熱連軋產線綠色高效低碳轉型技術研究與應用

關鍵詞：定綠色制造模型；協同效率；低碳技術

0 引言

對鋼鐵企業來說低成本是企業立于不敗之地的法寶，而綠色高效低碳轉型與成本呈反比關系，在投入不變和質量穩定的前提下，研究綠色高效低碳轉型技術對企業的生存發展至關重要。

目前研究聚焦產能預測模型和生產能力評估的系統性研究有兩個方面，張志超等建立了產能回歸模型，對產能進行預測和影響分析，并以此制定出合理的目標產能，確定完成產能的前提條件，為提高產能發揮效率提供參考和指導；董鵬等從企業內部工作流程出發，對整個制造過程的生產能力做了系統分析，提出了一套生產能力評估、平衡、提升的完整評估方案。綠色高效低碳轉型關鍵技術綜合性、系統性較強，涉及多專業合作、多部門協同，關于30%以上幅度的效率提升工業實踐尚未見相關報道。

本文以某廠兩條熱連軋產線為研究對象，從綠色制造模型、協同效率、低碳技術三大領域入手進行了介紹，以期為同行提供經驗參考。

1綠色制造模型的研究與應用

熱連軋產線綠色制造模型研發思路，以集成的、并行的方式設計帶鋼熱軋生命周期全過程，涵蓋質量、成本、用戶要求、環境影響、資源消耗狀況等，構建了軋制批量計劃模型、加熱爐裝爐調度模型、加熱爐計劃編制模型、加熱過程在線控制模型、軋制節奏模型，實現熱軋全過程的智能聯動控制與動態優化，達到生產制造高質量、高效率、低成本、低污染的目的。熱連軋產線綠色制造模型見圖1。

1.1 軋制批量計劃模型

軋制批量計劃模型減少板坯達到軋制溫度后在爐內保溫能耗，從而減少加熱爐能耗。

軋制批量計劃求解算法編碼與解碼，為了方便螞蟻尋優和遺傳運算操作，采用自然數編碼方式，利用具有唯一性的板坯號來代表板坯，板坯號相當于TSP中的城市代號，多個板坯號串行起來組成解的編碼；在一個單元計劃首尾加入零號板坯形成閉合回路，零號板坯與其他板坯之間的距離也為零（懲罰值為零）；采用串行策略生產多個單元計劃。解碼時依據先后順序確定批量計劃中的單元計劃數和單元計劃板坯軋制順序，解碼過程將編碼還原為批量計劃，批量計劃中單元計劃數有等于解碼中0的個數減去1，單元計劃板坯的軋制順序按照編碼中非零數從左到右排序，如圖1（a）所示。

1.2 加熱爐裝爐調度模型

加熱爐裝爐調度模型最小化熱軋機等待板坯的時間，可以有效提高熱軋機軋制效率。

加熱爐裝爐調度編碼示例，用一個n×M矩陣表示板坯選擇加熱爐裝爐（n為軋制板坯數，M為加熱爐數），矩陣位置（i，1）表示按照軋制順序軋制的板坯的板坯號，（i，j）中j＞1時表示板坯是否選擇j+1號加熱爐加熱，（i，j）中j＞1時，（i，j）取值為0或者1，0表示不被選擇，1表示被選擇。例如[24 0 1 0…0]表示24號板坯選擇的裝爐爐號為2，解碼過程相當于對編碼進行翻譯的過程，例如圖71編碼所示，38號板坯選擇2號加熱爐裝爐，80號板坯選擇1號加熱爐裝爐，57號板坯選擇3號加熱爐裝爐等等，如圖1（b）所示。

1.3 加熱爐計劃編制模型

加熱爐計劃編制模型最小化相鄰板坯間的裝爐溫差，可以提高板坯的加熱質量。

加熱爐計劃編制優化算法螞蟻尋優路徑示意，螞蟻從單元計劃中的第一塊軋制板坯出發，為其選擇加熱爐裝爐，然后接著為下一塊板坯依據狀態轉移規則選擇加熱爐裝爐，以此類推，直到螞蟻為所有板坯都選擇加熱爐。圖1（c）所示為38號板坯節點選擇2號加熱爐節點，接著依據狀態轉移規則80號板坯節點選擇1號加熱爐節點，同樣步驟，為57號板坯節點選擇3號加熱爐節點，直到為板坯節點都選擇對應的加熱爐節點。

