軋鋼加熱爐智能燒鋼技術(shù)的研究與應用

裴永紅，卜 剛，顧厚淳

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司能源環(huán)保部，安徽馬鞍山 243000）

引言

軋鋼加熱爐的煤氣消耗占軋鋼工序能耗80%左右，降低加熱爐煤氣消耗是鋼鐵企業(yè)節(jié)能降耗的重要環(huán)節(jié)。加熱爐的加熱質(zhì)量，即鋼坯長度和橫截面方向的溫度均勻性以及加熱后的出爐溫差控制等，會對軋制產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生重要影響［1］。國內(nèi)鋼鐵企業(yè)軋鋼工序普遍存在煤氣熱值波動大、生產(chǎn)節(jié)奏無規(guī)則變化、軋制規(guī)格及鋼種多樣化等實際情況，需要采取不同的加熱制度去應對，由于加熱爐監(jiān)測系統(tǒng)不夠完善、自動化程度不高，加熱過程的空燃比、爐溫和出鋼溫度等調(diào)節(jié)控制主要還是依靠崗位操作人員來完成，不僅勞動強度大，同時由于操作人員的技能水平、工作經(jīng)驗和責任意識存在差異，必然會導致加熱爐燃燒效率低、氧化燒損嚴重、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等一系列問題［2］。

1 基本情況

馬鋼大H 型鋼加熱爐是端進端出、單排布料的步進梁式加熱爐，設上預熱、下預熱、上加熱、下加熱、北側(cè)上均熱、南側(cè)上均熱、北側(cè)下均熱、南側(cè)下均熱8 個加熱段。年產(chǎn)量100 萬t，加熱鋼種主要有Q235B、Q345B、SM490 等，使用高焦混合煤氣，噸鋼煤氣成本約64元（混合煤氣按企業(yè)內(nèi)部結(jié)算價），平均成材率為96.5%。加熱爐的爐溫、出鋼溫度及其均勻性通過人工調(diào)整各段煤氣量來進行控制。燃燒控制系統(tǒng)基本情況及存在問題。

（1）只有一級系統(tǒng)，無二級系統(tǒng)，爐內(nèi)各加熱段的溫度均由人工控制，不能根據(jù)鋼坯規(guī)格、品種和生產(chǎn)節(jié)奏變化進行及時有效的爐內(nèi)溫度調(diào)整。

（2）根據(jù)軋制反饋溫度進行出爐溫度調(diào)控，時間明顯滯后，出爐溫度的調(diào)控難以滿足軋制工藝的需要。

（3）加熱段、均熱段均無殘氧儀，加熱爐內(nèi)的實際燃燒氣氛得不到如實反映，操作人員在進行空燃比調(diào)整時缺少基本信息和依據(jù)。

（4）系統(tǒng)無煤氣熱值儀，人為設置空燃比。由于混合煤氣的熱值波動客觀存在，空燃比的設置無法做到與煤氣熱值變化相匹配，不僅造成大量煤氣浪費，同時也增加了氧化燒損。

（5）崗位人員操作經(jīng)驗和習慣有區(qū)別，同等生產(chǎn)條件下的煤氣消耗、出爐溫度等存在明顯差異。

2 技術(shù)方案

2.1 總體思路

對一級系統(tǒng)進行全面優(yōu)化完善，設計并增設二級系統(tǒng)。通過熱值儀、殘氧儀監(jiān)測系統(tǒng)，適時調(diào)整空燃比，實現(xiàn)節(jié)能降耗。制定不同鋼種、軋制規(guī)格的出爐目標溫度，根據(jù)不同目標溫度在不同加熱段進行熱負荷分配，并根據(jù)在爐時間、爐溫情況和在爐位置等進行實時溫度計算，根據(jù)軋制節(jié)奏預測剩余在爐時間，根據(jù)鋼坯在爐內(nèi)的位置計算每一段所需的爐溫，并將所需爐溫下達指令給一級，從而確保鋼坯出爐的目標溫度，實現(xiàn)智能燒鋼。

