轧钢加热炉智能烧钢技术的研究与应用

裴永红，卜 刚，顾厚淳

（马鞍山钢铁股份有限公司能源环保部，安徽马鞍山 243000）

引言

轧钢加热炉的煤气消耗占轧钢工序能耗80%左右，降低加热炉煤气消耗是钢铁企业节能降耗的重要环节。加热炉的加热质量，即钢坯长度和横截面方向的温度均匀性以及加热后的出炉温差控制等，会对轧制产品质量产生重要影响［1］。国内钢铁企业轧钢工序普遍存在煤气热值波动大、生产节奏无规则变化、轧制规格及钢种多样化等实际情况，需要采取不同的加热制度去应对，由于加热炉监测系统不够完善、自动化程度不高，加热过程的空燃比、炉温和出钢温度等调节控制主要还是依靠岗位操作人员来完成，不仅劳动强度大，同时由于操作人员的技能水平、工作经验和责任意识存在差异，必然会导致加热炉燃烧效率低、氧化烧损严重、产品质量不稳定等一系列问题［2］。

1 基本情况

马钢大H 型钢加热炉是端进端出、单排布料的步进梁式加热炉，设上预热、下预热、上加热、下加热、北侧上均热、南侧上均热、北侧下均热、南侧下均热8 个加热段。年产量100 万t，加热钢种主要有Q235B、Q345B、SM490 等，使用高焦混合煤气，吨钢煤气成本约64元（混合煤气按企业内部结算价），平均成材率为96.5%。加热炉的炉温、出钢温度及其均匀性通过人工调整各段煤气量来进行控制。燃烧控制系统基本情况及存在问题。

（1）只有一级系统，无二级系统，炉内各加热段的温度均由人工控制，不能根据钢坯规格、品种和生产节奏变化进行及时有效的炉内温度调整。

（2）根据轧制反馈温度进行出炉温度调控，时间明显滞后，出炉温度的调控难以满足轧制工艺的需要。

（3）加热段、均热段均无残氧仪，加热炉内的实际燃烧气氛得不到如实反映，操作人员在进行空燃比调整时缺少基本信息和依据。

（4）系统无煤气热值仪，人为设置空燃比。由于混合煤气的热值波动客观存在，空燃比的设置无法做到与煤气热值变化相匹配，不仅造成大量煤气浪费，同时也增加了氧化烧损。

（5）岗位人员操作经验和习惯有区别，同等生产条件下的煤气消耗、出炉温度等存在明显差异。

2 技术方案

2.1 总体思路

对一级系统进行全面优化完善，设计并增设二级系统。通过热值仪、残氧仪监测系统，适时调整空燃比，实现节能降耗。制定不同钢种、轧制规格的出炉目标温度，根据不同目标温度在不同加热段进行热负荷分配，并根据在炉时间、炉温情况和在炉位置等进行实时温度计算，根据轧制节奏预测剩余在炉时间，根据钢坯在炉内的位置计算每一段所需的炉温，并将所需炉温下达指令给一级，从而确保钢坯出炉的目标温度，实现智能烧钢。

2.2 控制目标

加热炉智能烧钢技术的控制目标：一是满足钢坯加热过程的工艺要求；二是最大程度地降低钢坯加热成本。工艺要求包含三部分内容：1）保证钢坯出炉温度，通过监视钢坯温度变化过程，控制出炉钢坯温度达到工艺要求；2）在钢坯升温过程中要充分考虑钢坯均温时间，确保出炉钢坯温度的均匀性；3）预防“钢坯过烧”，通过控制钢坯升温过程，避免钢坯局部温度过高而导致表面脱碳严重。钢坯加热成本主要由两部分组成：煤气消耗和氧化烧损。降低钢坯加热成本，关键就是降低煤气消耗、减少氧化烧损。［3］

