻，節能效果明顯。

蓄熱式燃燒；鋼包烘烤器；時間比例控制；智能積分；積分速度系數；過沖量；PLC

0 引言

近年來，我國鋼鐵行業連鑄合格鋼坯產量占鋼總產量的百分比不斷上升。作為連鑄生產過程使用的中間鋼包（以下簡稱鋼包），對保證連鑄質量及產量起著十分重要的作用。鋼包在使用前由于自身溫度較低，直接盛裝鋼水會降低鋼包內襯的壽命，影響鋼水在鋼包內的狀態及連鑄質量，因此要將鋼包加熱到一定溫度后才可以使用。早期使用的套筒式和金屬自預熱式鋼包烘烤器，其能耗較高、烘烤時間長、溫度低且均勻性差，烘烤過程排煙損失的熱量占燃燒總熱量的70%～80%，熱效率低于60%［1］。20世紀九十年代，由于耐高溫陶瓷行業的發展，陶瓷蓄熱體燃燒器的研究進展加快，使其廣泛應用成為可能。本文基于陶瓷蓄熱體燃燒器，設計了高風溫蓄熱式鋼包烘烤器控制系統，并使用在鞍鋼二煉鋼2150車間鋼包在線、離線控溫過程中。該系統將助燃空氣預熱到1 000℃以上［2-3］，提高了燃燒溫度和煙氣余熱回收效率，排放的煙氣溫度下降至150℃左右，減少了污染物和NOx排放量［4-5］，使烘烤火焰更加穩定、鋼包溫度更加均勻。

1 控制系統原理

鋼包烘烤器用于新包及周轉中間包的烘烤。新砌筑的鋼包內襯需要均勻慢速脫去水分，因此采用煤氣不預熱、空氣不預熱的烘烤方式；周轉包可以快速加熱，因此采用煤氣不預熱、空氣預熱的烘烤方式。這兩種烘烤方式都可保證穩定燃燒。鋼包烘烤器燃燒介質通常為高爐煤氣、轉爐煤氣、焦爐煤氣、天然氣及混合煤氣等，烘烤器燃燒形式為蓄熱式燃燒和直接燃燒，結構形式有立式和臥式兩種。

立式結構蓄熱式鋼包烘烤器控制系統由蓄熱式燃燒器、塔吊式升降卷揚系統、PLC、智能儀表及上位機組態軟件監控系統組成，完成鋼包烘烤的控制過程。

氣路循環系統由鼓風機、引風機、換向電磁閥及換向閥組成。引風機、鼓風機采用變頻調速，通過換向閥對引風和鼓風氣流換向，實現燒嘴工作狀態切換；換向閥切換過程和風機轉速由PLC控制。

通過壓力變送器、孔板、流量變送器、熱電偶及溫度變送器，實現鼓風壓力、風量及鋼包溫度等參數的在線實時檢測。

系統工作時，根據工藝要求自動執行事先存放在PLC內部的工藝曲線程序，煤氣閥的開度由工藝曲線的設定溫度決定。燃燒器主要由兩個蓄熱式長焰燒嘴組成，開關電磁閥和換向閥控制燒嘴交替工作。當左側燒嘴燃燒時，右側燒嘴排煙，燃燒產生的煙氣流經右側燒嘴的蓄熱體后排出。煙氣經過低溫蓄熱體時，由于熱交換作用，使蓄熱體溫度升高，煙氣溫度降低。經過30 s左右，換向閥受控換向，使左側燒嘴排煙，右側燒嘴燃燒。當燒嘴所需的助燃空氣流經高溫蓄熱體時，便產生了熱交換，使助燃空氣溫度升高，蓄熱體溫度降低，煙氣經左側燒嘴的蓄熱體后排出，加熱左側燒嘴的蓄熱體，使煙氣溫度降低。在燒嘴工作過程中，煤氣與高溫空氣邊混合邊燃燒?；旌线^程由于爐內煙氣占比較大，致使氧氣和煤氣濃度下降，煤氣燃燒充分，煙氣排放的有害成分及NOx濃度大大降低，排放溫度可降低至150℃左右，這是非蓄熱式燃燒技術所不能實現的?？刂葡到y定時切換，兩個燒嘴交替工作，執行PLC內部指定的工藝曲線程序，完成鋼包溫度程序控制。

2 鋼包控溫策略

被加熱的鋼包內襯是用高溫陶瓷耐火材料噴涂或砌筑而成的，可避免鋼包金屬外殼承受高溫鋼水侵擾而熔損。由于耐火材料的能差，爐襯內外溫差較大時極易使耐火材料變形，甚至炸裂脫落，因此加熱鋼包一定要按照給定的升溫制度進行。特別是當鋼包溫度較低時，必須嚴格按照設定的工藝曲線加熱，確保鋼包的使用壽命和加熱質量。而當鋼包溫度在500℃以上時，可直接快速加熱到使用溫度。根據鋼包耐火材料的特性以及現場工藝要求制定加熱工藝曲線，并通過PLC編程完成鋼包內襯的控溫加熱過程。

