軋線燃耗動態分析模型的研究與應用

劉春燕，楊 州，周亮文，孟維芬 ，許 亮

（1萊鋼能源環保部，2萊鋼電子公司，3萊鋼型鋼廠，山東萊蕪 271104）

引言

軋材生產線中煤氣消耗占總生產成本的40%～65%，軋材燃耗的高低直接影響市場競爭力，在鋼鐵市場激烈競爭的大環境下，如何分析出降低燃耗的主要因素和調控方向，深挖內潛降低鋼材的生產運行成本迫在眉睫。

1 軋鋼加熱爐燃耗高且原因分析滯后

2015年1～12月，萊鋼大H型鋼、中寬帶、寬厚板、620熱帶、特鋼老區軋線等軋鋼加熱爐煤氣消耗變化較大，且影響成本較多，其中大H型鋼、中寬帶兩條軋線2015年影響成本高達3400多萬元。2015年大H型鋼、中寬帶生產線能源成本比例見圖1。

圖1 大H型鋼、中寬帶生產線能源成本比例示意

目前，國內外鋼鐵行業對軋材生產線加熱爐燃耗的日常分析，主要是針對加熱爐本體運行進行分析,或者是做階段性熱平衡，影響加熱爐燃耗的因素有很多：生產負荷率、鋼坯熱送熱裝率、助燃空氣預熱溫度、排煙溫度、空燃比、出鋼溫度變化等，但諸多影響因素變化到底影響燃耗多少，常規的分析費時費力，準確性、時效性差，不能有效反應影響燃耗的真實問題。因此對加熱爐相關聯的運行數據集成并對燃耗影響機理研究,形成一種模塊化軋線熱量在線分析模型是非常必要的。根據軋線燃耗影響比重、現場檢測設備以及數據傳輸等情況，大H型鋼生產線計量檢測基礎條件相對較好，因此，首先在大H型鋼生產線進行了試點研發。

2 主要研究內容

為突破軋線燃耗升高的迷茫與困擾，萊鋼特設立了軋線燃耗在線分析研發項目，該項目首先運用“問題樹”精益管理方法，分別對加熱爐燃耗相關的關聯因子進行識別分析；充分利用大數據傳輸、信息集成系統，按照熱流向分布及熱平衡原理，從生產組織、設備管理和熱工操作等三大方面，對軋鋼加熱爐生產系統的關聯因子，進行系統性、流程性、動態性的測算分析研究，主要研究內容如下：

2.1 分析關聯因子及研究測算模型

2.1.1 生產組織方面

（1）分析確定關聯因子

梳理分析從煉鋼連鑄坯到軋材入庫生產過程，對與大H型鋼加熱爐燃耗有關的熱因素進行識別、篩查，確定了連鑄坯產量、熱送坯量、加熱爐入爐坯量、熱裝坯量、熱裝溫度、軋制完工量、合格入庫量等主要關聯因子。

（2）研究生產組織相關測算模型

根據生產負荷率及變化，結合對應各時段的鋼坯有效熱情況，研究測算分析出生產負荷率影響燃耗情況以及與燃耗的變化趨勢關系，生產負荷率與燃耗的關系示意見圖2。

圖2 生產負荷率與燃耗的關系示意

研究鋼坯熱裝率、熱裝溫度對燃耗的貢獻及量化影響趨勢。根據不同熱裝溫度下的鋼坯熱焓和不同熱裝率編制了熱裝坯帶入熱量和熱裝變化影響燃耗的測算方法。

2.1.2 設備管理方面

（1）分析確定關聯因子

分別對大H型鋼加熱爐有關設備熱流向運行方面的關聯因子進行識別、篩查，確定了汽化冷卻系統的蒸汽量、蒸汽壓力、冷卻水、空氣預熱系統的空氣量、空氣溫度、爐體散熱系統的爐頂、爐墻溫度等主要關聯因子。

