高速線材生產線加熱爐出鋼節奏優化設計

郭小威

（天津天鋼集團有限公司高速線材廠，天津 300301）

1 引言

天鋼高速線材生產線是結合天鋼東移工程，于2008年開始建設的一條具有當今國際先進水平的現代化高速連軋生產線。在工藝上采用了蓄熱式步進梁式加熱爐，全線30 架軋機無扭微張力控制，摩根減定徑機組進行精密軋制，斯太爾摩風冷線與P&F 冷卻運輸線進行輸送。全線控制系統采用德國西門子公司的S7 系列400 型控制系統。這些先進技術裝備的采用，確保了天鋼高速線材廠能夠生產出具有優良內在品質的精品線材產品。

在生產過程中，根據生產需要，在軋制由天鋼集團煉鋼廠生產的短坯料時，為保證步進梁的均勻承重及鋼坯的加熱效率及效果，加熱爐對短坯料采取前后交錯定位的方式，造成了前后兩顆鋼在連續軋制過程中出鋼節奏的不同，降低了軋機的利用率及產量。針對這種情況，本文提出了對加熱爐出鋼工藝進行改進，增加鋼坯定位出爐功能，使所有鋼坯出鋼節奏同步，提高了出鋼效率及軋機利用率，從而提高了高速線材生產線的產量。

2 加熱爐設備功能介紹

2.1 加熱爐設備介紹

天鋼高速線材生產線采用的蓄熱式步進梁式加熱爐具有先進高效的加熱及輸送功能，能夠對爐內鋼坯進行精確定位跟蹤，對爐內溫度和爐壓進行快速響應控制。加熱爐采用兩套西門子S7 系列400 型PLC 控制系統，分別控制儀表系統與電氣系統。儀表系統負責加熱爐溫度與壓力等過程控制，包括燃燒系統、汽包水冷系統等。電氣系統負責加熱爐坯料輸送控制，包括輥道、步進梁、液壓站等。兩套系統通過工業以太網進行通訊，由交換機連接到加熱爐儀表室操作員站，進行控制操作。

2.2 加熱爐進出鋼技術參數

坯料規格：150 mm×150 mm×12 500 mm，160 mm×160 mm×12 000 mm，Ф150 mm×16 000 mm；

鋼坯入爐溫度：室溫；

鋼坯出爐溫度：980～1 050℃；

裝出料方式：爐內懸臂輥道側進側出；

加熱爐主要尺寸：爐子內寬長度為16 700 mm，爐子砌磚寬度為17 700 mm，裝、出料輥道中心線距離為24 180 mm，爐子砌磚長度為25 628 mm。

2.3 加熱爐區域鋼坯運動過程

鋼坯經裝料臺架及裝料輥道稱重、測長后，進入加熱爐進料側，由爐外裝料輥道送入爐內，當鋼坯尾部離開設在爐前輥道旁的光電檢測器后，輥道減速并按爐外測長數據經脈沖發生器計數延時停止，按布料圖在裝料懸臂輥上準確定位，并通過控制系統進行坯料位置跟蹤。通過步進梁的運動將輥道上的坯料送到固定梁的起始位置，然后坯料經過加熱爐的加熱段和均熱段，完成鋼坯的加熱過程，并一步步地移送到加熱爐的出料端，在加熱爐接到主控臺發出的出鋼信號后，步進梁將鋼坯放到出料懸臂輥上，此時出料爐門已開啟，鋼坯經爐內出料懸臂輥向爐外出料輥道送出，進入軋線進行軋制。

