基于节能降耗的钢包智能烘烤研究与实践.pdf

2024.3,4（2）|专题:交通用钢与冶金智能化基于节能降耗的钢包智能烘烤研究与实践吴帅1，王子贤1，许亮2，孙世强2，张超杰1，张立强1（1.安徽工业大学冶金工程学院，安徽 马鞍山，243000；2.马钢集团安徽长江钢铁有限公司，安徽 马鞍山，243100）摘要：针对某厂一号 110 吨钢包烘烤器的传统运行问题，特别是在使用中低热值煤气时出现的点火困难、管道压力波动导致的脱火和熄灭问题，以及在烘烤过程中只能依赖人工经验去调节煤气流量，存在滞后现象，导致钢包烘烤不够或钢包过烧，前者影响钢水出钢温降，后者影响钢包寿命，并造成了煤气能耗浪费。本文依托某厂钢包烘烤工艺，加装高精度检测设备，提出一种基于钢包烘烤的自动控制系统，该系统利用 PID 控制原理和闭环控制策略自动调整阀门开度大小，减小当前流量和给定流量之间的差值。系统通过建立与 MySQL 数据库的通讯连接，自动读取钢包烘烤热平衡计算模型煤气和空气流量数据，实现实时数据远程跟踪和报警联动。现场工业试验数据表明，本系统在自动模式下平均升温速率较原手动模式提升 45.3%，并且累计消耗煤气流量降低了 10.9%，达到预期目标。关键词：钢包烘烤；自动控制；煤气流量；数据库；热平衡计算模型Research and practice of intelligent ladle baking based on energy saving and consumption reductionWU Shuai1,WANG Zixian1,XU Liang2,SUN Shiqiang2,ZHANG Chaojie1,ZHANG Liqiang1（1.School of Metallurgical Engineering，Anhui University of Technology，Maanshan 243000，China；2.Ma Steel Group Anhui Changjiang Iron and Steel Co.，Ltd.，Maanshan 243100，China）Abstract：The No.1 110 t ladle roaster in a factory has many traditional operation problems，such as the difficulty of ignition when using medium and low calorific value gas，the problem of deflagration and extinguishing caused by pipeline pressure fluctuation，and the fact that the gas flow can only be adjusted by manual experience in the baking process.The lag phenomenon leads to insufficient ladle baking or overburning of ladle.The former problem affects the temperature drop of molten steel，while the latter affects the service life of ladle，and leads to the waste of gas energy consumption.Based on the ladle baking process of a factory，this paper proposes an automatic control system based on ladle baking by adding high-precision detection equipment.The system uses PID control principle and closed-loop control strategy to automatically adjust the valve opening size and reduce the difference between the current flow and the given flow.The system automatically reads the gas and air flow data of the ladle baking heat balance calculation model by establishing a communication connection with the 中图分类号:TF345.1 文献标志码:A 文章编号：2097-017X（2024）02-0014-07DOI:10.3969/j.issn.2097-017X.2024.02.004收稿日期：2024-01-26基金项目：国家自然科学基金资助项目（51874001）。