（2）研究設備管理相關測算模型

根據蒸汽量、溫度等分別測算出了汽化冷卻蒸汽和冷卻水帶走的熱量和影響變化。

根據空氣預熱溫度、預熱溫度要求、空氣量變化，測算分析出空氣預熱溫度、空氣量對加熱爐燃耗的貢獻以及量化影響趨勢，同時測算出空氣換熱器熱效率。

根據加熱爐體各區域的面積、溫度、溫度要求，測算出了爐頂、爐墻等爐體散熱系統帶出的熱量及溫度變化對燃耗的影響。

2.1.3 熱工操作方面

（1）分析確定關聯因子

分別對與加熱爐燃耗在熱工運行操作方面有關因素進行識別、篩查，確定了加熱爐出鋼溫度、煙氣體積量、排煙溫度、煙氣中殘氧量、空氣量、煤氣量、混合煤氣混前高、焦、轉爐煤氣量、煤氣熱值等主要關聯因子。

（2）研究熱工操作相關測算模型

測算出加熱爐在不同出鋼溫度情況下的鋼坯帶出熱量、加熱鋼坯的有效熱以及出鋼溫度變化對燃耗的影響。對入爐空氣量、煤氣量、煤氣熱值、殘氧量、排煙溫度等參數，從正、反兩方面研究測算出了程序化各種狀態下的空燃比、空氣過剩系數、煙氣量、經濟空燃比以及對燃耗的量化影響趨勢。

分別測算出了各種情況下的出爐煙氣量及帶出的熱量，以及排煙帶走的熱量。煙氣帶出熱考慮了煙氣殘氧儀測試正常與不正常兩種情況。通過對各種煙氣量測算及熱量測算情況，分析測算出了鋼坯氧化燒損放熱、帶出熱以及對燃耗的影響變化。

2.2 對關聯大數據信息化集成并建立模塊化在線分析平臺

2.2.1 搭建軋鋼加熱爐熱量分析系統平臺

根據加熱爐熱量分析測算模型，搭建軋鋼加熱爐能源管理軟硬件平臺，平臺基于Microsoft Visual Studio編程軟件建立客戶端系統，數據庫兼容Oracle及SQL Server主流管理軟件，實現基于應用層、邏輯層、數據層三層架構的軟件產品。在此基礎上將軟件系統劃分為后臺數據處理層、中間業務邏輯處理層、前臺業務邏輯處理層和表現層，保證數據采集、數據處理、數據表現之間的完美鏈接。

2.2.2 關聯因子支撐系統接口

根據功能設計，加熱爐能源管理模塊與能源網、MES、PLC、ERP、加熱爐二級等多套系統或設備進行數據通訊接口，自動獲取數據，減少人工整理、輸入的誤差，提高支撐數據的正確性，為燃耗分析的正確性提供有力保障。

2.2.3 實現程序模塊的數據集成及在線分析功能

（1）建立了能源信號模塊，實現加熱爐能耗分析關聯因子的數據集成、分類配置、查詢功能。

（2）建立了實績信息管理模塊，實現了生產組織、設備管理、熱工操作等實績信息的采集與模型計算功能，并形成班報報表。

（3）建立加熱爐在線分析模塊，分別實現了按照班（8 h）為每一個測算區間入爐坯燃耗主要影響因素等分析模型。

（4）建立了加熱爐動態運行優控模塊，動態反饋優化調整空燃比、爐壓等參數達到經濟運行區間。

3 主要研究成果及應用情況

該研發項目充分利用大數據傳輸、信息集成系統，按照熱流向分布及熱平衡原理，從生產組織、設備管理和熱工操作等三大方面，對軋鋼加熱爐生產系統的關聯因子，進行系統性、流程性、動態性的測算分析研究，形成了一種動態分析軋線燃耗影響機理的模塊化應用工具。研發主要技術成果及效益效果如下：

3.1 主要創新技術成果

3.1.1 研究實現了動態量化軋線燃耗的主要影響因素和影響比例

（1）實現了加熱爐燃耗主要影響因素的動態量化分析，按班次為周期，以數據格式、餅狀圖示意對各主要影響因素進行量化并明析各因素影響比例，便于更好的把握改善重點。入爐坯燃耗主要影響因素及影響比例詳見圖3、圖4。

