雙蓄熱板坯加熱爐自動控制技術研究

摘 要：加熱爐是熱軋產線重要的組成部分，直接影響到產品的質量，尤其在當今市場能源供應以及環保的壓力下，如何采用新的技術進一步節能減排，降低污染物的排放，提高加熱質量，增強市場競爭力是急需研究的問題。雙蓄熱式板坯加熱爐是通過高溫煙氣熱量來加熱空/煤氣燃燒氣體，從而提高燃料的燃燒溫度，經過預熱的氣體既可以充分燃燒還能節約能源和氮氧化物的排放。本文對蓄熱式加熱爐從燃燒特點出發對加熱爐的爐溫控制、燃燒方式、節約能源進行了深入研究。煤氣燒嘴的反吹掃技術，極大地降低了煙氣中一氧化碳的含量，因此加熱爐自動控制水平高低不僅關系到操作工的勞動強度而且直接關系到產品的質量、產量和生產消耗指標，以及市場競爭力。

關鍵詞：自動控制;爐溫控制;節約能源

中圖分類號：TG307 文獻標識碼：A 文章編號：2096-6903（2022）02-0041-03

0引言

加熱爐系統主要包含以下三部分：汽化冷卻系統、坯料運動系統、燃燒系統。本文研究的為雙蓄熱式步進加熱爐，板坯由裝鋼輥道裝入加熱爐，板坯在裝鋼輥道上自動定位，成功后根據爐內情況起動自動裝鋼，通過爐底步進機械的運動，把板坯一步步從加熱爐的裝鋼側運到出鋼側，放置在出料輥道上，通過出爐輥道送往軋機進行軋制。汽化冷卻系統采用強制循環泵的冷卻方式降低水梁的溫度，保證了爐底步進機構能維持高機械強度，確保安全可靠，同時將產生的蒸汽回收利用。降低了能耗，節約了能源。燃燒系統采用空煤氣雙蓄熱式高溫燃燒技術[1]。

1加熱爐坯料運動系統

通過鑄坯調度系統，將連鑄直供或者板坯庫的板坯放到板坯輥道上，板坯上線分為天車上線、卸板臺上線、連鑄上線三種形式。上線的板坯經過照核后由板坯輥道上運送到裝鋼輥道上，根據板坯的模型信息自動運到爐前進行定位。當爐內有空位，滿足裝鋼條件時，自動啟動裝鋼程序，裝鋼機開始進行推正動作，推正完成后，根據板坯的寬度執行后退或者不后退的動作，之后裝鋼機和爐門同時進行上升動作，上升到位后裝鋼機前進到目標位，然后下降把板坯放到步進梁上，裝鋼機后退到位，爐門關閉，裝鋼完成。之后板坯由步進梁一步步地將板坯運到出鋼位。步進梁的運行軌跡如圖1所示。

步進梁運動分為正循環和逆循環，正循環通過上升、前進、下降、后退的運動把板坯向出鋼側運動。逆循環通過前進、上升、后退、下降將板坯向裝鋼側運動。每個循環的行程為600 mm，周期為50 s。加熱爐步進梁、爐門冷卻方式為水冷，步進梁分為固定梁和活動梁，每根梁里面全是冷卻水管，每個支管上安裝有熱電阻與流量傳感器，當循環水溫度過高或流量過低時，都會發出報警，并在監控畫面上顯示。到位后的板坯，當收到軋機的要鋼信號時，出鋼機將自動啟動，通過前進、上升、后退、下降的動作把爐內的板坯放到出鋼輥道上，然后送到軋機開始軋制。

2加熱爐的汽化系統

汽化冷卻系統控制包括軟水箱自動上水、除氧器自動上水、汽包自動上水、給水流量、蒸氣流量、循環回路流量控制，循環水泵控制，給水泵控制，軟水泵控制，除氧器液位控制和壓力控制，汽包壓力和給水壓力控制，軟水箱水箱液位控制[2]。

2.1汽包自動上水控制

汽包是壓力容器，汽包水位是保證汽包穩定運行的一個重要指標，在汽包的兩側分別安裝有現場顯示的玻璃管連通器水位和遠傳的水位顯示在畫面上。通過畫面可以選擇一側的作為自動控制汽包上水的水位，控制采有3種模式：

（1）控制方式采用雙沖量連續補水形式，以汽包水位為控制對象，采用蒸汽流量為前饋回路，避免水位超調。可以有效避免假水位現象出現。在手動/自動轉換過程中設置無擾動切換，避免振蕩。

