加熱爐智能燃燒控制技術(shù)的研究應(yīng)用

粟勁超，陳 帥，龍昭宇

(柳州鋼鐵集團(tuán)有限公司，廣西 柳州 545002)

柳鋼2032 mm熱軋生產(chǎn)線有三座常規(guī)式加熱爐，自2005年10月投產(chǎn)以來，燃燒控制模型均為手動(dòng)操作完全靠人工經(jīng)驗(yàn)根據(jù)爐況進(jìn)行調(diào)整，爐溫穩(wěn)定性差，燃料和助燃空氣完全靠人工調(diào)節(jié)，加熱爐的生產(chǎn)率和熱效率不高。雖然有的操作工經(jīng)驗(yàn)豐富，可以將燃燒狀態(tài)調(diào)至較好狀態(tài)，但是煤氣熱值、壓力等是不斷變化的，操作工的手動(dòng)調(diào)節(jié)難以及時(shí)合理應(yīng)對(duì)。加熱爐燃燒的手動(dòng)調(diào)節(jié)不能保證穩(wěn)定的鋼坯加熱質(zhì)量，鋼坯加熱氧化燒損嚴(yán)重，同時(shí)浪費(fèi)大量能源。針對(duì)這種狀況，柳鋼熱軋廠于2019年與北科大聯(lián)合開發(fā)加熱爐智能燃燒模型，摒棄傳統(tǒng)加熱爐燃燒控制方式，探索尋求更為先進(jìn)的控制方法。

1 智能燃燒原理

投用自動(dòng)燃燒模型前加熱爐加熱溫度控制模式的原理是系統(tǒng)根據(jù)入爐坯料變量條件從冶金規(guī)范基表自動(dòng)獲取與之匹配的加熱爐氣溫度控制目標(biāo)及偏差范圍，由操作工按照給定目標(biāo)爐溫實(shí)時(shí)調(diào)整各段爐膛溫度。而自動(dòng)燃燒模型則是根據(jù)給定板坯出爐目標(biāo)溫度(從標(biāo)準(zhǔn)表獲取)，模型根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線自行設(shè)定各加熱段的板坯目標(biāo)溫度，并由設(shè)定的各出爐段板坯溫度自行控制各段爐氣溫度來保證加熱溫度。

在坯料進(jìn)入加熱爐的預(yù)熱段時(shí)，智能燃燒模型開始標(biāo)記該坯料位置、入爐溫度、牌號(hào)鋼種和坯料規(guī)格等信息，以每個(gè)爐子不同的熱效率，按當(dāng)前坯料出爐節(jié)奏推算出一個(gè)動(dòng)態(tài)的在爐時(shí)間，使用最合適該坯料的升溫曲線，通過采集該坯料實(shí)時(shí)的爐溫，設(shè)定動(dòng)態(tài)目標(biāo)爐溫，操控煤氣閥門和空氣閥門進(jìn)行全過程的加熱控制，直至該坯料的計(jì)算溫度達(dá)到出爐目標(biāo)溫度。整個(gè)過程操作工人基本只需進(jìn)行出鋼節(jié)奏控制以及極少的人工溫度干預(yù)，計(jì)算機(jī)可以根據(jù)加熱爐的環(huán)境信息模型，測(cè)知許多必須的信息(如爐氣溫度、煤氣流量、煤氣壓力等)，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行思維推理、優(yōu)化控制策略，發(fā)出控制行為信息，使對(duì)象達(dá)到目標(biāo)要求。在工況發(fā)生變化(如爐膛溫度降低)時(shí)，計(jì)算機(jī)根據(jù)感知信息，可以由存儲(chǔ)的眾多應(yīng)對(duì)措施中，優(yōu)選出一個(gè)能達(dá)到最大熱效率、最少能耗、最少氧化燒損、最高產(chǎn)量、最低成本等目標(biāo)的最佳應(yīng)答[1]。

2 加熱爐智能燃燒實(shí)際應(yīng)用

2.1 加熱爐跟蹤

加熱爐跟蹤是智能燃燒系統(tǒng)L2級(jí)控制的重要功能，它將MES系統(tǒng)的軋制計(jì)劃與實(shí)際板坯一一對(duì)應(yīng)，并準(zhǔn)確跟蹤其位置，為數(shù)學(xué)模型提供入口參數(shù)。加熱爐跟蹤的準(zhǔn)確性直接影響數(shù)學(xué)模型計(jì)算的精度，從而影響產(chǎn)品的控制精度。

板坯跟蹤范圍從裝爐側(cè)稱重核對(duì)輥道開始，至粗軋RDT數(shù)據(jù)收集完成結(jié)束。在爐前板坯核對(duì)時(shí)，對(duì)板坯號(hào)和實(shí)物進(jìn)行核對(duì)。跟蹤的主要作用是確保數(shù)據(jù)與實(shí)際板坯能準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)，但由于設(shè)備、儀表或網(wǎng)絡(luò)故障等原因，會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)跟蹤位置和實(shí)際板坯位置不符的情況，系統(tǒng)提供跟蹤修正的功能，允許操作人員對(duì)板坯數(shù)據(jù)跟蹤進(jìn)行修正，保證跟蹤的準(zhǔn)確性和連續(xù)性。

