本钢2300线加热炉自动化烧钢系统改进.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：胡小兵（1982），男，湖北黄石人，2004 年毕业于东北大学，热能与动力工程专业，学士学位，高级工程师,研究方向为热能与动力工程。-188-本钢 2300 线加热炉自动化烧钢系统改进 胡小兵 本钢板材股份公司热轧厂，辽宁 本溪 117000 摘要：摘要：本文根据本钢热连轧厂 2300 线加热炉自动化烧钢系统的应用发展变化，分析原设计的自动化烧钢随着生产的发展得不到操作人员认可进而投入应用的原因，结合现场实际对自动化烧钢系统进行相应的改进，增加各项符合生产实际的小功能，满足生产的需要，从而在生产情况下更好的体验自动化烧钢对加热炉生产安全、降耗及减少烧损的积极作用。关键词：关键词：自动化烧钢；改进；降耗 中图分类号：中图分类号：TF777 1 概述 有经验的优秀操作人员可以利用现有的条件，根据炉膛温度变化、生产节奏变化，加热钢种的变化及趋势对风量、煤气量进行调整，直至临近最佳点，这个过程是人工“自寻优”过程，由于工况的频繁波动，此外炉内燃烧状态受煤气热值波动、流量计量误差、阀门开度误差、气体泄漏、排烟速度等因素影响而发生偏离，人工操作是无法实现加热炉处于最佳燃烧状态的，目前国内大多数热轧加热炉都采用智能烧钢，既可以减少人力投入，又可以减少煤气消耗及降低加热炉氧化烧损，本钢 2300 线加热炉于 2008 年建成投产，投产初期就是二级自动烧钢，但随着使用年限的增加，操作人员逐渐放弃使用自动烧钢，改用手动烧钢。2 不使用自动烧钢的原因 2.1 加热炉燃烧设备及附属设备的影响 本钢 2300 线加热炉为空气单蓄热步进梁式加热炉，采用了组合蓄热的供热方式；水梁立柱采用汽化冷却、双层绝热包扎。使用高焦转三混煤气，设计热值 1800 大卡，由专门的煤气加压站供气，加压站配有热值仪，加热炉炉尾有残氧仪，两者主要指导自动烧钢的空燃比控制，确保炉膛气氛控制在合理范围内，由于设备维护不周投入不足，热值仪及残氧仪在使用几年后就损坏不能使用，操作人员按固定空燃比、手动调节各段空气过剩系数来调节炉内气氛。炉内气氛控制精准度下降；蓄热烧嘴的换向阀分为空气换向阀、煤气换向阀、烟气换向阀，本钢 2300 线加热炉换向阀的换向周期是40s,频繁的换向、高温、粉尘、煤气杂质的侵蚀，换向阀出现破损、开关不到位、漏流扥问题，不及时修复或更换会导致换向前后空煤气流量波动大、实际进入炉内空煤气与显示不符、空煤气串入烟气管道爆炸或者烧坏烟气管等问题，进一步使得炉内气氛控制困难，需要通过不断手动调节观察炉温变化情况判断合适的空燃比，自动烧钢在热值固定情况下空燃比是固定的，在显示空燃比失真及换向前后空燃比变化的情况下调节很难适应生产的需求，造成大量煤气不完全燃烧，威胁人身及设备运行安全。2.2 计划排产的影响 自动化烧钢控制的都是整段的温度，根据各段长度及坯料宽窄的不同，每段内一般有 6-8 块钢坯，当这几块钢出炉目标温度偏差较大时一般默认按最高温度要求烧钢，随着生产的进行，新进钢坯出炉目标温度与原段内钢坯存在较大偏差，又或者冷热料混装或者衔接时，由于出炉温度存在偏差，需要不断进行温度修正，原自动烧钢系统不具备提前判断功能且调节相对比较慢，每两分钟根据炉温及坯料情况计算一次预计温度，同时进行判断提温还是降温，经常造成钢出炉温度不够或者超温较多的问题，对现场生产造成影响。2.3 模型自身的影响 旧的自动烧钢系统是 2008 年建厂时设计的，主要根据入炉坯料入炉温度、出炉目标温度、假设的生产节奏设定各段炉温，当各段实际温度未达到、生产节中国科技期刊数据库 工业 A 奏有变化、坯料出炉温度有变化时通过炉温人工修正进行调整，调节手段单一且依耐性强，满足不了多钢种、快节奏生产需要。随着生产的发展，2300 线钢种及规格不断拓展，原有模型内钢种数据库没有及时跟新，需要操作人员对数据库内容不断进行更新，每次进行温度修正后不具备记忆功能，需要反复进行修正。计算温度不够准确，同一个出炉温度出粗轧反馈温度偏差较大，除轧制道次、除磷水投入影响外，主要是不同钢种合金成份不同导热系数、辐射系数有差别，原有系统在这方面考虑较少。