加熱爐空燃比優(yōu)化及溫度控制研究

霍秋忍

（河鋼集團(tuán)邯鋼冷軋廠，河北 邯鄲 056015）

加熱爐是冶金生產(chǎn)的基礎(chǔ)性設(shè)備，主要用于對(duì)鋼坯的升溫加熱，以改變其力學(xué)性能，便于鋼坯的軋制。同時(shí)，鋼坯加熱也是冶金生產(chǎn)中能源消耗的主要環(huán)節(jié)，僅冶金加熱爐的能源消耗即可占到鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)總能耗的1/4左右。在當(dāng)前節(jié)能減排，高質(zhì)量生產(chǎn)的要求下，如何在保證鋼坯加熱質(zhì)量的同時(shí)降低能耗成為了鋼鐵企業(yè)技術(shù)公關(guān)的重點(diǎn)，這就需要對(duì)加熱爐的燃燒特性進(jìn)行分析，以達(dá)到最為優(yōu)化的空燃比。在一定爐溫制度下，空燃比的合理優(yōu)化設(shè)定不僅可以提高燃燒效率和加熱品質(zhì)，減少煙氣排散的熱損耗；而且還能調(diào)節(jié)爐內(nèi)氣氛的含氧量，減少鋼坯氧化燒損的問(wèn)題。鋼鐵冶煉中，軋鋼加熱爐燃料為高爐煤氣與焦?fàn)t煤氣的混合氣，其熱值變化受多種因素影響，往往難以確定，而這也對(duì)空燃比的合理設(shè)置帶來(lái)了困擾。本文利用經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)，對(duì)加熱爐空燃比的優(yōu)化確定和爐溫控制進(jìn)行了探討。

1 燃料熱值對(duì)加熱爐的影響

目前我國(guó)大型綜合性鋼鐵企業(yè)的軋鋼加熱爐普遍采用高爐煤氣或是高焦混合煤氣做為燃料，其組成成分比較復(fù)雜，主要成分包括氫氣、一氧化碳、甲烷以及少量的氮?dú)?、二氧化碳和氧氣等?；旌蠚庵懈黝悮怏w物質(zhì)的組分很不穩(wěn)定，易受各種因素的影響而發(fā)生變化，由此也導(dǎo)致了其燃燒熱值的波動(dòng)變化。通常高爐煤氣熱值波動(dòng)范圍為（600～800）×4.18kJ/m3，混合煤氣熱值波動(dòng)范圍在（1800～3200）×4.18kJ/m3。煤氣熱值的波動(dòng)給空燃比控制帶來(lái)了很大影響，繼而也導(dǎo)致了爐溫的波動(dòng)。燃料熱值對(duì)加熱爐的影響主要包括以下幾點(diǎn)。

1.1 影響加熱爐生產(chǎn)率

根據(jù)軋鋼加熱爐生產(chǎn)工藝要求，加熱爐需要的理論燃燒溫度應(yīng)達(dá)到1800℃以上，為達(dá)到這一溫度則要對(duì)燃料熱值、預(yù)熱溫度等進(jìn)行綜合考慮，并合理設(shè)定一定條件下的空氣系統(tǒng)，以使其達(dá)到較為理想的空燃比。如果空燃比偏高，雖然燃料燃燒較充分，但煙氣帶走的熱量損失較多，單位燃燒高；空燃比偏小則燃料燃燒不足，繼而導(dǎo)致爐溫偏低，加熱能力不足，冷坯加熱升溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，嚴(yán)重影響到加熱爐的生產(chǎn)率。

1.2 影響單位燃耗

空燃比不合理不僅影響加熱爐生產(chǎn)率，還會(huì)造成加熱爐單位燃耗的增加。當(dāng)空氣系數(shù)過(guò)高，空燃比偏大時(shí)，廢氣量也會(huì)隨之增大，致使廢氣熱損過(guò)多；如果空氣系數(shù)較低，空燃比較小，易造成燃料燃燒的不充分，未燃料的燃料則會(huì)隨廢氣排出，既導(dǎo)致了燃料的白白浪費(fèi)，同時(shí)也會(huì)對(duì)大氣環(huán)境造成較大的污染。

1.3 影響鋼坯質(zhì)量

在鋼坯加熱環(huán)節(jié)，導(dǎo)致鋼坯高溫氧化的因素主要包括:加熱爐溫、加熱時(shí)間和爐內(nèi)氣氛。在溫度和時(shí)間一定的情況下，如果空燃比波動(dòng)較大，則必然會(huì)導(dǎo)致爐內(nèi)氣氛的不穩(wěn)定，則有可能會(huì)造成鋼坯的燒損氧化，嚴(yán)重影響鋼坯質(zhì)量和后續(xù)的軋制生產(chǎn)。鋼坯氧化燒損是鋼坯表面鐵元素與爐膛內(nèi)各類氣體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，由于鋼坯內(nèi)層鐵的濃度大而氧的濃度小，生產(chǎn)鐵的低價(jià)氧化物，如氧化亞鐵等；鋼坯外部氧含量高而鐵濃度小，因而生成鐵的高價(jià)氧化物，如四氧化三鐵。鋼坯的燒損使其外部形成大量的氧化鐵皮夾雜物，使鋼坯表面質(zhì)量受到很大影響，帶來(lái)很多質(zhì)量缺陷。