第一作者简介：吴 帅（1998），男，硕士研究生。研究方向：冶金过程智能制造、冶金工业大数据。通讯作者简介：张立强（1977），男，博士，教授。研究方向：连铸坯智能定重技术与装备、冶金过程智能制造及大数据应用。14基于节能降耗的钢包智能烘烤研究与实践 吴帅 等MySQL database，and realizes real-time data remote tracking and alarm linkage.The field industrial test data show that the average heating rate of the automatic mode of the system is 45.3%higher than that of the original manual mode，and the cumulative consumption of gas flow is reduced by 10.9%，which achieves the expected goal.Key words：ladle baking；automatic control；gas flux；database；heat balance calculation model引 言钢包是冶金工业中的重要设备，其状态对钢水温度的稳定性具有重要的影响。在填充钢水之前，钢包烘烤是一个非常重要的工作过程1-2。钢包烘烤后，钢包内衬的温度会直接影响钢液的质量和钢包的使用寿命3。因为当高温的钢水倾入钢包时，如果钢包内衬的耐火保温材料的温度未达到预设要求，直接将钢水液注入钢包中，钢包的工作层和底部受到热冲击，造成钢包的工作层和耐火材料的损坏，从而缩短了钢包的使用寿命4。钢包在不同工序间运转过程中，钢包包衬蓄热和其他热损失导致钢液温度降低，不能保证浇注时钢水的温度从而影响钢液的质量。为了排除包衬水分，提高包衬的温度，减少钢水在运输过程中的温降，增加钢包使用寿命，因此需要在出钢之前对钢包内衬进行烘烤5-6。钢包烘烤过程的优化和自动化对于钢铁企业节能降耗、提高生产效率和质量具有重要意义。自动化系统不仅能够减少人工工作量，而且能够更加准确地监控和控制整个烘烤过程。目前，PLC 控制技术被广泛应用于工业控制领域，其中包括钢铁行业的钢包烘烤设备。为了实现节能降耗和技术升级，国内众多专家学者以不同钢厂钢包烘烤设备为研究对象，不断探索和实践 PLC控制技术在钢包烘烤器中的应用。刘玉梅等7设计了 PLC 控制的双蓄热式钢包烘烤器，在唐山淞汀钢厂应用后结果表明，煤气消耗量显著降低，烘烤效果明显改善；钱斌斌等8将烘烤器的控温过程通过PID 控制方法，使钢包温度符合最佳升温过程，应用结果表明节能量显著提高；温嘉禾9使用参数自整定模糊 PID 控制器来设计温度主控制器，通过交叉限幅来调节煤气流量和空气流量，能够实现对钢包的稳定烘烤；蔡培力等10通过控制主煤气流量和蓄热式烧嘴的定时切换，实现对钢包温度的自动控制。本文根据某厂现有的钢包烘烤工艺、设备结构特点以及煤气类型，通过新增红外温度检测仪、流量检测仪以及压力检测仪等高精度检测设备，基于PID 控制原理和闭环控制策略，提出一种基于钢包烘烤的自动控制系统。该系统能够在自动烘烤模式下，自动读取热平衡计算模型给定的煤气流量和空气流量数据，自动调节煤气和空气调节阀开度，以减小流量给定值和实际值的差值。同时建立冶金数据库实现数据远程跟踪和报警联动。该系统一方面能够调节钢包烘烤过程煤气流量和空气流量，达到了节约燃气的目的，又能提高烘烤效率；另一方面减少人工手动干预，避免烘烤不足或过烧情况，延长钢包使用寿命11。1钢包烘烤过程基本原理钢 包 烘 烤 是 炼 钢 生 产 工 序 中 的 主 要 环 节 之一12-13，烘烤装置的性能和烘烤制度对钢包烘烤过程升温速率、内衬寿命以及减小出钢过程温降具有重要影响。