系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)板坯跟蹤，需要L1級(jí)和L2級(jí)配合完成。L1級(jí)接收儀表及設(shè)備等的檢測(cè)信號(hào)，并對(duì)其可靠性進(jìn)行校驗(yàn)，通過對(duì)各種檢測(cè)信號(hào)的綜合判斷來產(chǎn)生L2級(jí)所需的跟蹤事件。L2級(jí)根據(jù)各跟蹤事件進(jìn)行相應(yīng)的邏輯處理，觸發(fā)其他模塊進(jìn)行后續(xù)處理并向HMI實(shí)時(shí)發(fā)布板坯影像和數(shù)據(jù)。

2.2 板坯溫度計(jì)算

系統(tǒng)根據(jù)加熱爐水梁錯(cuò)位和遮蔽情況，選取區(qū)域2和其對(duì)稱區(qū)域3作為計(jì)算域，建立沿板坯長度方向的二維溫度場(chǎng)[2]。然后根據(jù)計(jì)算域選取原理，將計(jì)算域與水梁接觸的3個(gè)位置劃分了較密網(wǎng)格，以準(zhǔn)確計(jì)算黑印溫度。根據(jù)爐子的實(shí)際結(jié)構(gòu)和爐內(nèi)的熱交換過程，忽略鋼坯寬度方向的溫度不均勻性，選取上述計(jì)算域，建立鋼坯內(nèi)部導(dǎo)熱和溫度計(jì)算數(shù)學(xué)模型。經(jīng)過邊界條件的假設(shè)和處理、初始化條件處理后，以爐內(nèi)熱電偶位置對(duì)爐溫進(jìn)行線性插值，通過各材料模型(按鋼的分類按化學(xué)成分)計(jì)算出不同材料鑄坯的板坯溫度。

圖1 計(jì)算域選取示意圖

2.3 出鋼控制程序優(yōu)化

燃燒模型應(yīng)用初期設(shè)定加熱、出鋼節(jié)奏與軋線生產(chǎn)需求不匹配，加熱爐出鋼節(jié)奏偏慢，導(dǎo)致軋線等鋼時(shí)間較長，生產(chǎn)效率低。為提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)能耗，技術(shù)人員基于智能燃燒模型初步應(yīng)用取得成效，持續(xù)深挖模型“提效降耗”潛力，探索適于2032 mm線品種結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)組織特點(diǎn)的爐溫控制模型，解決三座加熱爐燒鋼不均勻爐溫波動(dòng)大、最小在爐時(shí)間不合理、部分品規(guī)溫控策略不合理等不利于生產(chǎn)穩(wěn)定控制等一系列難題，優(yōu)化加熱爐設(shè)備動(dòng)作銜接和步進(jìn)梁、出鋼機(jī)等設(shè)備節(jié)奏控制程序，為穩(wěn)定、高效生產(chǎn)創(chuàng)造有利條件。

2.4 升溫曲線優(yōu)化

在模型使用初期，系統(tǒng)只有一套基準(zhǔn)升溫曲線，而實(shí)際生產(chǎn)中不同品種連鑄坯往往需要不同的加熱工藝，單一升溫曲線無法滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。技術(shù)人員根據(jù)燃燒模型上線后收集的工況，參考人工燒鋼經(jīng)驗(yàn)完成了不同鋼種基準(zhǔn)升溫曲線開發(fā)、優(yōu)化，目前已經(jīng)有普碳鋼、冷軋基板、船板、集裝箱板和低合金鋼等7種升溫曲線，滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)需要。

圖2 鋼坯升溫曲線

2.5 應(yīng)用效果

目前柳鋼2032 mm熱軋生產(chǎn)線加熱爐以基本實(shí)現(xiàn)全工況、全品規(guī)自動(dòng)燒鋼，加熱溫度控制精度由手動(dòng)燒鋼的±30 ℃提升至±15 ℃以內(nèi)，坯料出爐溫度相對(duì)穩(wěn)定，溫度均勻性大幅提升，模型自動(dòng)投用率達(dá)90%以上，同時(shí)噸鋼煤耗降低6.67%左右。

表1 指標(biāo)考核對(duì)比表

3 結(jié)語

綜上所述，通過對(duì)柳鋼2032 mm熱軋生產(chǎn)線加熱爐進(jìn)行智能燃燒改造，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該加熱爐煤氣熱值和全爐燃燒狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過對(duì)各段燃燒工藝進(jìn)行合理化控制，提高了加熱爐的生產(chǎn)效率和鑄坯加熱質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗，同時(shí)降低了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度，經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益顯著。