生产节奏的不同、小时出钢量的不同、不同出炉温度需求的不同需要的热负荷不同，相应空煤气的投入量及增减速度应该是变化的，否则会对生产节奏带来影响，原有的自动烧钢系统升温速率是固定的，在无法实现快速升降温。3 自动化烧钢的改进 为了减少人工操作带来的差异性，提高加热质量，减少煤气消耗及降低氧化烧损，在外部技术人员的支持下，本钢 2300 线生产、电气、二级技术人员对自动化烧钢系统进行了改进。实现自动化烧钢首先要解决两个问题：一是合理的目标升温曲线的产生；二是温度场模型的计算精度。首先，对应不同钢种和规格的钢坯，需要一条与工艺目的相符的目标升温曲线，而这条目标升温曲线必须具备两个基本特征：合理性和扩展性。合理性直接关系到控制策略是否可执行，扩展性则是为了满足目标升温曲线的优化和丰富。为此自动化烧钢系统配置了专门的工程师站，依靠成熟的温度场模型对当前使用的加热制度进行目标升温曲线逆向匹配，使其既满足合理性要求，又同时可以通过人机交互式对目标曲线进行扩展和优化。温度场模型精度一直是困扰加热炉优化控制应用重要障碍之一，尤其是最终用户，对基于温度场建立的控制策略存在很大的疑虑。尽管“黑匣子”测试可以解决部分精度问题，但很多情况并不具备做大规模的这种测试，因此，消除模型精度可能对控制策略的影响是加热炉过程控制设计的难题。通过研究发现，尽管温度场模型可能存在某些计算偏差，但由于偏差主要是表面换热系数导致，且表面换热系数与炉体结构相关，一旦加热炉投入使用，其结构可以在短时间内视为不变，因此温度场模型偏差具备一定的单向性，即偏差方向固定，或正向或反向。基于这一特征，自主控制系统在设计上采用“同模型消差法”消除模型偏差对控制策略实现的影响。所谓“同模型消差法”，就是用相同参数的温度场模型分别计算目标升温曲线和实时钢坯温度，这样，两者之差将不再受模型计算精度的影响，从而准确描述当前钢坯温度存在的偏差。为了优化系统结构，自动化烧钢系统在设计上提出了一个中间状态变量炉段加热状态，用于描述整个炉段中的钢坯加热状态。加热状态分为静态和修正态两种。静态是可控温炉段钢坯温度偏差（又称目标偏差）的映射值，其中，目标温差是所在可控温炉段内每个钢坯当前温度与目标温度之差的加权平均值。而修正态则是在静态值基础上的修正值，修正依据是补充加热制度，即在不同工况下的特殊炉温要求。实现加热炉自动化烧钢的另一个重要内容是设定炉温的实现。在传统的控制策略中，双交叉限幅控制是被广泛采用的控制技术，且取得了一定的应用成果。但是，该项技术对设备，尤其是流量计精度的要求很高，在国内使用混合煤气的生产环境，由于煤气质量问题，流量计的完好率存在一定问题，因此很多加热炉即使建立了基于双交叉限幅控制技术的炉温控制系统，也无法实现设计目标，还不得不依靠人工干预手段调节炉温。为了保证炉温控制的有效性，自主控制系统建立了多种途径的智能控制策略，即充分利用现有设备条件，使用智能控制技术，模拟人工操作时的思维逻辑和操作方法，实现炉温有效控制。通过大数据分析，挖掘影响控制精度、板坯加热温度均匀性等的关键因素，并进行自动优化控制，新系统能够自动适应多种生产状况，通过优化控制钢坯的升温过程，可以精确控制钢坯的出炉温度和均匀度，实现大数据模型与加热炉控制系统的集成，除基础温度跟踪、炉温设定、数据报表、温度控制及模拟计算功能外，根据产线实际增加了多个性化功能.3.1 出炉目标温度更新及提示 根据各钢种出炉温度的不同，制定了各钢种在规格、宽窄不同时的出炉目标温度表导入系统，自动识别，系统根据炉前温度监测装置判断当前装炉钢坯是否为热装钢坯，当钢坯完成装炉后，自主控制系统将根据炉前钢坯温度检测结果，为入炉钢坯创建初始温189中国科技期刊数据库 工业 A 度场。为了减少操作员频繁操作，我们制定了设定工艺温度自动覆盖功能，在操作员第一次修改目标温度后，第二次遇到此钢种时按修改后工艺执行。针对数据库里没有的钢种，自动设定为 1200并在烧钢画面坯料模拟画面变色进行提示，操作员及时根据工艺要求进行温度修改，技术管理人员后续将钢种及工艺温度要求导入数据表。