軋鋼加熱爐智能燃燒系統改造實踐

邵長青，袁訓山，張圓吉，程晶晶

（濰坊特鋼集團有限公司，山東 濰坊 261201）

1 前言

軋鋼廠加熱爐設備，主要是根據軋制需要，對不同鋼種按照不同的加熱工藝，把鋼坯均勻加熱，滿足軋制要求。軋鋼加熱爐作為軋鋼生產線起始環節，對生產線的物流和信息流都起著承上啟下的作用，也對生產線的產品質量和綜合能耗有著重要影響。

濰坊特鋼集團有限公司軋鋼廠加熱爐操作工藝較為傳統，主要以人工控制為主，由人工決定閥門大小，遠程控制現場儀表。通過對加熱控制系統改造升級，加熱爐智能燒爐系統自動適應爐子和控制設備特性，能夠自動識別鋼種、規格、生產節奏、出爐溫度等工藝要求，通過自動計算和調整，完成各段爐溫優化和設定，減少氧化燒損，提高產品加熱質量，較原有系統更加便捷且高效。

2 加熱爐智能燃燒系統介紹

為適應對鋼坯加熱質量和能耗的更高要求，利用計算機和網絡技術，形成先進的基于數學模型的加熱爐智能燃燒控制技術［1］。該技術具有自動適應爐子和控制設備特性改變的能力，能夠自動識別鋼種、規格、生產節奏、出爐溫度要求，自動計算和優化設定各段爐溫，減少氧化燒損，提高產品加熱質量。

加熱爐原控制系統是傳統儀表自動化系統，需要人工設置溫度值、閥門開口度、煤氣壓力、煤氣量等，通過人工觀察調控，誤差較大?，F智能燃燒系統在原先儀表自動化系統控制的基礎上增加以太網、智能模塊和外部網絡系統組成新的控制系統，形成智能控制系統中樞單元。通過收集各生產過程信息數據，傳到智能控制系統中。智能系統通過數據收集、跟蹤、分析、對比和處理，建立數據中心、數字模型，制定最佳最優的燃燒方案和操作數據方案。根據方案對鋼坯進行加熱控制，加熱和燃燒信息自動反饋到系統，智能系統根據反饋信息進行調節和調整，實現加熱燃燒過程的閉環控制（見圖1）［2］。

圖1 智能系統功能結構

3 主要改造技術和功能

加熱爐智能燃燒控制系統的主要技術：鋼坯加熱溫度設定、鋼坯加熱時間設定、鋼坯出爐溫度自調節、空氣煤氣比調燃燒優化設定、鋼坯加熱時間預測、加熱溫度自調節、過熱預警、鋼坯彎曲預警，以及加熱信息反饋和閉環控制處理等技術。

3.1 爐溫設定

在實際生產中，加熱爐操作人員根據提供的各鋼種加熱制度進行控制，一般設定范圍比較寬泛。主要限制爐溫上限，各加熱段具體控制到多少度主要依靠操作員的經驗，因此造成加熱質量波動較大，能耗水平高低不一等問題［3］。從生產效率的角度希望加熱速度愈快愈好，但是提高加熱速度受到一些因素的限制，需要研究鋼材的金相組織、塑性、脆性等屬性，考慮溫度應力對材料的破壞，避免產生過大溫差、過燒或燒不透等缺陷。

（1）加熱爐升溫曲線的設計。在低溫區，對于一般的普通碳素結構鋼和低合金結構鋼，由于其具有較高的數學塑性，對升溫速度可以不加特別限制，實際爐溫取決于該段的供熱能力。對于合金鋼等鋼種，在低溫區，應考慮溫度應力對鋼材的破壞，不能產生過大的溫差。在高溫區，鋼材基本完成了相變，能夠快速升溫，爐溫可以設置較高，此時主要是為了避免出現鋼坯過燒，同時保證設備和耐火材料的安全，爐溫一般不超過1 300 ℃，具體爐溫水平取決于鋼坯的出爐工藝溫度要求和出鋼節奏（見圖2）。

圖2 150方坯（45鋼）加熱升溫曲線

（2）燃燒優化設定?？諝饷簹獗壤O定：蓄熱式加熱爐傳動燃燒，燒嘴采用蜂窩狀蓄熱體，空氣蓄熱室和煤氣蓄熱室相鄰配置，高溫空、煤氣流斜交混合，燃燒過程中燃氣熱值不穩定、管道壓力波動等影響因素，加熱爐內燃燒不充分，不能到達最佳，需要合理調整空氣煤氣比?，F智能燃燒系統根據建立數據中心、數字模型，快速計算需要的空氣煤氣比，根據爐內各段燃燒情況，控制各閥門，達到理想的燃燒氣氛，合理燃燒，保證鋼坯充分加熱，不過燒，減少氧化燒損。爐溫動態設定：在實際生產中，在出鋼節奏較快時，由于加熱段供熱能力限制（特別是對于熱負荷較大的低溫段），有時爐溫不能實現優化目標值，而煤氣流量已經處于最高位，這時應該降低該段的爐溫設定值。有時由于軋輥更換、設備突發故障等原因，需要中斷出鋼，因此要求加熱爐執行降溫、保溫操作，這種狀態稱為待軋。由于這些原因，造成加熱爐生產節奏產生波動，使得鋼坯的在各段的停爐時間也發生變化，因此爐溫優化控制系統在設定各加熱段爐溫時，其爐溫設定值、鋼坯表面溫度目標值也應相應發生變化，從而使控制系統達到自動適應生產節奏變化的目的。