2.3 指标设定

燃烧控制系统投入率达95%以上。钢坯出炉温度与目标温度控制在±15 ℃以内，温度均匀性满足工艺要求。降低吨钢煤气消耗≥5%。减少氧化烧损≥0.2%。

2.4 功能设计

（1）钢坯加热过程位置跟踪。包含钢坯信息初始化、钢坯入炉事件处理、钢坯炉内位置和移动速度跟踪、钢坯出炉事件处理等。

（2）钢坯加热过程温度跟踪。在温度场模型的支持下，进行钢坯温度场初始化、钢坯温度变化跟踪、钢坯出炉温度监测、温度场精度在线修正等。

（3）钢坯温度场数学模型建立。针对钢坯的横截面特征，使用多矩形分割法对钢坯横截面进行预处理，再应用ADI 分数步长法计算钢坯横截面上各点温度。

（4）基于加热制度的目标升温曲线设计。通过钢坯的三维温度场模型，将已有的基于炉温约束和加热时间约束的加热制度转化为钢坯的目标升温曲线。

（5）建立钢坯加热过程工作状态评价系统。对各个可控炉段的钢坯加热任务完成情况进行评价，并将结果用于各炉段温度调整。

（6）炉温调整策略。摒弃传统的最佳炉温设定/实现的控制方法，采取基于工作状态的炉温调整创新思路，即根据炉段当前工作状态评价结果，确定炉温的调整方向（升温或降温）和调整强度，使控制周期内炉温调整更具有必要性和可操作性。炉温自动调节的核心任务是在评价系统的支持下，模拟仿真人工操作，通过不断完善规则，使系统做到最优。

（7）基于炉段工作状态的炉温优化控制模型建立。根据坯料的不同钢种、规格、加热炉内坯料分布情况以及加热状况来优化计算加热炉各燃烧控制段的温度设定值，使加热炉获得最佳燃烧状态。针对入炉坯料存在冷热坯混装情况，采取坯料加热权重规则动态调整炉温设定值。在进行炉温设定计算时，首先确定每根坯料的必要炉温，同时结合加热权重规则，确定每根坯料的加热权重，从而对各炉段内的所有坯料必要炉温进行加权平均处理。加热权重规则考虑的主要因素有：钢种、目标温度、目标规格、炉段内位置等。

（8）其它功能。待炉炉温控制，炉气气氛控制，加热过程信息查询，钢坯加热规则和模型参数管理等。

3 改造实施

3.1 主要内容

（1）对各支管上的煤气调节阀进行改进，完善阀位反馈功能，实现状态实时远程监控。在各加热段、均热段增设在线烟气监测仪，增加煤气成分分析型热值仪，根据监测信号实时调节炉内燃烧气氛，并采取煤气热值对加热炉温度的前馈控制，避免煤气热值波动对炉温造成影响。

（2）对一级系统进行全面升级，完善顺控及燃控程序，新增模拟量采集模块若干。采用双交叉限幅控制方法，引入煤气热值信号和烟气残氧量信号，确保热负荷变化时的合理空燃比，同时，加入相关补偿信号，提高系统响应速度，更好地实现炉温控制。采取闭环控制，保证炉膛压力和排烟温度在合适范围。采取单回路闭环控制，确保煤气压力的稳定，等等。

（3）新建二级系统，增加二级服务器及操作终端，数据通讯、炉内坯料跟踪、炉温优化控制模型、炉况工况智能感知、分析评估和优化决策等功能实施。根据钢坯的钢种、规格、轧制节奏和生产计划等计算出目标炉温，一级系统克服煤气压力和热值波动的影响，自动调整煤气量，实现目标炉温，根据煤气成分变化实时调整空燃比，实现最佳燃烧效果。

3.2 系统构架

智能烧钢系统与三级MES 系统对接，接收生产计划后即计算当前炉温数据，通过以太网发送至一级PLC，PLC 将控制指令再发送给现场执行单元。网架结构见图1，系统结构见图2。

图1 网架结构图

图2 系统结构图

4 效益分析

2020 年6 月，对大H 型钢加热炉实施智能烧钢技术在线改造，2020 年8 月改造完成并投入运行。经一年多时间生产检验，系统运行稳定可靠，炉温控制、煤气消耗、残氧量控制、系统投入率、产品成材率等均达到了既定的目标。

4.1 经济技术指标对比

根据生产实际统计数据，2018年1月至2020年5 月，改造前大H 型钢加热炉的吨钢煤气成本为64.07 元，氧化烧损为1.70%，成材率为96.50%。改造后数据统计，见表1。

表1 吨钢煤气成本、氧化烧损、成材率

4.2 效益计算

改造后，煤气成本平均减少6.81 元/t 钢，氧化烧损平均降低0.26%，减少氧化烧损效益为8.45 元/t钢，合计效益为15.26 元/t 钢，大H 加热炉年产量按100万t计算，年直接经济效益1 500余万元。

5 结束语

通过对大H 型钢加热炉燃烧控制系统全面优化和升级改造，研究并应用智能烧钢技术，实现基于加热工艺制度的钢坯加热过程全自动控制，不仅取得了显著经济效益，同时提高了产品质量，减少了二氧化碳排放，大幅度降低了岗位人员劳动强度，取得节能降耗、绿色低碳、智慧制造等综合成效。