寬厚板熱處理爐的脈沖燃燒控制改進

李 陽 張欣萌

（中國冶金科工集團公司南方〈武漢〉自動化有限公司，中國武漢430223）

0 引言

我國的熱處理自動化技術的發展與應用始于20 世紀50 年代初期。 經過30 年的改革開放，我國的工業得到突飛猛進的發展，但發展的制約瓶頸日益顯現，主要體現在粗放的發展模式和能源及原材料供給不足的矛盾。 我國能源的緊張與短缺已成定局，嚴重影響了經濟的發展，節能是中國能源戰略和政策的核心。

1 用于熱處理爐的燃燒控制方法

目前國內的工業爐無論是蓄熱式換向燃燒或連續常規燃燒控制，多為比例調節形式，即通過控制燃料、助燃空氣流量的大小使爐內的溫度、燃燒氣氛達到工藝要求。 由于這種控制方式往往受燃料流量的調節范圍和測量等環節制約， 故目前大多數工業爐的控制效果不佳，主要表現為能耗偏高。

隨著工業爐的不斷改進，脈沖式燃燒控制技術在國內外得到一定程度的應用，取得了良好效果。 脈沖燃燒在這方面比傳統比例燃燒具有很大優勢，其恒定的空／燃比使燃燒效率保持穩定和最優狀態，燃氣和空氣流量可通過壓力調整預先設定，燒嘴一旦工作，就處于滿負荷狀態，保證燒嘴燃燒時的燃氣出口速度不變。當燒嘴在滿負荷工作時，燃氣流速、火焰形狀、熱效率均可達到最佳狀態，爐內不會有過剩的空氣和燃氣，有效地降低了燃料消耗，減少了氮氧化物的排放。

對于采用脈沖燃燒的熱處理爐加熱控制，方法是采用對爐膛溫度的控制去間接控制燒鋼，以產生工藝特性合格的鋼坯。 其爐膛溫度由熱電偶測得， 在控制方法上采用經典的PI 或PID 調節以恒定各段工藝溫度設定值，PID 調節的輸出值作為脈沖控制序列的輸入值， 最終通過脈沖控制確定燒嘴的開關時間和序列順序。

2 現存的控制方法的不足

寬厚板熱處理爐由加熱區域和均熱區域組成，每個區域又可分為若干個溫控段，出爐側位于均熱區，溫度設定為鋼坯出爐的目標溫度；裝爐側為加熱區，設定溫度由加熱工藝決定。

爐內沒有裝鋼的情況下，PID 溫度控制很容易把各溫控段溫度調節到設定溫度，但是一旦進鋼，由于剛進入加熱區域的冷鋼坯溫度很低，與爐內溫度相差過大，寬厚板的體積又很大，因此會導致熱電偶測得的溫度大幅度下降，此時的PID 溫度調節系統會由于實際溫度比設定溫度低太多而全力供熱調溫。此時生產有兩種情況：一種，是生產節奏較慢，鋼與鋼之間的距離較大，這種情況下，一旦前面的鋼坯離開，溫度具有大時滯性，即使PID 控制器的輸出很小，溫度也會急劇上升。這種短時間溫度波動會給PID 溫度調節帶來困難， 產生較大的超調量。而熱處理爐的保溫性能很好，接下來即使不繼續加熱也很難降溫。因而等下塊鋼坯進入此區的時候，已經是在遠高于工藝設定溫度開始加熱了，造成了很大的能源浪費；另一種情況，是生產節奏較快，鋼與鋼之間距離較小，這樣的連續進冷鋼坯會導致此區溫度一直遠低于設定溫度， 為了使熱電偶測得的溫度和設定溫度一樣，PID 溫控系統會全力供熱。 由于電偶測溫和設定溫度的巨大差距，這種情況下的供熱已經沒有了良好的精度，無論鋼坯的寬厚，都幾乎會同樣持續全力供熱，每塊鋼坯沒有吸收的多余熱量或被爐膛吸收或被爐氣帶走，浪費了能源。