2.2 控制目標

加熱爐智能燒鋼技術(shù)的控制目標：一是滿足鋼坯加熱過程的工藝要求；二是最大程度地降低鋼坯加熱成本。工藝要求包含三部分內(nèi)容：1）保證鋼坯出爐溫度，通過監(jiān)視鋼坯溫度變化過程，控制出爐鋼坯溫度達到工藝要求；2）在鋼坯升溫過程中要充分考慮鋼坯均溫時間，確保出爐鋼坯溫度的均勻性；3）預防“鋼坯過燒”，通過控制鋼坯升溫過程，避免鋼坯局部溫度過高而導致表面脫碳嚴重。鋼坯加熱成本主要由兩部分組成：煤氣消耗和氧化燒損。降低鋼坯加熱成本，關(guān)鍵就是降低煤氣消耗、減少氧化燒損。［3］

2.3 指標設定

燃燒控制系統(tǒng)投入率達95%以上。鋼坯出爐溫度與目標溫度控制在±15 ℃以內(nèi)，溫度均勻性滿足工藝要求。降低噸鋼煤氣消耗≥5%。減少氧化燒損≥0.2%。

2.4 功能設計

（1）鋼坯加熱過程位置跟蹤。包含鋼坯信息初始化、鋼坯入爐事件處理、鋼坯爐內(nèi)位置和移動速度跟蹤、鋼坯出爐事件處理等。

（2）鋼坯加熱過程溫度跟蹤。在溫度場模型的支持下，進行鋼坯溫度場初始化、鋼坯溫度變化跟蹤、鋼坯出爐溫度監(jiān)測、溫度場精度在線修正等。

（3）鋼坯溫度場數(shù)學模型建立。針對鋼坯的橫截面特征，使用多矩形分割法對鋼坯橫截面進行預處理，再應用ADI 分數(shù)步長法計算鋼坯橫截面上各點溫度。

（4）基于加熱制度的目標升溫曲線設計。通過鋼坯的三維溫度場模型，將已有的基于爐溫約束和加熱時間約束的加熱制度轉(zhuǎn)化為鋼坯的目標升溫曲線。

（5）建立鋼坯加熱過程工作狀態(tài)評價系統(tǒng)。對各個可控爐段的鋼坯加熱任務完成情況進行評價，并將結(jié)果用于各爐段溫度調(diào)整。

（6）爐溫調(diào)整策略。摒棄傳統(tǒng)的最佳爐溫設定/實現(xiàn)的控制方法，采取基于工作狀態(tài)的爐溫調(diào)整創(chuàng)新思路，即根據(jù)爐段當前工作狀態(tài)評價結(jié)果，確定爐溫的調(diào)整方向（升溫或降溫）和調(diào)整強度，使控制周期內(nèi)爐溫調(diào)整更具有必要性和可操作性。爐溫自動調(diào)節(jié)的核心任務是在評價系統(tǒng)的支持下，模擬仿真人工操作，通過不斷完善規(guī)則，使系統(tǒng)做到最優(yōu)。

（7）基于爐段工作狀態(tài)的爐溫優(yōu)化控制模型建立。根據(jù)坯料的不同鋼種、規(guī)格、加熱爐內(nèi)坯料分布情況以及加熱狀況來優(yōu)化計算加熱爐各燃燒控制段的溫度設定值，使加熱爐獲得最佳燃燒狀態(tài)。針對入爐坯料存在冷熱坯混裝情況，采取坯料加熱權(quán)重規(guī)則動態(tài)調(diào)整爐溫設定值。在進行爐溫設定計算時，首先確定每根坯料的必要爐溫，同時結(jié)合加熱權(quán)重規(guī)則，確定每根坯料的加熱權(quán)重，從而對各爐段內(nèi)的所有坯料必要爐溫進行加權(quán)平均處理。加熱權(quán)重規(guī)則考慮的主要因素有：鋼種、目標溫度、目標規(guī)格、爐段內(nèi)位置等。