不同的钢包烘烤时间和温度通常根据具体的工艺要求而变化，依据现场烘烤工艺制度，通过调整煤气流量和空气流量大小，将钢包预热到所需温度，并在所需温度下保持一段时间，确保钢包内衬温度均匀分布。钢包烘烤是一个集热对流、热传导、热辐射为一体的综合传热过程，钢包的热量损失主要是通过包壁的热损失，耐火材料种类和厚度的不同在蓄热和散热方面存在显著差异。钢包底部耐材通常需要良好的稳定性来承受较高的温度和后期来自钢水的静态压力，钢包包壁耐材则需要耐侵蚀的材料来保护内壁。钢包在烘烤过程中，底部与外界空气接触面积较小，如果散热过慢则会影响耐材使用寿命。钢包包壁外壳与空气接触面积较大，侧壁耐材则需要保持一定的蓄热能力，避免能量损失过大导致钢包内衬温度下降过快，影响后续钢水的温度。钢包烘烤过程原理示意图如图 1所示。煤气和空气分别通过管道进入烧嘴后充分混合进入燃烧室，经点火器点火后燃烧产生的高温火焰和烟气通过热辐射、热对流和热传导作用对钢包内壁及内衬加热，燃烧产生的高温烟气通过包盖和包沿之间的缝隙逸出至外界环境中。随着烘烤过程的推进，煤气燃烧产生的瞬时热量和散失的热量差距逐渐减小，直至进入稳态 阶 段 两 者 达 到 平 衡，钢 包 内 衬 温 度 分 布 基 本 15均匀。钢包烘烤过程能量输入为燃烧化学热、预热空气和燃料带入的物理热量。燃烧产生化学热Q1（单位：kJ/h）为14：Q1=BQd（1）式 中 B为 单 位 时 间 内 所 消 耗 的 燃 料 量，单 位：m3/h；Qd为燃料的低发热值，单位：kJ/m3。预 热 燃 料 所 带 入 的 物 理 热 量Q2（单 位：kJ/h）为：Q2=BCr(tr-t0)（2）式中 Cr为燃料的平均比热容，单位：kJ/(m3)；tr为预热后燃料的平均温度，单位：；t0为环境温度，单位：C。预热空气所带入的物理热Q3（单位：kJ/h）为：Q3=BCk(tk-t0)（3）式中 为空气系数；Ck为空气平均比热容，单位：kJ/(m3；tk为预热后空气的平均温度，单位：。钢包烘烤过程能量输出主要为钢包内衬、外壳和包盖积蓄热、辐射散热、对流散热以及经缝隙逸出烟气热损失（假设煤气完全燃烧并简化计算）。钢 包 内 衬、外 壳 和 包 盖 积 蓄 热Q4（单 位：kJ/h）为：Q4=micit(tf-ts)（4）式中 m为钢包内衬、外壳及包盖各层材料质量，单位：kg；ci为m为钢包内衬、外壳及包盖各层材料比热容，单位：kJ/(kg )；t 为烘烤时间，单位：h；tf为钢包烘烤结束时内外壁平均温度，单位：；ts为钢包烘烤结束时内外壁平均温度，单位：。钢包外表面散热Q5（单位：kJ/h）为：Q5=qAi（5）式中 Ai为钢包和包盖外表面散热面积，单位：m2；q为 钢 包 和 包 盖 外 表 面 平 均 面 积 热 流 量，单 位：kJ/(m2h)；经缝隙逸出气体显热Q6（单位：kJ/h）为：Q6=V(c1t1-c0t0)（6）式中 V为缝隙逸出气体量，单位：m3/h；c1为气体在环境温度至 t1之间的平均比热容，kJ/(m3 )；c0为气体在环境温度下的平均比热容，kJ/(m3)；t1为烟气温度，单位：；t0为环境温度，单位：。经缝隙辐射热损失Q7（单位：kJ/h）为：Q7=5.67 3.6 A(t1+273100)4-(t0+273100)4（7）式中 A为缝隙面积，单位：m3；为单位时间内包盖开始时间，单位：h；为角系数。国内众多专家学者以能量输入为基础，以不同钢厂钢包烘烤工艺为对象，研究如何优化钢包烘烤制度以提高烘烤效率，减少能源消耗。卢厚杨等15通过数值模拟研究了一种耦合燃烧模拟和深度学习技术的钢包烘烤优化方法优化烘烤制度，应用后结果显示升温速率和燃烧效率有所提高。解养国等16利用全氧燃烧技术，通过提高理论燃烧温度、烟气辐射能力等原理，在应用实践后结果显示能够有效提升钢包烘烤效果。某厂 1 号 110 吨钢包烘烤设备为立式钢包烘烤设备，采用转炉煤气和高炉煤气对钢包进行烘烤，燃料和空气均不预热，钢包烘烤过程能量输入为燃烧化学热。预热空气和燃料可以提高燃烧效率，在相同能量输出的情况下不预热空气和燃料则需要更多的燃料和更长的时间才能达到所需的烘烤温度。增加燃料消耗不仅导致成本增加，也会增加温室气体排放和其他环境污染。因此在不预热空气和燃料的工艺情况下，如何提升钢包烘烤过程自动化水平，并减少燃料的消耗，是钢包烘烤自动控制系统研究的关键。