（2）控制方式采用單沖量連續補水形式。在系統蒸汽流量檢測元件故障亦或汽包放散、水位小幅波動時采用此控制方式。

（3）控制方式采用啟停泵間歇補水形式。在熱負荷變化較大或供熱負荷較小時，采用此控制方式。此狀態難以投用雙沖量補水，采用此控制方式可以保證系統穩定運行。

2.2汽包壓力的控制

汽包通過控制蒸汽并網調節閥和汽包放散閥調節汽包的壓力。當汽包壓力高于設定上限值時，控制系統會自動打開蒸汽放散閥放散蒸汽，降低汽包壓力，當汽包壓力降到安全值時，控制系統會自動關閉放散閥，確保安全運行。從安全角度考慮，設置兩個蒸汽放散閥，當其中一個故障時，不影響系統運行。放散閥的開度不宜太大，以緩慢卸壓形式放散，避免引起水位劇烈波動。此控制為自動控制，只在需要手動打開放散閥時切換至手動狀態。

2.3循環水泵連鎖及控制

汽化冷卻系統有兩臺電機控制的強制循環泵，一臺柴油控制的循環泵。柴油機循環泵為停電時的備用應急備，兩臺電動泵每周需要倒泵，一臺作為另一臺的備用泵。柴油泵每周需要運行1 h，保證狀態正常。

在循環水泵的進水和出水之間安有壓差檢測傳感器，壓差低于設定壓差值時，啟動備用電動循環水泵，當備用泵起來后，壓差和流量還低于設定值時，將連鎖停爐。

兩臺電動循環泵互為熱備，當其中一臺故障時，自動啟動另一臺泵。當兩臺電動循環泵都無法啟動時，自動啟動柴油循環泵。

2.4給水泵連鎖及控制

汽化冷卻系統有兩臺電機控制的給水泵，一臺柴油控制的給水泵。柴油機給水泵為停電時的備用應急備。每臺給水泵經給水調節閥將除氧器的軟水送至汽包。正常情況下兩臺電動給水泵互為熱備，當其中一臺故障時，自動啟動另一臺泵。當兩臺電動給水泵都無法啟動時，自動啟動柴油循環泵來確保汽包水位正常。

2.5軟水箱液位檢測及控制

軟水箱是儲水容器，保證除氧器和汽包能夠及時補水。在軟水箱上安裝投入式液位變送器。通過水位的檢測，自動將補水閥進行開關控制。保證水位在一定范圍內。軟水箱現場安裝有玻璃管連通器液位計，方便現場巡檢人員觀察示數。

3加熱爐燃燒系統

加熱爐燃燒系統主要包括：換向系統、爐溫控制系統、反吹系統、排煙系統等。雙蓄熱式加熱爐換向系統采用集中三通換向閥控制。爐溫控制包括流量調節閥的控制和流量、爐溫的檢測。反吹系統是將煤氣燒嘴的殘余煤氣在換向前通過煙氣吹入爐煤，降低大氣中的一氧化碳含量。排煙系統分為空、煤氣兩套獨立的排煙系統，通過空煙、煤煙引風機分別將各個空煙室、煤煙室內的煙氣匯集到各段的煙氣管道匯集后排到大氣，通過煙氣調節閥控制爐壓及煙溫[3]。

3.1加熱爐的爐溫控制系統

加熱爐的爐溫控制實現完全自動是比較困難的，實現自動控制要考慮多方面的因素。首先燃燒的過程本身就是一個非常復雜的過程，包括煤氣燃燒時的煤氣熱值，火焰的熱輻射以及爐內換向時熱對流等，這些過程是緊密聯系在一起的，不是相互獨立的過程。還要考慮爐況本身的情況，傳感器的精確度，響應速率問題，軋制要求，軋制生產狀況等，同時自動燃燒還要降低能源消耗和氧化燒損，因此常見的爐溫控制系統主要有以下幾種模式。

（1）溫度的單回路控制模式。溫度的單回路控制模式是最簡單的控制模式，就是根據爐溫的的情況不斷調節煤氣、空氣流量調節閥改變火焰的大小，來調節溫度，此方法響應緩慢，極難實現爐溫的完全自動控制，很大程度依賴操作人員手動干預。

（2）串級比值的控制模式。串級比值的控制模式是分為空氣回路和燃氣回路兩個回路，同時并行運行。燃氣回路的溫度設定值由溫度控制器的輸出給定。空氣回路的溫度設定值根據空燃比由溫度控制器的輸出值乘以系數計算。這樣構成燃氣流量為主，空氣流量為從的兩個流量的閉合回路。如圖2所示。