3 用于寬厚板熱處理上的脈沖燃燒改進

把脈沖控制方法進行改進，溫度的控制不是全部采取PID 脈沖控制，而是再進行劃分。

其中一部分不變， 在鋼坯與爐溫的溫差相對穩定的均熱段采取PID 脈沖控制。 而另一部分，即在加熱段進行控制區分：一是，在此區域的某一溫控段沒有鋼的時候，用PID 調節進行控制，以保證下一塊鋼到來時此溫控段的工藝溫度精確。二是，當有鋼坯進入此區域時（可由爐內物料跟蹤得知），切出PID 控制，引入熱能的模糊控制，即在原PID 控溫保持爐溫的功率輸出基礎上再加上此區域鋼坯所要額外吸收熱的功率。以保持此鋼坯走過該溫控段，熱量供給平衡，該溫控段溫度基本不變。如下圖所示，在加熱段，如果鋼坯進入該溫控段后系統仍維持原供熱，則當鋼坯走過后，此溫控段溫度會由于被鋼坯帶走一部分而下降（圖1（a）所示）；而用PID 調節進行溫控，由上面的分析可知，大幅度的溫度變化又都進行幾乎同樣的大幅度輸出調整，使系統無法進行準確的溫度控制，而導致大的超調（如圖1（b）所示），使供熱過多，爐溫升高，浪費能源；改進后控制會在維持原爐溫的基礎上，額外把鋼坯的吸收的熱進行補充，按鋼坯的吸熱去供熱，以抵消鋼坯帶走的溫度降低（圖1（c）所示）。 鋼坯走后，再切換到PID 脈沖進行溫控，恒定此溫控段溫度。

圖1

其中各段能量供給規則可以通過下面方法得出：

每個鋼種由工藝制定各溫控區經驗工藝溫度。 調試階段，在某一鋼種進入溫控段時進行控溫，以使該鋼坯通過此溫控段后，此段溫度基本恒定，此時記錄試驗鋼坯的規格和速度。 設該鋼坯長、寬、高為a1,b1,c1 該溫控段長為L1，鋼坯速度為V1，通過時間為t1,其間燒嘴供熱為Q1，易知此種鋼坯在該溫控段單位時間單位長度所需供熱約為P=Q1V1/a1b1c1L1t1，即該鋼種的所需標準單位額定功率，然后把此溫控段的此鋼種單位額定功率、設定溫度，鋼種等信息都記錄到模糊控制的規則中，并在工程調試階段以此方法去完善模糊控制的規格表格，按此規則表格定義的輸出功率進行模糊脈沖溫度控制。 試生產過程中用高溫輻射計測得的出鋼溫度去不斷修正各加熱段的單位額定功率和設定溫度，使模糊控制規格表具有自學習校正的功能。 如設出鋼目標溫度為T，實測近三塊鋼的出鋼溫度分別為T1，T2,T3，某加熱區溫控段經驗工藝設定溫度為TE，單位額定功率為P,則鋼坯的較目標溫度的溫差為ΔT＝k1(T-T1)+ k2(T-T2) + k3(T-T3),其中系數k 為0～1 之間的常數，值與鋼坯出爐的順序與可信度有關，且k1+k2+k3＝1, 規則修正為TE′＝TE+αΔT，P′＝βTE′P/TE，其中α、β 為固定常數，可在調試時給出。

4 結論

經測試， 這種脈沖控制方法相比較傳統的PID 脈沖控制方法，由于按鋼坯的體積和鋼種特性的吸熱進行加熱段的控制， 所以精度更好，超調可控制在10 度以內，因此可使節能大于1%。用出鋼溫度去自校正模糊規則，可在很短的生產周期使制定的規則更為合理，解決了出爐鋼坯達不到目標溫度的問題。

［1］張斌全,編著.燃燒理論基礎[M].航空航天大學出版社,1990.

［2］周偉國,秦朝蔡.燃氣脈沖燃燒技術[M].同濟大學出版社,1998.