（8）其它功能。待爐爐溫控制，爐氣氣氛控制，加熱過程信息查詢，鋼坯加熱規(guī)則和模型參數(shù)管理等。

3 改造實施

3.1 主要內(nèi)容

（1）對各支管上的煤氣調(diào)節(jié)閥進行改進，完善閥位反饋功能，實現(xiàn)狀態(tài)實時遠程監(jiān)控。在各加熱段、均熱段增設在線煙氣監(jiān)測儀，增加煤氣成分分析型熱值儀，根據(jù)監(jiān)測信號實時調(diào)節(jié)爐內(nèi)燃燒氣氛，并采取煤氣熱值對加熱爐溫度的前饋控制，避免煤氣熱值波動對爐溫造成影響。

（2）對一級系統(tǒng)進行全面升級，完善順控及燃控程序，新增模擬量采集模塊若干。采用雙交叉限幅控制方法，引入煤氣熱值信號和煙氣殘氧量信號，確保熱負荷變化時的合理空燃比，同時，加入相關(guān)補償信號，提高系統(tǒng)響應速度，更好地實現(xiàn)爐溫控制。采取閉環(huán)控制，保證爐膛壓力和排煙溫度在合適范圍。采取單回路閉環(huán)控制，確保煤氣壓力的穩(wěn)定，等等。

（3）新建二級系統(tǒng)，增加二級服務器及操作終端，數(shù)據(jù)通訊、爐內(nèi)坯料跟蹤、爐溫優(yōu)化控制模型、爐況工況智能感知、分析評估和優(yōu)化決策等功能實施。根據(jù)鋼坯的鋼種、規(guī)格、軋制節(jié)奏和生產(chǎn)計劃等計算出目標爐溫，一級系統(tǒng)克服煤氣壓力和熱值波動的影響，自動調(diào)整煤氣量，實現(xiàn)目標爐溫，根據(jù)煤氣成分變化實時調(diào)整空燃比，實現(xiàn)最佳燃燒效果。

3.2 系統(tǒng)構(gòu)架

智能燒鋼系統(tǒng)與三級MES 系統(tǒng)對接，接收生產(chǎn)計劃后即計算當前爐溫數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)發(fā)送至一級PLC，PLC 將控制指令再發(fā)送給現(xiàn)場執(zhí)行單元。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)見圖1，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 效益分析

2020 年6 月，對大H 型鋼加熱爐實施智能燒鋼技術(shù)在線改造，2020 年8 月改造完成并投入運行。經(jīng)一年多時間生產(chǎn)檢驗，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，爐溫控制、煤氣消耗、殘氧量控制、系統(tǒng)投入率、產(chǎn)品成材率等均達到了既定的目標。

4.1 經(jīng)濟技術(shù)指標對比

根據(jù)生產(chǎn)實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2018年1月至2020年5 月，改造前大H 型鋼加熱爐的噸鋼煤氣成本為64.07 元，氧化燒損為1.70%，成材率為96.50%。改造后數(shù)據(jù)統(tǒng)計，見表1。

表1 噸鋼煤氣成本、氧化燒損、成材率

4.2 效益計算

改造后，煤氣成本平均減少6.81 元/t 鋼，氧化燒損平均降低0.26%，減少氧化燒損效益為8.45 元/t鋼，合計效益為15.26 元/t 鋼，大H 加熱爐年產(chǎn)量按100萬t計算，年直接經(jīng)濟效益1 500余萬元。

5 結(jié)束語

通過對大H 型鋼加熱爐燃燒控制系統(tǒng)全面優(yōu)化和升級改造，研究并應用智能燒鋼技術(shù)，實現(xiàn)基于加熱工藝制度的鋼坯加熱過程全自動控制，不僅取得了顯著經(jīng)濟效益，同時提高了產(chǎn)品質(zhì)量，減少了二氧化碳排放，大幅度降低了崗位人員勞動強度，取得節(jié)能降耗、綠色低碳、智慧制造等綜合成效。