這種串級比值的控制模式有效的降低了煤氣和空氣流量波動對于系統的擾動，這種方式燃氣流量、空氣流量都比較穩定，爐溫也平滑穩定了。

（3）空氣的限幅控制模式。與串級的比值控制模式相比較，空氣的限幅控制模式中增加了一個空氣高值選擇器，空氣高值選擇器是比較溫度調節器設定值乘以空燃比與燃氣流量設定值乘以空燃比的大小，將高值作為空氣回路的設定值。這樣就可以保證任何時刻都是空氣是過量的，保證燃料的充分燃燒，缺點是空氣過量導致鋼坯的氧化燒損過大，溫度損失也較大。

（4）雙閉環交叉限幅控制模式。由于空氣的交叉限幅控制模式的空氣過量導致的問題，出現了雙閉環交叉限幅控制的控制模式，與空氣交叉限幅控制模式相比增加一個燃氣低值選擇器，將溫度調節器的設定值與空氣流量設定值除以空燃比進行比較，低值選擇作為燃氣回路的設定值。

如圖3所示，雙閉環的交叉限幅控制模式時增加燃氣時，先增加空氣然后增加燃氣給定，當減少燃氣時，先減少燃氣后減少空氣，這樣空氣既能跟隨燃氣的變化而變化，也能保證燃氣的充分燃燒。因此目前大多數雙蓄熱式加熱爐都采用雙閉環的交叉限幅控制模式，但是缺點是降低了系統的響應速度。因此合理的空燃比是至關重要的。

3.2自動換向控制與反吹掃系統

雙蓄熱式加熱爐采用了先進的三通換向閥，可以直接進行換向控制，動作快，控制簡單，對加熱爐的溫度及燒嘴內的燃燒火焰及加熱爐的溫度影響較小。加熱爐的三通換向閥是采用雙列布置的，即當換向閥開始正常工作，換向閥內部有連通和斷開的兩個狀態，當PLC控制換向時，打開狀態的通道首先關閉，隨之打開閉合狀態的通道?？傮w爐體換向原理如圖4所示。

這種雙蓄熱式換向式燃燒方式大大的改善了爐內的溫度均勻性。由于能很容易地把煤氣和助燃空氣預熱到1 000 ℃左右，可以降低排煙溫度，利用了余熱，降低了能耗。種燃燒技術在換向時，煤氣換向閥由進氣向排煙轉換時，燒嘴及燒嘴至換向閥之間的管道的空間內仍充滿了煤氣，這些煤氣與換向后進入燒嘴內的高溫煙氣中殘余的氧氣混合的瞬間，發生二次燃燒或者直接排到空氣中，因此反吹掃技術是將煤氣換向閥由進氣轉為排煙之前通過反吹閥將殘余煤氣用煙氣吹到爐內繼續燃燒，可以極大降低煙氣中一氧化碳的含量?？傊?，加熱爐對其燃燒系統自動化控制的研究不僅對節能降耗、增大企業利潤的實際意義，也將進一步促進了新控制理論的研究與應用。

4結語

通過加熱爐自動化控制系統的應用既降低了操作工的工作量，提升工作效率和加熱質量，在提升加熱質量的同時降低了能源消耗，充分地滿足了熱軋工藝的需求。

參考文獻

[1] 劉婷，邢東旭，文博.包鋼熱軋加熱爐自動化控制系統應用與研究[J].包鋼科技，2018，44（6）：79-82.

[2] 傅松林.新鋼1 580 mm熱連軋過程自動化系統應用與研究[J].自動化應用，2017（12）：34-35.

[3] 洪博，孫文權，郭德福，等.蓄熱式加熱爐新燃燒控制模型研究[J].冶金自動化，2018，42（4）：49-53.

Research on Automatic Control Technology of Double Regenerative Slab Reheating Furnace

HOU Lizhu

（Tangshan Iron and Steel Group Co.， Ltd.， Tangshan? Hebei? 063000）

Abstract： Heating furnace is an important part of hot rolling production line， which directly affects the quality of products， especially under the pressure of market energy supply and environmental protection， how to adopt new technologies to further save energy and reduce emissions， reduce pollutant emissions， improve heating quality and enhance market competitiveness is an urgent problem to be studied. The double regenerative slab heating furnace heats the air / gas combustion gas through the heat of high-temperature flue gas， so as to improve the combustion temperature of fuel. The preheated gas can not only burn fully， but also save energy and NOx emission. Based on the combustion characteristics of regenerative heating furnace， the furnace temperature control， combustion mode and energy saving of heating furnace are deeply studied. The back purging technology of gas burner greatly reduces the content of carbon monoxide in flue gas. Therefore， the level of automatic control of heating furnace is not only related to the labor intensity of operators， but also directly related to the product quality， output， production consumption index and market competitiveness.

Keywords： automatic control; furnace temperature control; energy saving

收稿日期：2021-12-18

作者簡介：侯立柱（1982—），男，河北唐山人，本科，工程師，從事熱軋卷板自動化控制專業工作。