3.2 鋼坯加熱時間預測

傳統的加熱爐生產過程中，工人只能通過觀察加熱鋼坯的顏色來判斷鋼坯溫度，并決定鋼坯是否能夠出爐。這對操作人員的經驗、技術要求很高，并且不同操作人員的判斷偏差較大，也很難預估鋼坯出爐時間。加熱爐智能燃燒控制系統由于有鋼坯加熱數學模型，通過熱電偶測溫，能夠計算鋼坯當前溫度和升溫速度，因此具有準確預估鋼坯加熱到目標出爐溫度的加熱時間的能力。同時根據這個能力，也能夠衍生出下述多個擴增功能。

（1）出爐允許。對比當前鋼溫和目標出爐溫度，判斷爐頭鋼坯是否達到出爐溫度條件，決定是否允許其出爐。（2）自動調整爐溫熱軋線待軋即將結束時，加熱爐恢復爐溫，智能燃燒控制系統的數學模型可以根據當前爐溫水平和鋼坯升溫的速度，預算恢復出鋼的時間。同時系統可對比加熱爐恢復出鋼時間和軋機所需的恢復開軋時間，自動調整爐溫水平，使加熱爐的出鋼時間能夠匹配軋機開軋時間。（3）待溫時間預測。有時由于軋線生產節奏過快或煤氣壓力過低等原因，加熱爐生產能力小于軋機生產能力時，鋼坯溫度無法滿足出鋼要求，需要加熱爐暫停出鋼，進行待溫操作。這時，本系統即可根據均熱段鋼坯的溫度水平和升溫速度預測加熱爐暫停出鋼的時間長短，見圖3。

圖3 待軋模型原理

3.3 加熱溫度自調節

加熱爐智能燃燒控制系統可通過數據積累和分析出爐鋼坯的實測溫度變化趨勢，自動調整爐溫設定值，形成閉環控制（見圖4），使實際出爐鋼溫能夠控制在設定溫度允許范圍內。

圖4 溫度自調節原理

3.4 混合加熱

生產中不能一直生產一個規格和鋼種，根據生產計劃的需要，把不同鋼種、不同規格、冷熱不同鋼坯進行混合加熱。智能控制系統就會根據不同鋼坯，參照不同的加熱制度，決定鋼坯如何裝爐、如何確定前后位置，根據數據中心、數字模型的數據對均熱段、加熱段、預熱段進行綜合調節，保證鋼坯加熱均勻，達到質量要求，順利軋制，不影響生產。

3.5 過熱預警

傳動加熱時，靠近蜂窩箱體的兩端位置，溫度較高，比中間位置高，造成兩端鋼坯彎曲，鋼坯加熱不均勻。在特殊情況下，例如鋼坯在爐時間過長，或加熱溫度過高，鋼坯將出現軟化變形現象，特別是容易出現在頭尾兩端，此時容易造成出鋼故障。智能燃燒系統可根據鋼坯加熱數學模型計算的頭部、中部、尾部鋼溫水平、鋼坯在當前溫度下彎曲強度等數據，對過熱鋼坯的變形程度進行預警，同時降低爐溫設定水平，并提醒操作人員注意爐溫水平，適當降溫。

4 項目投產后效益分析

（1）加熱爐智能燃燒系統采用計算機全自動控制，燃燒時其為按燃氣流量而非閥位進行控制，這樣就大大降低了蓄熱式換向燃燒時，左右兩側由于煤氣壓力波動造成流量變化，引起兩側溫度不均，使鋼坯頭尾溫度不一的問題，明顯優于手動加熱的控制質量，鋼坯軋制溫度控制在10 ℃內的達到72.2%，20 ℃內的達到98.9%。

（2）智能燃燒控制系統能夠根據生產節奏、鋼種、規格等變化自動及時調整各段加熱溫度，同時也能很好地適應燃氣壓力波動對生產的影響，其能源消耗水平普遍較低，一般較手動控制能夠節能10%～15%，具有很好的節能效果。智能燃燒前后消耗煤氣對比見表1。

表1 智能燃燒前后消耗煤氣對比 m3/t鋼

（3）加熱爐采用智能燃燒，燒爐溫度平穩控制，煤氣管網壓力波動由（8±1.5）kPa 減少到（8±1）kPa，避免人為等不良影響的干擾，可延長加熱爐的使用壽命。

（4）提高軋鋼加熱爐自動化操作水平，操作人員數量由3人降至2人，勞動強度也相應降低。

（5）系統改造后，加熱爐內高爐煤氣得到充分燃燒，氣體排放測量顆粒物平均8.5 mg/m3，達到《鋼鐵工業大氣污染物排放標準》中≤10 mg/m3的要求。

5 結語

加熱爐智能燃燒系統投入運行后，智能控制燃燒不需要人工干預，鋼坯軋制溫度控制在±10 ℃內的達到72.2%，±20 ℃內的達到98.9%，±30 ℃內的達到100%，煤氣節能效率約10%～15%。同時降低加熱爐操作人員勞動強度及數量，降低氣體排放，保護了環境。