1.4 加熱過程在線控制模型

加熱過程在線控制模型控制不同規格、不同鋼種、不同產量、不同爐溫制度下鋼坯的溫度場變化規律，對帶鋼質量和成本控制至關重要。加熱過程在線控制模型見式（1）。

（1）

式中：ρ為鋼坯的密度，kg/m3；cp為鋼坯的比熱，J/（kg·℃）；T為鋼坯的溫度，℃；t為時間，s；λ為鋼坯的導熱系數，W/（m·℃）。

1.5 軋制節奏模型

軋制節奏模型提升了加熱-粗軋-精軋-層流-卷取五個工位的邏輯聯鎖效率，軋制能力大幅提升。

軋制節奏模型，對于每一塊板坯都要計算它在軋線的運行時間，并以前一塊板坯的運行時間來計算時間間隔，時間間隔要參考軋制厚度、溫度等約束變量，對每塊板坯都按照這樣的方式計算。首先確定整個軋線上的關鍵點：HMD1-SP、SP-R1、R1-R2、R2-FM、RM-FM；其次根據頭尾流動時間，計算前后兩塊材料在這些瓶頸點的頭尾時間間隔；最后按自適應、自學習的方式對實時的設定值進行自適應調節，根據各級變量對系統狀態的變化，不斷利用實時信息對模型參數進行修正，以提高其預測的智能化，使時間值通過獲得補償來提高預測精度，并利用置信度區間來確定其誤差范圍，進一步改善預測精度。軋制節奏模型如圖2所示。

2 協同效率的研究與應用

2.1 庫區效率提升

板坯上料效率提升：自主開發“倒垛統計畫面（YMHRNNS30）”，可以自定義查詢任意時間內的板坯倒垛率，消除人工統計帶來的誤差。煉鋼、熱軋、制造部聯合建立了“熱送熱裝”信息通報群，解決了信息不能及時傳達帶來的倒垛增加問題。對操作計劃內順序調整的人員進行專項培訓，設定勞動競賽和績效指標，減少板坯倒垛率。

裝、抽料效率提升：重點針對上料輥道控制邏輯、加熱爐裝料端裝料邏輯進行分析和優化；加熱爐定位精度的優化，保證裝鋼間隙精度；抽出端抽鋼邏輯優化，提升抽鋼效率。

2.2 加熱效率提升

高效加熱技術：根據熱軋30個系列200余個品種的不同特性，重新定義加熱爐各區功能，大幅提高板坯一加段溫度，降低二加段及均熱段溫度，縮短板坯總在爐時間，開發了基于熱軋高效加熱的組織性能控制技術，實現了超低/低碳鋼、碳錳鋼、管線鋼等系列鋼種的批量熱送熱裝，軋制過程穩定，表面質量及產品性能優良。

均勻加熱技術：通過對加熱爐內板坯導熱、爐膛換熱、燃料燃燒等過程進行數值模擬，結合全視場溫度實時監測系統的反饋信號和“黑匣子”的測試結果，運用最小二乘法進行全數據的函數擬合，解析了系統設備因子動態調整的規律，構建了板坯溫度自校正預測模型，實現了加熱爐不同工況下板坯溫度的精準預測。針對不同規格及軋制工藝的板坯，建立了各鋼種的BISRA碼，并根據BISRA碼將模型中熱傳導系數進行精細分類；同時，增加了板坯入爐、出爐過程中冷風吸入和溢氣等溫度影響因子，修正了板坯入爐、出爐溫度的預測模型，建立了基于閉環控制的自修正優化模型，實現不同品種規格板坯加熱智能控制，減少了人為干預。采用優化后的二級計算模型指導燒鋼，板坯加熱質量與穩定性顯著提升，加熱溫度預測模型溫差由40℃下降到10℃以內。

