步進(jìn)式加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

劉大勇，魏 鋒

南京鋼鐵聯(lián)合有限公司中厚板卷廠，江蘇 南京 210035

目前，鋼鐵已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航空航天、國防等各個領(lǐng)域，它是每個國家國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)原料，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有相當(dāng)重要的地位。另外，隨著世界能源的日益消耗，人們對節(jié)能的日益關(guān)注，而加熱爐的耗能占鋼鐵工業(yè)耗能的近1/4，是鋼鐵產(chǎn)業(yè)的耗能大戶[1]。自70年代以來，各個鋼鐵企業(yè)為了節(jié)省能耗，都不斷致力于加熱爐的節(jié)能控制的研究，以便在保證鋼鐵質(zhì)量的同時，降低能耗，提高加熱爐的效率。傳統(tǒng)的加熱爐都是采用PID系統(tǒng)根據(jù)爐溫偏差及煤氣、空氣實際流量來控制，但是由于煤氣熱值突然改變時，爐溫變化比較慢，再加上步進(jìn)式加熱爐非線性、、大慣性、強(qiáng)耦合、大滯后等特點，采用PID控制方式效果就會較差。因此為了使加熱爐燃燒過程普遍存在的溫度控制精度差、鋼坯溫度波動嚴(yán)重、能耗高等問題得到有效解決，我們需要針對步進(jìn)式加熱爐設(shè)計新的溫度控制系統(tǒng)，以提高能源的利用率。

1 步進(jìn)式加熱爐的結(jié)構(gòu)

目前國內(nèi)鋼鐵企業(yè)大多采用步進(jìn)式加熱爐，它的主要作用是通過結(jié)構(gòu)上獨立的上下運動和前后運動的移動粱和固定粱的反復(fù)上升、前進(jìn)、下降的過程將鋼坯一塊一塊加熱后托出放置在爐子出料側(cè)的輥道上，然后用輥道送往軋機(jī)進(jìn)行軋制。步進(jìn)式加熱爐自裝料端至出料端可以分為預(yù)熱、加熱和均熱三段。為了提高爐內(nèi)的傳熱效果，在加熱段和均熱段之間設(shè)有壓下爐頂，在加熱段、均熱段的側(cè)面爐墻的下部還有燒嘴，這樣可以實現(xiàn)全部輻射。坯料進(jìn)入到加熱爐后，首先要經(jīng)過預(yù)熱段進(jìn)行緩慢的升溫，然后再進(jìn)入加熱段進(jìn)行加熱使鋼坯的平均溫度達(dá)到軋制溫度，最后進(jìn)入到均熱段進(jìn)行均熱，使鋼坯內(nèi)外溫度趨于一致。加熱段是三段中最重要的一段，因為加熱的程度直接決定爐口能否正常出鋼和鋼坯是否能被燒透[2]。為了使得均熱段和加熱段能迅速提溫，在這兩段中要根據(jù)實際生產(chǎn)情況配有足夠的供熱量。對步進(jìn)式加熱爐來說，最關(guān)鍵的是要嚴(yán)格控制好爐子的加熱制度，把鋼坯出爐時刻表面及斷面溫差控制在要求的范圍內(nèi)，保證熱耗低、鋼鐵燒損少、爐體壽命長和加熱質(zhì)量好。加熱爐的熱工制度主要包括：溫度制度和燃料燃燒制度等。另外，在加熱段我們需要控制升溫速度，這樣可以避免溫差過大，使鋼坯產(chǎn)生熱應(yīng)力。

2 傳統(tǒng)控制方法及存在的問題

步進(jìn)式加熱爐是用來對鋼坯進(jìn)行再加熱的生產(chǎn)設(shè)備，它能夠加熱各種形狀的鋼坯，而且生產(chǎn)能力大，不會產(chǎn)生拱料、粘連，適合不同產(chǎn)量的鋼材加熱生產(chǎn)，但是隨著計算機(jī)控制技術(shù)的普及，軋鋼技術(shù)對加熱設(shè)備的諸如加熱溫度的均勻性等要求也越來越高，各個大型企業(yè)都不斷改進(jìn)加熱爐的工藝和設(shè)備。國際上對加熱爐的優(yōu)化控制開始于70年代，目前的步進(jìn)式加熱器的諸如自動化水平和燃料節(jié)能方面的許多問題還沒有得到很好的解決。