为了实现节省能源17，解决钢包传统运行问题，保护钢包内衬寿命、烘烤过程规范化以及减轻人工劳动负担，开发一个适合某厂工艺需求的自动化系统具有重要的现实意义。2钢包烘烤自动控制技术的研究2.1系统设计与建立钢包烘烤自动控制系统的设计涉及多个关键步骤，旨在实现钢包烘烤过程的高效自动化和智能化18，以提升烘烤效率并节约能耗。钢包烘烤自动图 1钢包烘烤原理示意图Fig.1Ladle baking principle schematic diagram 16基于节能降耗的钢包智能烘烤研究与实践 吴帅 等控制系统整体框架示意图如图 2 所示，通过设计长明火系统、自动点火系统、包内温度检测等系统实现钢包烘烤过程数据跟踪以及报警联动。其中包内温度检测系统采用耐高温的红外温度检测仪，将红外温度检测仪耐火元件安装在包盖上，温度测量范围为 4501600，并通入气体至涡流冷却器对探头进行冷却，利用耐火棉包裹，实现对包内温度的监测记录。煤气安全保障系统通过利用安装在现场的CO 浓度检测仪，当检测到周围环境 CO 浓度超出设定报警值后，系统自动切断煤气快切阀并发出声光报警，远程监控界面会自动弹窗警告。PLC 控制系统与热平衡计算模型建立通讯连接，自动读取煤气流量和空气流量数据。热平衡计算模型基于某厂钢包的实际结构参数、检测设备采集的数据、烘烤工艺以及钢包升温制度（目标温度和烘烤时间）而建立，该模型采用 Python语言编写，能够自动计算大、中和小火阶段的输出项，并根据热平衡（输入等于输出）和煤气类型（低位发热值）计算煤气流量。在自动烘烤模式下，该模型根据不同类型的钢包和煤气类型，在不同的升温阶段自动计算煤气流量。同时，系统根据煤气流量和提前预设空气过剩系数自动确定相应空气流量，并自动将这些数据传输至 PLC控制系统。通过建立 MySQL 烘烤数据库以便存储钢包烘烤运行期间所产生的各类数据。该数据库可实时获取并保存关键信息，包括钢包温度、流量、压力、报警记录等，除了实时数据，数据库还具备历史数据追溯功能。历史数据表的主要目的是记录每个包次的关键烘烤数据，便于操作人员能够查询和统计分析过往包次的烘烤信息。远程数据监控减少了操作人员需要直接接触高温或潜在危险环境的需求，从而提高了工作场所的安全性。远程监控界面则是通过读取 MySQL 数据库中的烘烤实时数据来构建，并设置相应报警弹窗，能够远程提醒工人烘烤现场可能出现的问题，以便他们及时到场处理。此外，监控界面还支持数据导出功能，并提供可视化图表，方便操作人员导出各个包次历史烘烤数据进行分析，这样的分析可优化后续的烘烤过程，节约能源，为整个系统的高效运行提供数据支撑。2.2系统控制原理PLC 控制系统包含开关、稳压电源、S7-1200 PLC、IO 模块、通讯模块、触摸屏等组件，实现模型软件与包内温度、煤气和空气流量数据的互联和反馈操作。为了精确控制流量大小，钢包烘烤自动控制技术以数据采集技术为基础，PID 控制原理算法和闭环控制思路为核心19，使用 S7-1200 PLC 建立钢包烘烤自动控制系统，并与 MySQL 烘烤数据库建立通讯连接，实现烘烤实时数据的传输和存储。钢包烘烤自动控制系统基本架构如图 3所示。半自动模式通过触摸屏参数设置界面提前设定大、中和小火煤气阀门和空气阀门开度以及烘烤时间，实现半自动烘烤；自动模式下自动接收热平衡计算模型传输的煤气流量和空气流量数据，PLC 控制系统根据逻辑规则运算，自动调整煤气阀门和空气阀门开度大小，并提供相应的图表界面和监控界面。钢包烘烤自动控制系统所涉及的主要自动控制理论为 PID（比例-积分-微分）控制20算法，常用的PID 算法在工业生产技术中积累了丰富的经验，并能够解决工业中大部分控制问题21-22。PID 控制系统原理框图如图 4所示。其控制规律为：u(t)=Kp e(t)+1Ti0te(t)dt+Tdde(t)dt（8）式中 t为时间；e(t)=r(t)-y(t)，r(t)为流量给定值，y(t)为系统实际输出值；Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。PID控制器的传递函数为：G(S)=U(S)E(S)=KP 1+1TiS+TdS（9）采用传统模拟 PID 控制器组成的控制系统也逐渐被数字化的计算机控制系统所取代23，为了让计算机进行连续控制，对式（8）进行离散化处理。