鋼包烘烤器加熱工藝曲線如圖1所示。

圖1 鋼包烘烤器加熱工藝曲線Fig.1 Heating process cure of the ladle roaster

鞍鋼第二煉鋼廠I型鋼包烘烤器控溫系統（簡稱I型烘烤器）采用時間比例積分控溫方法，與常規PID方法相比，在一定程度上提高了控溫的響應速度。但該方法超調量大，限制了響應速度的再提高，簡單的上、下過沖量抑制方法對于改善控溫精度、縮短控溫響應時間的作用有限。

為提高控溫指標，設計了基于智能積分型時間比例控溫模型的II型烘烤器控制系統，改進了I型烘烤器的控溫算法?？販啬Ｐ腿缦拢?/p>

式中：e為誤差；ec為誤差變化率；ki為積分速度系數［6］；u為控制輸出量；u0為最小控制輸出量；ti為積分時間；I為智能積分量；Pb為時間比例值。

且：

式中：Th為控制量接通時間；Tk為控制量斷開時間。

系統響應及智能積分曲線如圖2所示。圖2（a）和圖2（b）說明誤差與系統輸出的變化趨勢一致。

圖2 系統響應及智能積分曲線Fig.2 System response and intelligent integral cures

通常，控制器對誤差的積分是按照一定的數學模型實現的，其作用是減少或消除系統輸出的穩態誤差，但在使用中存在下列缺點。

①積分作用沒有針對性，沒有真正體現有經驗的操作人員的控制思想。不管對象特性如何，只要誤差存在，積分就一直進行。這就導致積分飽和，形成較大的超調，使響應過程時間變長，這就破壞了系統的動態特性。

②最佳控制作用的飽和積分量及分離誤差帶與控制對象特性密切相關，積分時間等參數選擇不當極易導致系統振蕩［7-8］。

為克服上述缺點，在控制過程的不同階段，采取如圖2（c）所示的智能積分策略，可以有效提高控制系統的動態性能和穩態性能。首先，在圖2（c）所示的（0，a）、（b，c）和（d，e）時間區間，實際溫度向設定溫度靠近時，可以取消控制器中的積分作用［9］，在比例作用等控制下，借助控溫的慣性向穩態過渡。其次，應區別對待（a，b）、（c，d）和（e，f）這三個時間區間的積分速度，（a，b）、（e，f）時間區間由于誤差和誤差變化率都大于 0，為防止過大的高過沖量，應采用大的反向積分速度系數壓制超調量，使輸出量快速下降至穩態值，而（c，d）時間區間由于誤差和誤差變化率皆小于0，采用較小的積分速度系數，就可以使輸出量快速達到穩態值，且不易出現超調。

在實際應用中，為實現最優的控溫指標，采用動態參數整定方法確定控溫模型中的參數，使系統按照最佳時間比例值、積分時間值及正反向積分速度系數值運行，實現較理想的高、低過沖量抑制效果。該方法能夠防止快速升溫造成的上過沖及快速降溫造成的下過沖，確?？販厮俣瓤?、精度高、無超調。

3 傳動裝置結構

本文設計的蓄熱式鋼包烘烤器機械傳動裝置采用立式結構［10］。烘烤器機架采用液壓式塔吊型設計，框架結構應力分布均勻，抗彎、抗折性能好，穩定可靠。

鋼包蓋頂部安裝有換向閥、蓄熱式燒嘴、引風機和測溫熱電偶等裝置。燃燒介質從機架側面向上通過旋轉機構連接到換向閥，并進入到蓄熱式燃燒器。助燃空氣由高壓風機提供，從機架的另一側通過旋轉機構連接到換向閥，并輸送至安裝在罐蓋頂部的蓄熱式燃燒器內，與燃燒介質進行混合，實現高溫燃燒。

鋼包烘烤器傳動系統原理如圖3所示。PLC控制電動液壓推桿系統改變鋼包蓋仰角的大小，可實現連續和點動操作。卷揚系統配有滑輪組和減荷、減速機構，并設計了電氣、機械雙重限位保護系統。鋼包頂蓋開啟方便，最大控制仰角可達85°左右，便于天車吊運作業。烘烤器采用亞高速燒嘴供熱，具有燃燒速度和火焰出口速度快、剛度好、調節比寬、控制容易等特性。燒嘴火焰流可直接沖入鋼包底部，強化了與鋼包內襯的對流傳熱，滿足鋼包大、中、小火均勻升溫的要求。烘烤過程符合升溫速度要求，約為20 min。