1）傳統(tǒng)的控制一般采用計算機(jī)集散控制系統(tǒng)將復(fù)雜的體統(tǒng)分解問單變量系統(tǒng)，這樣就很難用一個集中的參數(shù)模型來精確描述。從而這使得過程機(jī)理反應(yīng)過于復(fù)雜，加熱過程的滯后，生產(chǎn)工藝指標(biāo)不能直接控制和鋼坯的表面溫度不能直接測量等問題[3]；

2）傳統(tǒng)溫度控制主要是依靠操作人員的經(jīng)驗，沒有溫度閉環(huán)控制，這就使得可能因為操作人員的的疏忽不能準(zhǔn)確地測量爐內(nèi)鋼坯的溫度，更無法對爐內(nèi)溫度做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，造成控制精確度的下降，使得鋼坯無法達(dá)到要求的生產(chǎn)目標(biāo)；

3）目前，在步進(jìn)式加熱器中主要采用多元回歸和利用分布參數(shù)理論建立了數(shù)學(xué)模型的方法對鋼坯在爐內(nèi)的升溫過程進(jìn)行計算，但是這兩種方法準(zhǔn)確性都不高，計算工作量也比較大，不能連續(xù)全面地測量爐內(nèi)鋼坯的溫度分布，這就在一定程度上降低了模型的準(zhǔn)確性，因此必須研究一種合適有效的方法對爐內(nèi)溫度進(jìn)行計算，提高剛坯的加熱質(zhì)量[4]。

3 步進(jìn)式加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 熱爐爐溫數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)是進(jìn)行建模工作的基礎(chǔ)，當(dāng)我們測量的設(shè)備和條件有限，在取得的一組數(shù)據(jù)中不可避免的會有一些不合格的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可能使得整體的優(yōu)化效果下降，我們必須采取合適的手段將有用的數(shù)據(jù)提煉出來，這時就需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除加熱爐爐溫測量中的有錯誤的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。

3.2 基于閥門開度的模糊專家控制

目前設(shè)計的模糊專家智能控制技術(shù)能夠運用模糊邏輯以及人類專家的知識對爐溫進(jìn)行實時、準(zhǔn)確的控制，它主要由包括基本控制器、專家控制的數(shù)據(jù)庫和自學(xué)習(xí)機(jī)構(gòu)構(gòu)成。這個系統(tǒng)能夠通過獲得的數(shù)據(jù)對控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行實時的檢測，從而對控制對象實行有效的控制[5]。

3.3 溫度自動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

這個系統(tǒng)主要由c語言編寫具有完成溫度的設(shè)定計算功能的一個二級系統(tǒng)和intouch編寫的監(jiān)視軟件構(gòu)成，它可以實現(xiàn)對歷史數(shù)據(jù)的保存和預(yù)測溫度的顯示，利用數(shù)學(xué)模型對步進(jìn)梁的步進(jìn)時間和加熱需要的溫度進(jìn)行設(shè)定，而且它還有預(yù)警的功能，這都能夠使鋼坯取得良好的加熱效果[6]。

4 結(jié)論

本文針對步進(jìn)式加熱爐燃燒控制過程中出現(xiàn)的一些問題提出一些新的控制方法，但是隨著世界鋼鐵企業(yè)之問的競爭日益激烈，鋼鐵行業(yè)對加熱爐的控制要求必將越來越高，我們必須針對出現(xiàn)的問題采用更先進(jìn)的控制技術(shù)對鋼坯實際出爐溫度和斷面溫差實施控制，在保證鋼坯出爐溫度和溫差合適的同時，使其能耗最小。

[1]宋明剛，樊尚春.一種高精度溫度控制的復(fù)合方法及其應(yīng)用[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2001，27(5)：560-564.

[2]Kazuo aka，Tsuyoshi Hori.An Integrated A190mhm of Fuzzy Modeling and Contr01kr Design for Nonlinear Systems.Imemational Conference on Fuzzy Systems，2008，2：887-892.

[3]王繼烈，范功友.軋鋼加熱爐計算機(jī)控制的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，山東冶金，2005，17(2)：11-13.

[4]張東波，朱建林，黃輝先.用于加熱爐的專家模糊溫度控制器.機(jī)電工程，2002，19(1)：50-56.

[5]王中杰.步進(jìn)式加熱爐優(yōu)化設(shè)定控制方法的研究[D].沈陽：東北大學(xué)自動化研究中心，2000.

[6]楊波，葛蘆生.蓄熱式加熱爐的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)燃燒控制.安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002，19(1)：50-57.