步進式加熱爐溫度控制系統的設計與應用

劉大勇，魏 鋒

南京鋼鐵聯合有限公司中厚板卷廠，江蘇 南京 210035

目前，鋼鐵已被廣泛應用于機械、航空航天、國防等各個領域，它是每個國家國民經濟的基礎原料，在國民經濟發展中占有相當重要的地位。另外，隨著世界能源的日益消耗，人們對節能的日益關注，而加熱爐的耗能占鋼鐵工業耗能的近1/4，是鋼鐵產業的耗能大戶[1]。自70年代以來，各個鋼鐵企業為了節省能耗，都不斷致力于加熱爐的節能控制的研究，以便在保證鋼鐵質量的同時，降低能耗，提高加熱爐的效率。傳統的加熱爐都是采用PID系統根據爐溫偏差及煤氣、空氣實際流量來控制，但是由于煤氣熱值突然改變時，爐溫變化比較慢，再加上步進式加熱爐非線性、、大慣性、強耦合、大滯后等特點，采用PID控制方式效果就會較差。因此為了使加熱爐燃燒過程普遍存在的溫度控制精度差、鋼坯溫度波動嚴重、能耗高等問題得到有效解決，我們需要針對步進式加熱爐設計新的溫度控制系統，以提高能源的利用率。

1 步進式加熱爐的結構

目前國內鋼鐵企業大多采用步進式加熱爐，它的主要作用是通過結構上獨立的上下運動和前后運動的移動粱和固定粱的反復上升、前進、下降的過程將鋼坯一塊一塊加熱后托出放置在爐子出料側的輥道上，然后用輥道送往軋機進行軋制。步進式加熱爐自裝料端至出料端可以分為預熱、加熱和均熱三段。為了提高爐內的傳熱效果，在加熱段和均熱段之間設有壓下爐頂，在加熱段、均熱段的側面爐墻的下部還有燒嘴，這樣可以實現全部輻射。坯料進入到加熱爐后，首先要經過預熱段進行緩慢的升溫，然后再進入加熱段進行加熱使鋼坯的平均溫度達到軋制溫度，最后進入到均熱段進行均熱，使鋼坯內外溫度趨于一致。加熱段是三段中最重要的一段，因為加熱的程度直接決定爐口能否正常出鋼和鋼坯是否能被燒透[2]。為了使得均熱段和加熱段能迅速提溫，在這兩段中要根據實際生產情況配有足夠的供熱量。對步進式加熱爐來說，最關鍵的是要嚴格控制好爐子的加熱制度，把鋼坯出爐時刻表面及斷面溫差控制在要求的范圍內，保證熱耗低、鋼鐵燒損少、爐體壽命長和加熱質量好。加熱爐的熱工制度主要包括：溫度制度和燃料燃燒制度等。另外，在加熱段我們需要控制升溫速度，這樣可以避免溫差過大，使鋼坯產生熱應力。

2 傳統控制方法及存在的問題

步進式加熱爐是用來對鋼坯進行再加熱的生產設備，它能夠加熱各種形狀的鋼坯，而且生產能力大，不會產生拱料、粘連，適合不同產量的鋼材加熱生產，但是隨著計算機控制技術的普及，軋鋼技術對加熱設備的諸如加熱溫度的均勻性等要求也越來越高，各個大型企業都不斷改進加熱爐的工藝和設備。國際上對加熱爐的優化控制開始于70年代，目前的步進式加熱器的諸如自動化水平和燃料節能方面的許多問題還沒有得到很好的解決。

1）傳統的控制一般采用計算機集散控制系統將復雜的體統分解問單變量系統，這樣就很難用一個集中的參數模型來精確描述。從而這使得過程機理反應過于復雜，加熱過程的滯后，生產工藝指標不能直接控制和鋼坯的表面溫度不能直接測量等問題[3]；

2）傳統溫度控制主要是依靠操作人員的經驗，沒有溫度閉環控制，這就使得可能因為操作人員的的疏忽不能準確地測量爐內鋼坯的溫度，更無法對爐內溫度做出適當的調整，造成控制精確度的下降，使得鋼坯無法達到要求的生產目標；

3）目前，在步進式加熱器中主要采用多元回歸和利用分布參數理論建立了數學模型的方法對鋼坯在爐內的升溫過程進行計算，但是這兩種方法準確性都不高，計算工作量也比較大，不能連續全面地測量爐內鋼坯的溫度分布，這就在一定程度上降低了模型的準確性，因此必須研究一種合適有效的方法對爐內溫度進行計算，提高剛坯的加熱質量[4]。

3 步進式加熱爐溫度控制系統的設計

3.1 熱爐爐溫數據預處理

數據是進行建模工作的基礎，當我們測量的設備和條件有限，在取得的一組數據中不可避免的會有一些不合格的數據，這些數據可能使得整體的優化效果下降，我們必須采取合適的手段將有用的數據提煉出來，這時就需要對數據進行預處理，剔除加熱爐爐溫測量中的有錯誤的數據，并對數據進行歸一化處理。

3.2 基于閥門開度的模糊專家控制

目前設計的模糊專家智能控制技術能夠運用模糊邏輯以及人類專家的知識對爐溫進行實時、準確的控制，它主要由包括基本控制器、專家控制的數據庫和自學習機構構成。這個系統能夠通過獲得的數據對控制系統的性能進行實時的檢測，從而對控制對象實行有效的控制[5]。

3.3 溫度自動控制系統的實現

這個系統主要由c語言編寫具有完成溫度的設定計算功能的一個二級系統和intouch編寫的監視軟件構成，它可以實現對歷史數據的保存和預測溫度的顯示，利用數學模型對步進梁的步進時間和加熱需要的溫度進行設定，而且它還有預警的功能，這都能夠使鋼坯取得良好的加熱效果[6]。

4 結論

本文針對步進式加熱爐燃燒控制過程中出現的一些問題提出一些新的控制方法，但是隨著世界鋼鐵企業之問的競爭日益激烈，鋼鐵行業對加熱爐的控制要求必將越來越高，我們必須針對出現的問題采用更先進的控制技術對鋼坯實際出爐溫度和斷面溫差實施控制，在保證鋼坯出爐溫度和溫差合適的同時，使其能耗最小。

[1]宋明剛，樊尚春.一種高精度溫度控制的復合方法及其應用[J].北京航空航天大學學報，2001，27(5)：560-564.

[2]Kazuo aka，Tsuyoshi Hori.An Integrated A190mhm of Fuzzy Modeling and Contr01kr Design for Nonlinear Systems.Imemational Conference on Fuzzy Systems，2008，2：887-892.

[3]王繼烈，范功友.軋鋼加熱爐計算機控制的現狀與發展趨勢，山東冶金，2005，17(2)：11-13.

[4]張東波，朱建林，黃輝先.用于加熱爐的專家模糊溫度控制器.機電工程，2002，19(1)：50-56.

[5]王中杰.步進式加熱爐優化設定控制方法的研究[D].沈陽：東北大學自動化研究中心，2000.

[6]楊波，葛蘆生.蓄熱式加熱爐的神經網絡燃燒控制.安徽工業大學學報，2002，19(1)：50-57.