圖3 系統原理圖Fig.3 Principle of the system

4 運行特點

II型鋼包烘烤器在鞍鋼二煉鋼2150車間運行結果表明，烘烤器控制系統滿足現場工作要求，具有以下特點。

①采用空氣預熱煤氣不預熱加熱方式，空氣預熱溫度大于1 000℃，污染物和NOx排放量少，節能效果顯著。

②鋼包內襯溫度場均勻，無局部高溫點，延長了內襯耐火材料的使用壽命。

③煤氣燃燒充分，排放溫度低。

④使用低熱值煤氣可獲得較高溫度的火焰，滿足鋼包烘烤要求。

⑤根據誤差及誤差變化率的極性，采用智能積分型時間比例控溫方法，改善了控溫質量。

⑥適用于各種鋼包及鐵包等在線和離線烘烤。

5 結束語

本文介紹的蓄熱式鋼包烘烤器控制系統是針對鞍鋼第二煉鋼廠新砌筑的鋼包、周轉鋼包、鐵包等加熱的立式鋼包烘烤器，可在線或離線加熱鋼包內襯。根據加熱對象工藝要求，設計了不同的控溫程序?？刂葡到y采用PLC結構，并與上位機構成集散控制系統，具有報警及安全連鎖等一系列功能，實現了設備安全可靠控制，保證了對整個系統的實時監控，提高了系統的工作效率和管理水平。設計的II型鋼包烘烤器設備增加了操作功能。采用智能積分型時間比例控溫方法，使系統工作穩定，并且具有一定的穩定裕量，降低了控溫的超調量，提高了加熱速度和控溫精度。系統能耗進一步降低，污染物和NOx排放量減少，用戶反映良好。

［1］劉竹昕，張衛軍.高爐煤氣雙蓄熱式鋼包烘烤器的設計及研究［J］.冶金能源，2014（1）：23.

［2］劉彬.高效蓄熱式鋼包烘烤器的設計與研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2008.

［3］劉玉梅.郝萬新，李忠明.基于PLC控制的雙蓄熱式鋼包烘烤器自動控制系統［J］.冶金能源，2008（3）：94.

［4］顧興鈞，余剛，騰義，等.HRC高效蓄熱式烤包器原理及應用［J］.鋼鐵，2003（8）：69-72.

［5］尹濤.蓄熱式鋼包烘烤器的設計及應用研究［D］.南昌：江西理工大學，2007.

［6］黃戎，巫茜.爐溫控制系統的仿人智能融合策略［J］.自動化儀表，2013（10）：63-65.

［7］韓啟綱，吳錫祺.計算機模糊控制技術與儀表裝置［M］.北京：中國計量出版社，1999.

［8］粟枯，宋扶輪.熱處理爐溫度測量與控制［M］.北京：國防工業出版社，1984.

［9］張世璽.仿人智能積分控制算法改進研究［J］.上海電力學院學報，2003（1）：47.

［10］中國冶金建設協會.鋼鐵冶金過程檢測和控制自動化設計手冊［M］.北京：冶金工業出版社，2002.

Design of the Control System for Regenerative Ladle Baking Machine

CAI Peili，SUN Jiafu，ZHANG Song
（College of Material and Metallurgy，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China）

To against the disadvantages of early ladle baking machines，e.g.，high energy consumption，low baking temperature，and poor baking quality，etc.，the control system for regenerative ladle baking machine is designed based on high blast temperature combustion technology.The structure of single air preheating regenerative ladle baking machine controlled by PLC is adopted，the principles of mechanical transmission and control system are analyzed，the temperature control strategy based on intelligent integral type time proportional temperature control algorithm for ladle baking is proposed.In accordance with the temperature control error and the directions of the error changing rate，different integral velocity coefficients are optimized，and the best ratio of on/off time，integration time，best high and low overshoot suppression values are tuned，to make the system effectively overcome the up and down overshooting values caused by rapid heating and cooling.By controlling the gas flow rate and timing switchover of the regenerative burner，the automatic temperature control of ladle is implemented.The results of application in Angang 2150 workshop show that the temperature of combustion-supporting air can be preheated to 1 000 ℃ by the regenerator，and the temperature of exhaust smoke can be reduced to 150 ℃；the burner flame is stable，the emissions of pollutants and NOx are small；the control system is working stably with short baking time，temperature control is precise，the temperature field in the ladle is even，and the effect of energy saving is obvious.

Regenerative combustion；Ladle roaster；Time proportional control；Intelligent integral；Integral velocity coefficient；Overshoot；PLC

TH39；TP205

A

10.16086／j.cnki.issn1000-0380.201711009

修改稿收到日期：2017-06-30

蔡培力（1958—），男，學士，教授，主要從事熱工過程自動化的教學和科研工作。E-mail：caipeili@163.com。