2.3 軋制效率提升

通過對軋制效率制約因素分析，開發粗軋—精軋—卷取高效協同控制技術。

針對粗軋軋制道次的問題，全面梳理熱軋品種及規格，結合硬度組、寬度規格、溫度等方面對軋機扭矩和功率進行評估和優化，使“1+7”道次比率由30%下降到7%，大幅提高了粗軋的軋制節奏。

優化粗軋及精軋的防撞邏輯及板坯的搬運策略，使粗軋的進鋼節奏由105 s下降到90 s，精軋的進鋼間隙時間由30 s下降到20 s，實現了精軋兩塊鋼同時軋制。

針對卷取夾送輥預設過高及夾送輥壓尾時序的問題，優化夾送輥預設高度，重新設計夾送輥壓尾功能，優化卸卷小車時序，鋼卷從卷取到松卷時間降低了22 s。

2.4 運輸效率提升

熱軋運輸鏈系統結構復雜，是制約高效制造的關鍵。熱軋運輸鏈系統原工序是：鋼卷通過步進梁運送至快速鏈，經過一系列步進梁與旋轉臺、步進梁與提升旋轉臺構成的復雜系統進入大鏈，每個環節都會成為制約運輸鏈整體節奏的瓶頸。據此對步進梁—旋轉臺—大鏈等每個環節的運行控制邏輯進行綜合設計優化，主要包括：步進梁單體速度提升、0.1/0.2步進梁邏輯優化、TB1旋轉臺時序優化、LTB1-WB7方向旋轉臺邏輯優化、LTB2提升旋轉臺邏輯優化、3#大鏈邏輯優化、TB2旋轉臺邏輯優化、WB5邏輯優化，形成了運輸鏈系統的高效運輸技術，實現了運輸鏈廠內流向極限節奏由130 s減少至106 s，運輸鏈冷軋流向極限節奏由180 s減少至120 s。

通過兩年時間的實踐與應用，年產能由730萬噸提升至1022萬噸以上，一年之內生產效率提升突破24%，兩年提升幅度突破40%。

3 低碳技術的研究與應用

3.1 無焰燃燒技術

無焰燃燒是一種溫和燃燒模式，與傳統燃燒有較大差別，傳統燃燒與無焰燃燒對比見圖3。傳統燃燒時進入反應區前反應物的濃度高而溫度低，火焰見圖3（a）；而無焰燃燒時進入反應區前反應物的濃度低而溫度高，無焰燃燒爐膛見圖3（b）。本文自主研發常溫無焰燃燒技術，加熱溫度均勻，爐內輻射換熱效率較傳統燃燒方式高，燃燒過程噪音及氧化燒損低，不存在火焰鋒面和局部高溫區。常溫無焰燃燒技術突破常規無焰燃燒形成需要高溫預熱空氣的限制條件，提高了爐內加熱溫度均勻性和換熱強度，降低爐窯NOx排放70%以上，最低可達到20 mg/m3，鋼坯同板溫差縮小5～9℃，平均溫度提高4～5℃。

3.2 強化傳熱技術

研制納米隔熱材料、輕質高強澆注料、抗衰減高發射率紅外涂層和錨固釘熱障涂層四種新型節能材料，加強了爐襯隔熱保溫，減少了爐墻散熱損失，提高了爐壁內襯溫度和發射率。相比常規耐材0.4左右發射率，黑體涂層材料高溫發射率提高達到0.93以上，增強了爐內換熱強度。強化傳熱技術見圖4。

4 結論

1）構建了由鑄軋工序生產計劃與動態調度模型、熱軋加熱爐爐群優化調度模型、鋼坯加熱過程在線控制模型、高效軋制模型組成的前后工序感知智能控制模型庫，實現熱軋全過程的智能聯動控制與動態優化。

2）開發了庫區—加熱—軋制—運輸高效協同控制技術，生產效率提升突破40%。

3）自主研發無焰燃燒技術和強化傳熱技術，在低碳技術領域取得重大突破。

本文摘自《金屬材料與冶金工程》2024年第6期