在位置式 PID 算法中，控制器的输出是基于偏差的累积值来计算的，这种算法适合于那些需要精确位置控制的系统。其中积分项近似为：图 2钢包烘烤整体框架示意图Fig.2Ladle baking overall framework diagram 170te(t)dt Ti=0ke(i)(10)微分项为：de(t)dte(k)-e(k-1)T(11)将式（10），（11）代入式（8）可得：u(k)=Kpe(k)+TTii=0ke(i)+Tde(k)-e(k-1)T(12)式中 k为采样序号；u(k)为第k次采样时刻的计算机输出值；e(k)为第 k 次采样时刻输入的偏差值；e(k-1)为第k-1次采样时刻输入的偏差值。将 积 分 系 数Ki=KpT/Ti、微 分 系 数Kd=KpTd/T代入式（12），并简化得：u(k)=Kpe(k)+Kii=0ke(i)+Kd e(k)-e(k-1)(13)增量式 PID控制算法为：u(k-1)=Kpe(k-1)+Kii=0k-1e(i)+Kd e(k-1)-e(k-2)(14)u(k)=u(k)-u(k-1)(15)将式（14）代入式（15）可得增量式差分方程为：u(k)=Kpe(k)+Kie(k)+Kde(k)-e(k-1)+e(k-2)(16)增量式 PID 控制算法是对偏差增量进行处理，然后输出控制量的增量，即执行机构位置的增量24。2.3系统功能设计与实现一个直观的用户界面可以帮助操作人员轻松管理和监控烘烤过程，即使是非专业人员也能快速学会操作和解读系统信息。上位机软件设计采用西门子 公 司 TIA Portal V17 软 件 进 行 开 发，通 过SIMATIC WINCC（TIA Portal）组态软件的设计，实现钢包烘烤过程组态可视化，并实现对系统的控制及各类操作等功能，使得现场操作人员直观方便地对系统进行过程数据监视与控制。触摸屏主要画面设计如图 5所示。监控页面显示钢包烘烤过程各项数据，报警指示灯可监测煤气压力异常、通讯中断等故障，并根据数据异常自动判断煤气管道漏气、熄火、风机过载以及煤气浓度异常等情况并发出相应报警；烘烤趋势页面设计钢包烘烤过程实时温度曲线、流量曲线和压力曲线；参数设置页面设计包括低压延时报警、低压报警值、浓度报警值等相关报警参数设置；另外设计半自动模式下不同钢包类型分别在大、中、小火运行状态下空气阀门和煤气阀门开度设置。作为系统的核心组成部分，下位机负责数据采集、控制信号输出、实时监控和故障诊断处理，以及与上位机的通信。下位机软件设计采用西门子公司的 TIA Portal V17 软件，主要使用梯形图语言进行编译，实现温度、压力、流量、阀门开度、煤气浓度等图 3钢包烘烤模型自动控制系统基本架构Fig.3Basic architecture of intelligent ladle baking system图 4PID控制系统原理框图Fig.4Principle block diagram of PID control system 18基于节能降耗的钢包智能烘烤研究与实践 吴帅 等模拟量的采集，以及煤气流量调节阀和空气流量调节阀的输出。检测装置采集钢包温度、流量、阀门开度、压力等数据后，将信号送至上位机和下位机PLC，上位机对流量、压力、温度以及煤气浓度进行实时监控，一旦出现煤气泄漏、煤气熄火和煤气欠压等故障自动触发报警，触摸屏和远程数据监控界面自动弹窗报警，现场闪烁红灯，提醒工人及时到场处理，直至恢复正常。操作人员在触摸屏上手动选择钢包类型和煤气类型，并点击开始烘烤。热平衡计算模型收到自动烘烤开始指令后，根据钢包类型和煤气类型以开始烘烤时间为基准，自动下达后续阶段煤气流量给定值。下位机主要控制流程如图 6 所示。开始烘烤后，PLC 先将输入的模拟量信号经过 A/D 转换得到实际值，再与给定的流量值进行比较，由数字 PID 算法计算实际值与给定值的偏差值，再经过D/A转换调整 相 应 阀 门 开 度，实 现 对 阀 门 的 控 制。利 用“NORM_X”和“SCALE_X”来转换采集设备的电压、电流信号的模拟量值，模拟量输入、输出计算式为：Ov=(Osh-Osl)(lv-lsl)/(lsh-lsl)+Osl(17)Lc=(Osv-Osl)(lch-lcl)/(Osh-Osl)+lcl(18)式中 Ov为输出工程值；Osh为工程值上限；Osl为工程值下限；lsh为模拟量信号转换后上限；lsl为模拟量信号转换后下限；lv为输入的模拟量信号值。