圖3 入爐坯燃耗主要影響因素

圖4 入爐坯燃耗主要影響比例

（2）實現加熱爐燃耗能耗橋分析功能

實現了加熱爐燃耗各影響因素能耗橋量化，直觀明了的顯示出與理想燃耗的差距，明確改善方向。加熱爐燃耗分析能耗橋詳見圖5。

圖5 加熱爐燃耗分析能耗橋

3.1.2 實現加熱爐運行動態優化監控

實時動態管控（每分鐘刷新一次），根據入爐空氣、煤氣量、煤氣配比以及煙氣殘氧等實時數據，以及與理想數據的對比監控，動態分析加熱爐在線運行控制的合理性，反饋優化調整空燃比等數據，可在線降低煤氣消耗。大H型鋼加熱爐動態運行情況詳見圖6。

圖6 大H型鋼加熱爐動態運行情況

3.1.3 軋線燃耗影響機理動態分析模型

軋線燃耗影響機理動態分析模型是一種動態分析軋線燃耗影響機理的模塊化應用工具，該分析模型在大H型鋼生產線得到成功試點開發，為降低該生產線的煤氣消耗和實現智能制造工廠發揮了重要技術支撐，下一步可在萊鋼或其它鋼鐵廠軋鋼生產線進行推廣應用。

3.2 研發項目對癥施措，實時效果顯著

創建的軋線燃耗動態分析模型的研發項目，在萊鋼大H型鋼生產線上線運行，明確了降低燃耗的改善方向，實現了軋鋼加熱爐熱流向系統的程序化、流程化的在線分析和精益管控，對應實施了一系列優化改善措施，取得顯著效果。

3.2.1 主要實施優化措施

（1）優化軋鋼與加熱爐生產的匹配對應，提高了生產作業率（提高率為9%），優化煉鋼、加熱爐生產運行組織，提高鋼坯熱裝率（熱裝率由60%提高到70%以上），減少鋼坯熱損失，從而降低煤氣消耗。

（2）將加熱爐入爐側裝鋼溫度測點進行了改造，創新實施了入爐鋼坯稱重與入爐溫度測量的捆綁上傳，目前入爐的每一只鋼坯均實現測溫識別上傳，為實時掌握和提高鋼坯熱裝率提供了有力的技術支撐。

（3）為穩定煤氣熱值，實施了混合煤氣并網改造，轉爐煤氣由并混合煤氣支管改為并混合煤氣總管，對于大H型鋼、中寬帶生產線，混合煤氣熱值趨于穩定。

（4）編制混合煤氣熱值在線運控程序，為動態掌握型鋼混合煤氣熱值的實際運行及控制，組織編制了混合煤氣熱值在線運控程序，從技術上實現了混合煤氣熱值在線，為煤氣動態平衡調配和加熱爐的經濟燒爐提供了技術支撐。

（5）完善了加熱爐煙氣殘氧分析，實現了加熱爐運行動態優化監控，可在線降低煤氣消耗。

（6）修復了出爐煙氣測溫算裝置，即有效保障了空氣換熱器的運控安全，又為監控加熱爐、空氣換熱器熱效率發揮重要作用。

（7）針對空氣預熱溫度低問題，一方面合理控制空燃比，減少富余空氣帶入量，另一方面借加熱爐改造機會對熱風管道進行了保溫包扎，空氣預熱溫度由400℃提高到430℃以上。

3.2.2 加熱爐燃耗降低顯著

通過創建該研發項目以來，大H型鋼加熱爐燃耗降低明顯，燃耗降低明顯，由 2016年的1.89GJ/t，2017年降為1.539 GJ/t材，2017年降低燃耗運行成本達1286萬元。

4 小結

通過對軋線燃耗動態分析模型的研究，開發的軋鋼加熱爐燃耗運行大數據信息集成系統，實現了加熱爐經濟運行的有效監控；開發的動態量化軋鋼加熱爐燃耗主要影響因素，實現了快速、準確量化影響燃耗的主要因素和影響比例，明確了改善方向和改善重點；開發的加熱爐動態運行優化監控，可動態反饋優化調整空燃比、爐壓等參數達到經濟運行區間，可在線降低煤氣消耗；創新開發形成的“軋線燃耗影響機理動態分析模型”，實現了軋鋼加熱爐運行大數據集成與熱工原理的有機結合，為降低軋線燃耗和實現智能制造工廠發揮了重要技術支撐，具有較好的應用前景和推廣價值。