3.2 动态升降温速度 实现加热炉的智能控制，其核心本质是实现科学合理地及时调整各段炉膛温度，因此某些关键的工况信息必须获取，而这些信息不是单个信号，而是多个信号和数据组合形成的一种模糊状态和工况，包括出钢节奏、停炉换辊状态、板坯品规更换等信息，特别是出钢节奏、品规交替、停炉换辊状态比较重要。一方面，根据出钢节奏设定，直接获取当前的出钢节奏；另一方面，在板坯入炉时，根据轧制产品规格，预测轧制节奏，同时参考当前炉内板坯的在炉时间，预测出钢节奏。根据炉内板坯规格、钢种、批次切换情况，按照特殊排产规律感知换辊坯；按照装炉时间间隔和在炉时间变化的跳跃情况，感知停炉坯。从物料跟踪里的获取板坯位置，根据当前板坯的出钢节奏，预测各板坯剩余在炉/在段时间；加热炉实现智能生产的关键是能够对生产计划变动、工况节奏变动、炉况变动等信息智能感知，通过炉况工况感知模型，可分析评估和判断得当前生产出所处的操作类型、工艺模式等对加热操作具有较大的影响的因子参数，并传递给智能烧钢专家控制模型进行针对性的炉温设定。为适应钢种变化、生产节奏变化，对自动升降温速度进行了改变，由单一升降温速度改为多种升降温速度，并创新利用立柱模型显示目标温度与计算温度的差异，代替传统的数据表式，当钢坯计算温度与目标温度差异大于 50时，空煤气增减量速度最快，以便于快速提温，差异在 20-50时中速增减量、低于20时低速增减量。3.3 重点钢种标记 由于本钢 2300 线产品品种规格多样，每个周期钢种、规格；量都比较大，温度要求差异也比较多，为满足部分重点产品生产要求，除一般二级自动化烧钢默认的最高出炉温度选择要求外，设立重点钢种标记功能，一旦设立重点钢种标记，此段温度控制以重点钢种温度要求为主，保证重点钢种的生产。此功能能够适应多种生产状况，通过优化控制钢坯的升温过程，可以精确控制钢坯的出炉温度和均匀度，在提高产品质量及产量的前提下，降低能耗、减少氧化烧损。3.4 换辊标记功能 人工给换辊前导料加上标记后系统默认此钢种出炉前加热炉会停止出钢 12min，且换辊时间可以人工输入修改，换辊之后的坯料系统会根据换辊时间及默认的溜辊制度对所在各段温度同步进行优化，避免换辊时炉内钢坯超温。结合换辊时间预测钢坯剩余在炉时间、钢坯规格、当前炉温、钢坯当前温度等，计算出钢坯的预测出炉温度，可有效避免换辊后坯料出现加热温度过高或过急的情况，在整体煤气不足时也可优化煤气投入，保证当前生产的节奏和钢坯要求温度，利用换辊时间补偿换辊后钢坯加热的不足。3.5 炉间差自动修正功能 在轧制过程中，如果每个炉子出炉钢坯温度相同或高度相近，对轧制模型的调整和适应是有利的，如果各炉间温度偏差较大，每一次轧制模型都需要进行相应的调整，对产品质量、轧制稳定性都会带来严重的不良影响，为此在本次烧钢模型优化时，针对不同炉子之间存在钢坯温度差异的问题，设计了通过数据反馈、历史数据对比，自动进行修正功能，使不同加热炉之间的出炉温度偏差控制在 10以内。4 改进后效果 在对自动化烧钢系统改进后，经过两个多月的跟踪，确认稳定后组织了功能测试，在投入新的自动化烧钢后，同比其它加热炉的手动操作，以及改进前与其它加热炉煤气消耗及烧损情况进行了三次测试，每次测试都选择大换辊后的第三天开始，每次测试持续五天，利用五天数据量来减少热装率不同、品种规格不同、出炉温度不同对消耗的影响，煤气消耗三次平均同比降低 4.58%，其中加热炉高负荷状态下下降幅度为 2.44%，烧损测试三次，平均降低 7.3%，取得较好的效果。5 结语 自动化烧钢通过燃烧状态检测、动态寻优、优化190中国科技期刊数据库 工业 A 调整等等方式可以提高最佳燃烧状态命中率，或者说可以将操作员较好的操作用自动的方式实现且可以长期保持，能够使加热质量保持稳定，减少人员操作习惯带来的不良影响，同时及时的减量及良好的炉内气氛控制能够有效降低煤气消耗及减少氧化烧损，自动化烧钢是实现加热炉降耗的重要手段之一，同时自动化烧钢的改进需要结合产线自身特点进行个性化的优化，满足操作人员及产线生产的需求，才能取得良好的应用效果。参考文献 1王长军.轧钢工艺的节能技术分析.江苏科技信息,2019,(29):38-40.2金君.轧钢节能加热炉电气控制系统设计与分析.机电信息,2013,(27):154-155.3沙斌.我国轧钢工艺的节能方向及途径探究J.冶金与材料,2022,42(4):158-159.191