Lc为测量输出值；Osv为输入的工程值信号；lch为测量输出值上限；lcl为测量输出值下限；Osh为工程值上限。图 5触摸屏主要画面设计Fig.5Main screen design of touch screen图 6下位机主要控制流程Fig.6The main control flow of the lower computer 193钢包烘烤自动控制系统工业试验及分析设备及系统安装完成后，并设定报警参数，在满足条件的情况下对系统进行线上测试。某日钢包即将烘烤结束时，对煤气瞬时流量进行100 s测试。煤气瞬时流量测试结果如图7所示，0 s时煤气瞬时流量为779 m3/h，此时上位机给定煤气流量为300 m3/h，PLC控制系统收到上位机给定煤气流量后，通过调整煤气阀门开度大小，煤气瞬时流量逐渐向 300 m3/h靠近，60 s后稳定在310 m3/h左右，达到预期测试效果。本文以大修包为试验对象，采集自动模式开始前一炉数据作为原手动模式对照，根据升温制度，以开启鼓风机（大火阶段）为时间节点，分别截取 7 h手动模式数据和自动模式下温度、煤气流量和空气流量等数据。原手动模式曲线如图 8（a）所示，自动模式曲线如图 8（b）所示。由图可知原手动控制模式下煤气流量波动较大，且升温速率较低。原手动模式下工人只能依赖人工经验去调节煤气流量和空气流量，导致空气过剩系数过低，加大了不完全燃烧热损失，最终钢包热效率并未得到提高。具体对比如表1所示，自动模式较原手动模式增大了空气过剩系数，自动模式下平均升温速率较原手动模式提升45.3%，并且累计消耗煤气流量降低10.9%。4结 论在钢包烘烤节能降耗的研究与实践中，取得了以下成果和结论：（1）钢包烘烤自动控制系统建立与 MySQL 数据库的通讯连接，自动读取计算模型流量数据，利用PID 控制原理和闭环控制策略实现煤气量大小的自动调节；通过开发相关界面并设置报警参数，实现实时数据远程跟踪和报警联动。（2）对系统进行线上测试，达到预期测试效果。使用自动控制系统后，自动模式下平均升温速率较原手动模式提升 45.3%，并且累计消耗煤气流量降低了10.9%。本系统适用于该厂烘烤模式，提高了烘烤效率，减少能源消耗，对生产有一定的指导意义。本文的研究工作主要是基于某厂的具体条件和要求，后续将测试不同空燃比升温效果，以确保系统在实际环境中的可靠性和有效性，进一步探讨如何减少能源的消耗；对于该厂其他烘烤设备，本系统所采用的烘烤模式和自动采集的烘烤过程数据可为优化该厂其他钢包烘烤制度提供数据支撑。图 8手动、自动模式曲线对比Fig.8Comparison of manual and automatic mode curves表 1手动模式和自动模式数据对比（此表转 90度）Tab.1Comparison of manual mode and automatic mode空气过剩系数温度范围/平均升温速率/（h1）煤气平均流量/（mh1）累计消耗煤气量/m累计消耗空气量/m自动控制0.85678.25973.0542.11150088705094手动控制0.54828.3ce989.5223.03168699584429图 7煤气流量测试Fig.7Gas flow test（下转第 27页）20高硅钢不同脱氧工艺下精炼渣系控制 弓涛 等夹杂物演变规律 J.钢铁，2015，50（8）：34-38.13 岳尔斌，李娜.稀土铈对 2.9%Si无取向硅钢磁性能的影响 J.钢铁，2014，49（12）：65-70.14 吕学钧，张峰，陈晓，等.锰含量对无取向硅钢夹杂物析出 的 影 响 在 线 观 察J.钢 铁 钒 钛，2015，36（2）：95-101.15 Jenkins K，Lindenmo M.Precipitates in electrical steelsJ.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2008，320（20）：2423-2429.16 Kurosaki Y，Shiozaki M，Higashine K，et al.Effect of oxide shape on magnetic properties of 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