2 加熱爐空燃比的優(yōu)化

加熱爐是一個(gè)典型的復(fù)雜工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)，具有多變量、非線性的特點(diǎn)，而加熱爐空燃比的優(yōu)化則是更為復(fù)雜的被控對(duì)象，煤氣壓力、成分、熱值等因素的變化都會(huì)對(duì)空燃比造成很大的影響，因此對(duì)于加熱爐空燃比的優(yōu)化極值來(lái)說(shuō)，無(wú)論是建模還是控制都比較困難?？杖急葍?yōu)化控制的目的在于盡可能提高加熱爐熱效率，降低燃料消耗和廢氣排放，怎樣在各種變量因素動(dòng)態(tài)變化的情況下，建立一個(gè)科學(xué)合理的空燃比尋優(yōu)控制模型成為解決問(wèn)題的關(guān)鍵。目前我國(guó)不少鋼鐵企業(yè)采用的是煙氣含氧量反饋尋優(yōu)法，即根據(jù)混合煤氣的熱值以及廢氣的含氧量，采用模糊控制方法建立相應(yīng)的反饋模型。

2.1 熱值前饋模型

熱值前饋模型主要是針對(duì)燃料成分及熱值變化，而對(duì)空燃比理論值進(jìn)行的調(diào)整。假設(shè)焦?fàn)t煤氣占混合煤氣的比例為b（0≤b≤1），高爐煤氣占高爐煤氣與轉(zhuǎn)爐煤氣總和之比為a（0≤a＜1），那么高爐煤氣占混合煤氣的比例就是(1-b)a，轉(zhuǎn)爐煤氣占混合煤氣的比例就是(1-b)(1-a)，那么混合煤氣的低熱值可由式(1)表示:

式中，Qdz為轉(zhuǎn)爐煤氣的低熱值KJ/m3；Qdg為高爐煤氣的低熱值KJ/m3；Qd為混合煤氣的低熱值KJ/m3；Qdj為焦?fàn)t煤氣的低熱值KJ/m3。

根據(jù)式中a、b從0～1變化時(shí)混合煤氣的低熱值與其配比的關(guān)系，可知引起Qd變化的主要因素是b，a對(duì)理論空氣需要量L0的影響相對(duì)更小。計(jì)算時(shí)可以給a一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值，即a=52.2/(52.2+13.0)=0.8。利用式（1），再根據(jù)實(shí)測(cè)的混合煤氣的低熱值就可求得b值。這樣就得到了計(jì)算混合煤氣成分的式子，如式

式中Xs是混合煤氣中某成分的濕含量%；Xzs是轉(zhuǎn)爐煤氣中某成分的濕含量%；Xjs是焦?fàn)t煤氣中某成分的濕含量%；Xgs是高爐煤氣中某成分的濕含量%。

2.2 理論空燃比的計(jì)算

在確定混合煤氣組分后，可套用公式（3）計(jì)算出理論空氣的需求量:

混合煤氣充分燃燒時(shí)，空氣過(guò)剩系數(shù)通常在1.02～1.1范圍，此時(shí)加熱爐的熱效率最高，熱量散失最少。

3 機(jī)于空燃比的加熱爐溫度控制

空燃比對(duì)于加熱爐溫度有直接的影響，在加熱時(shí)間和燃料熱值一定的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)空燃比即可實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱爐溫度的控制。由于變量因素的不確定性和參數(shù)調(diào)節(jié)的延遲，前饋模型中建立的空燃比有時(shí)不能保證氧含量在合理的范圍內(nèi)。對(duì)此，可采用加熱爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)影響空燃比的相關(guān)參數(shù)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱爐溫度的控制。

3.1 空燃比調(diào)節(jié)量的確定

可根據(jù)空燃比優(yōu)化極值的計(jì)算公式，在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中通過(guò)分析空燃比，繼而建立起相關(guān)的加熱爐空燃比模糊控制器。根據(jù)加熱爐實(shí)際運(yùn)行情況，建立系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則，確定模糊變量的隸屬度，將氧含量偏差D和它的變化率DD做為輸入變量，空燃比調(diào)節(jié)量LN做為輸出變量。

模糊控制模型建立后，通過(guò)廢氣分析和氧傳感器對(duì)廢氣中氣體組成的分析，并其采集數(shù)值輸入模糊控制系統(tǒng)，即可以根據(jù)廢煤氣中的氧含量確定加熱爐的空燃比的最優(yōu)值和空燃比總調(diào)節(jié)量。

3.2 加熱爐空燃比控制措施

對(duì)于加熱爐空燃比的控制，主要包括溫度燃料空氣流量串級(jí)調(diào)節(jié)，引風(fēng)量調(diào)節(jié)等。將煤氣流量做為主流量和副參數(shù)，空氣流量做為副流量加以控制，組成以加熱爐溫度為主參數(shù)，煤氣流量為副參數(shù)的串級(jí)控制系統(tǒng)。通過(guò)氧傳感器對(duì)廢氣中氧含量值的反饋，使系統(tǒng)按照設(shè)定的空燃比最優(yōu)值調(diào)節(jié)煤氣和空氣的流量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制和燃料的高效利用。