寬厚板熱處理爐的脈沖燃燒控制改進(jìn)

李 陽(yáng) 張欣萌

（中國(guó)冶金科工集團(tuán)公司南方〈武漢〉自動(dòng)化有限公司，中國(guó)武漢430223）

0 引言

我國(guó)的熱處理自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用始于20 世紀(jì)50 年代初期。 經(jīng)過(guò)30 年的改革開(kāi)放，我國(guó)的工業(yè)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但發(fā)展的制約瓶頸日益顯現(xiàn)，主要體現(xiàn)在粗放的發(fā)展模式和能源及原材料供給不足的矛盾。 我國(guó)能源的緊張與短缺已成定局，嚴(yán)重影響了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，節(jié)能是中國(guó)能源戰(zhàn)略和政策的核心。

1 用于熱處理爐的燃燒控制方法

目前國(guó)內(nèi)的工業(yè)爐無(wú)論是蓄熱式換向燃燒或連續(xù)常規(guī)燃燒控制，多為比例調(diào)節(jié)形式，即通過(guò)控制燃料、助燃空氣流量的大小使?fàn)t內(nèi)的溫度、燃燒氣氛達(dá)到工藝要求。 由于這種控制方式往往受燃料流量的調(diào)節(jié)范圍和測(cè)量等環(huán)節(jié)制約， 故目前大多數(shù)工業(yè)爐的控制效果不佳，主要表現(xiàn)為能耗偏高。

隨著工業(yè)爐的不斷改進(jìn)，脈沖式燃燒控制技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到一定程度的應(yīng)用，取得了良好效果。 脈沖燃燒在這方面比傳統(tǒng)比例燃燒具有很大優(yōu)勢(shì)，其恒定的空／燃比使燃燒效率保持穩(wěn)定和最優(yōu)狀態(tài)，燃?xì)夂涂諝饬髁靠赏ㄟ^(guò)壓力調(diào)整預(yù)先設(shè)定，燒嘴一旦工作，就處于滿負(fù)荷狀態(tài)，保證燒嘴燃燒時(shí)的燃?xì)獬隹谒俣炔蛔儭．?dāng)燒嘴在滿負(fù)荷工作時(shí)，燃?xì)饬魉佟⒒鹧嫘螤睢嵝示蛇_(dá)到最佳狀態(tài)，爐內(nèi)不會(huì)有過(guò)剩的空氣和燃?xì)猓行У亟档土巳剂舷模瑴p少了氮氧化物的排放。

對(duì)于采用脈沖燃燒的熱處理爐加熱控制，方法是采用對(duì)爐膛溫度的控制去間接控制燒鋼，以產(chǎn)生工藝特性合格的鋼坯。 其爐膛溫度由熱電偶測(cè)得， 在控制方法上采用經(jīng)典的PI 或PID 調(diào)節(jié)以恒定各段工藝溫度設(shè)定值，PID 調(diào)節(jié)的輸出值作為脈沖控制序列的輸入值， 最終通過(guò)脈沖控制確定燒嘴的開(kāi)關(guān)時(shí)間和序列順序。

2 現(xiàn)存的控制方法的不足

寬厚板熱處理爐由加熱區(qū)域和均熱區(qū)域組成，每個(gè)區(qū)域又可分為若干個(gè)溫控段，出爐側(cè)位于均熱區(qū)，溫度設(shè)定為鋼坯出爐的目標(biāo)溫度；裝爐側(cè)為加熱區(qū)，設(shè)定溫度由加熱工藝決定。

爐內(nèi)沒(méi)有裝鋼的情況下，PID 溫度控制很容易把各溫控段溫度調(diào)節(jié)到設(shè)定溫度，但是一旦進(jìn)鋼，由于剛進(jìn)入加熱區(qū)域的冷鋼坯溫度很低，與爐內(nèi)溫度相差過(guò)大，寬厚板的體積又很大，因此會(huì)導(dǎo)致熱電偶測(cè)得的溫度大幅度下降，此時(shí)的PID 溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)會(huì)由于實(shí)際溫度比設(shè)定溫度低太多而全力供熱調(diào)溫。此時(shí)生產(chǎn)有兩種情況：一種，是生產(chǎn)節(jié)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(kāi)，溫度具有大時(shí)滯性，即使PID 控制器的輸出很小，溫度也會(huì)急劇上升。這種短時(shí)間溫度波動(dòng)會(huì)給PID 溫度調(diào)節(jié)帶來(lái)困難， 產(chǎn)生較大的超調(diào)量。而熱處理爐的保溫性能很好，接下來(lái)即使不繼續(xù)加熱也很難降溫。因而等下塊鋼坯進(jìn)入此區(qū)的時(shí)候，已經(jīng)是在遠(yuǎn)高于工藝設(shè)定溫度開(kāi)始加熱了，造成了很大的能源浪費(fèi)；另一種情況，是生產(chǎn)節(jié)奏較快，鋼與鋼之間距離較小，這樣的連續(xù)進(jìn)冷鋼坯會(huì)導(dǎo)致此區(qū)溫度一直遠(yuǎn)低于設(shè)定溫度， 為了使熱電偶測(cè)得的溫度和設(shè)定溫度一樣，PID 溫控系統(tǒng)會(huì)全力供熱。 由于電偶測(cè)溫和設(shè)定溫度的巨大差距，這種情況下的供熱已經(jīng)沒(méi)有了良好的精度，無(wú)論鋼坯的寬厚，都幾乎會(huì)同樣持續(xù)全力供熱，每塊鋼坯沒(méi)有吸收的多余熱量或被爐膛吸收或被爐氣帶走，浪費(fèi)了能源。