3 問題的提出與改進

3.1 連續軋制過程中加熱爐動作步驟介紹

在連續軋制過程中，加熱爐為自動裝出鋼方式，加熱爐定時控制模式，出鋼節奏由操作員根據軋制節奏設定出鋼間隔時間，鋼坯自動輸送到軋機。

（1）選擇加熱爐控制或軋機控制，選擇自動裝出鋼，選擇加熱爐定時控制方式。

（2）檢查裝鋼條件和出鋼條件是否具備。

（3）確定坯料是方鋼還是圓鋼。

（4）加熱爐控制，確認可以出鋼，按下操作面板上“裝料啟動”按鈕。

（5）裝料爐門自動打開，爐門上升指示燈閃爍，上升到位時，上升指示燈亮。畫面顯示“裝料允許”，裝料輥道和爐外輥道正轉，鋼坯開始進入爐內。

（6）當鋼坯尾部離開爐前輥道旁的光電檢測器位置時，自動定位開始，畫面顯示“裝料輥道有鋼”。

（7）裝料輥道自動停止，鋼坯定位完成，爐門開始下降。畫面顯示鋼坯跟蹤信息。

（8）推鋼機開始推鋼，“推鋼”指示燈閃爍。推鋼機推到前位，“推鋼”指示燈亮。方鋼，推鋼機開始返回。圓鋼，推鋼機不返回。

（9）步進梁開始自動正循環。

（10）步進梁上升到位時，步進梁開始前進，出料輥道停止自動低速正轉。

（11）步進梁前進到位時，步進梁開始下降；圓鋼，推鋼機開始返回；裝料輥道開始自動低速前進；出料爐門開始打開并開到位；裝料輥道開始自動低速前進。

（12）步進梁下降到位后，步進梁開始后退，出料輥道開始快速前進出鋼。

（13）鋼坯繼續前進，熱金屬檢測器開始檢測到紅鋼，畫面中熱金屬檢測器顯示紅色。步進梁后退到位。

（14）鋼坯繼續前進，尾部離開熱金屬檢測器后，出料爐門開始下降，出料跟蹤信息清除。

（15）出料爐門下降到位，出料輥道開始自動低速正轉。本次自動裝出鋼過程結束。

3.2 問題的提出

為保證步進梁的均勻承重及鋼坯的加熱效果，因此設計工藝為短坯料鋼坯前后交錯定位放置的方式進行加熱，如圖1 所示。

圖1 操作員站上位機畫面

此工藝在軋制15 m 及16 m 連鑄坯時，軋制節奏緊湊，但由于生產過程中在軋制由天鋼集團煉鋼廠生產的長度為12 m 及10.5 m 連鑄坯時，在每個進出鋼周期中由于鋼坯采取前后交錯定位的方式，以及工藝上更換鋼種時空步需要情況，使得在第7步時進鋼完成定位所花費的時間不同，同時由于在第12 步時鋼坯前后位置不同，造成前后兩顆鋼完成出鋼時間的不同。

因此造成了加熱爐定時控制自動裝出鋼模式下，由于鋼坯前后位置不同造成鋼坯出爐的時間不同，進而影響軋制節奏。出鋼相差時間為進鋼定位相差時間與出鋼完成相差時間之和。

在軋制12 m 坯料時，由于前后兩顆鋼的交錯定位，每顆鋼所浪費時間約為1 s，軋制10.5 m 坯料時約為1.5 s。

3.3 優化改進

針對上述問題，我們在程序中增加每顆坯料的出爐延時時間，并相應調整定時控制時間，保證出鋼節奏達到同步。延時時間根據如下公式計算：

式中：T 為出爐延時時間，m/s；L 為加熱爐內寬距離，mm；L1為進鋼坯料定位坐標，mm；L2為出鋼坯料定位坐標，mm；L1為入爐爐內輥道速度，m/s；V2為出爐爐內輥道速度，m/s。

延時時間＝（加熱爐內寬距離－進鋼坯料定位坐標）/入爐爐內輥道速度＋（加熱爐內寬距離－出鋼坯料定位坐標）/出爐爐內輥道速度

延時后使得前后交錯的兩顆鋼在每個出鋼周期經過相同的時間從爐內送出輥道，達到出鋼節奏同步，再根據實際情況調整裝出鋼周期時間，就可以使出鋼節奏得到優化。在軋制12 m 坯料時，每顆鋼可節省時間約為1 s，10.5 m 坯料約為1.5 s。

具體修改程序如下：在操作員站界面增加定位延時出爐按鈕，可以進行選擇，當選中定位延時出爐后，出鋼過程中加入坯料出爐延時，保證出鋼節奏的同步；當取消定位出爐后，即跳過出鋼定位延時程序，出鋼過程與原工藝相同。

（1）添加FC72 及如下程序，如圖2 所示。

圖2 出爐延時時間計算程序

（2）在DB299 中添加變量，如圖3 所示。

圖3 程序變量表增加部分

（3）將出鋼補償時間由實數格式轉換成S5TIME格式的數據：

調用STEP 7 標準庫中IEC 功能庫中的FC40（TIM_S5TI）功能塊將上步存儲的“TIME”格式的數據轉換為“ S5TIME”數據格式的數值。

（4）在出爐輥道動作步驟前添加出鋼補償延時時間。

（5）在程序段中增加跳轉指令（在上位機中可以選擇），選擇出鋼定位延時執行程序，否則跳轉。

3.4 優化效果

該優化設計可對天鋼高速線材廠連軋過程中加熱爐每個進出鋼周期的坯料進行節奏的同步，使加熱爐的效率有所提高。改進后，可對天鋼集團煉鋼廠生產出的各種長度的坯料進行出鋼節奏的優化。投入運行后，在軋制長度為12 m 坯料時每萬噸可提高產量約為300 t，軋制長度為10.5 m 坯料時每萬噸可提高產量約為500 t。同時，增加的定位延時功能選擇按鈕，為操作人員根據實際情況選擇操作提供了方便。

4 結束語

為實現鋼鐵工業的可持續發展，在近年國家“節能減排，鋼鐵產業結構調整，淘汰落后產能”產業政策引導下，鋼鐵工業向著低能耗、高效率方向發展。根據加熱爐生產過程中進出鋼動作過程，提出以生產目標提高為目的的鋼坯延時輸送控制方法，在保證加熱爐設備正常運行的前提下，優化了加熱爐出鋼節奏，提高了軋機利用率，提高了生產效率。

加熱爐能耗作為軋鋼工序能耗的重要組成部分，是軋鋼系統節能的重點，需要做的工作還有很多，例如合理定制升溫曲線，合理控制爐內氣氛和爐壓等方面均可有效降低加熱爐能耗，從而提高生產效率，希望通過技術工作者的不斷努力，使加熱爐的節能降耗方面更上一個新的臺階。