3 用于寬厚板熱處理上的脈沖燃燒改進(jìn)

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

其中一部分不變， 在鋼坯與爐溫的溫差相對(duì)穩(wěn)定的均熱段采取PID 脈沖控制。 而另一部分，即在加熱段進(jìn)行控制區(qū)分：一是，在此區(qū)域的某一溫控段沒(méi)有鋼的時(shí)候，用PID 調(diào)節(jié)進(jìn)行控制，以保證下一塊鋼到來(lái)時(shí)此溫控段的工藝溫度精確。二是，當(dāng)有鋼坯進(jìn)入此區(qū)域時(shí)（可由爐內(nèi)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(chǔ)上再加上此區(qū)域鋼坯所要額外吸收熱的功率。以保持此鋼坯走過(guò)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(jìn)入該溫控段后系統(tǒng)仍維持原供熱，則當(dāng)鋼坯走過(guò)后，此溫控段溫度會(huì)由于被鋼坯帶走一部分而下降（圖1（a）所示）；而用PID 調(diào)節(jié)進(jìn)行溫控，由上面的分析可知，大幅度的溫度變化又都進(jìn)行幾乎同樣的大幅度輸出調(diào)整，使系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確的溫度控制，而導(dǎo)致大的超調(diào)（如圖1（b）所示），使供熱過(guò)多，爐溫升高，浪費(fèi)能源；改進(jìn)后控制會(huì)在維持原爐溫的基礎(chǔ)上，額外把鋼坯的吸收的熱進(jìn)行補(bǔ)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(jìn)行溫控，恒定此溫控段溫度。

圖1

其中各段能量供給規(guī)則可以通過(guò)下面方法得出：

每個(gè)鋼種由工藝制定各溫控區(qū)經(jīng)驗(yàn)工藝溫度。 調(diào)試階段，在某一鋼種進(jìn)入溫控段時(shí)進(jìn)行控溫，以使該鋼坯通過(guò)此溫控段后，此段溫度基本恒定，此時(shí)記錄試驗(yàn)鋼坯的規(guī)格和速度。 設(shè)該鋼坯長(zhǎng)、寬、高為a1,b1,c1 該溫控段長(zhǎng)為L(zhǎng)1，鋼坯速度為V1，通過(guò)時(shí)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(shí)間單位長(zhǎng)度所需供熱約為P=Q1V1/a1b1c1L1t1，即該鋼種的所需標(biāo)準(zhǔn)單位額定功率，然后把此溫控段的此鋼種單位額定功率、設(shè)定溫度，鋼種等信息都記錄到模糊控制的規(guī)則中，并在工程調(diào)試階段以此方法去完善模糊控制的規(guī)格表格，按此規(guī)則表格定義的輸出功率進(jìn)行模糊脈沖溫度控制。 試生產(chǎn)過(guò)程中用高溫輻射計(jì)測(cè)得的出鋼溫度去不斷修正各加熱段的單位額定功率和設(shè)定溫度，使模糊控制規(guī)格表具有自學(xué)習(xí)校正的功能。 如設(shè)出鋼目標(biāo)溫度為T(mén)，實(shí)測(cè)近三塊鋼的出鋼溫度分別為T(mén)1，T2,T3，某加熱區(qū)溫控段經(jīng)驗(yàn)工藝設(shè)定溫度為T(mén)E，單位額定功率為P,則鋼坯的較目標(biāo)溫度的溫差為ΔT＝k1(T-T1)+ k2(T-T2) + k3(T-T3),其中系數(shù)k 為0～1 之間的常數(shù)，值與鋼坯出爐的順序與可信度有關(guān)，且k1+k2+k3＝1, 規(guī)則修正為T(mén)E′＝TE+αΔT，P′＝βTE′P/TE，其中α、β 為固定常數(shù)，可在調(diào)試時(shí)給出。

4 結(jié)論

經(jīng)測(cè)試， 這種脈沖控制方法相比較傳統(tǒng)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(jìn)行加熱段的控制， 所以精度更好，超調(diào)可控制在10 度以內(nèi)，因此可使節(jié)能大于1%。用出鋼溫度去自校正模糊規(guī)則，可在很短的生產(chǎn)周期使制定的規(guī)則更為合理，解決了出爐鋼坯達(dá)不到目標(biāo)溫度的問(wèn)題。

［1］張斌全,編著.燃燒理論基礎(chǔ)[M].航空航天大學(xué)出版社,1990.

［2］周偉國(guó),秦朝蔡.燃?xì)饷}沖燃燒技術(shù)[M].同濟(jì)大學(xué)出版社,1998.