加熱爐自動(dòng)燒鋼控制系統(tǒng)研究

杭州鋼鐵集團(tuán)公司 李 燁

軋鋼加熱爐控制的主要任務(wù)是：保證爐內(nèi)具有良好的加熱條件，以滿足鋼材的加熱要求。然而，由于爐內(nèi)鋼坯溫度分布的不均勻、不可檢測性和多擾動(dòng)、時(shí)變非線性等特性，使得加熱爐溫控制成為鋼鐵生產(chǎn)的“瓶頸”。1982年4月中旬，冶金工業(yè)部能源辦在武漢市召開了全國軋鋼加熱爐節(jié)能會(huì)議。會(huì)議總結(jié)了近年來軋鋼加熱爐發(fā)展以來的成績和經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)對(duì)于某些先進(jìn)加熱爐進(jìn)行了獎(jiǎng)勵(lì)，明確了我國軋鋼加熱爐未來的發(fā)展方向，對(duì)進(jìn)一步研究節(jié)能加熱爐起到了巨大的推動(dòng)作用[1]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益發(fā)展，實(shí)現(xiàn)和提高工業(yè)過程的自動(dòng)化程度有著極其重要的現(xiàn)實(shí)意義與廣闊的應(yīng)用前景[2]。鋼鐵工業(yè)是工業(yè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，軋鋼生產(chǎn)是鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，軋鋼生產(chǎn)中燃料消耗主要以加熱爐為最多。隨著加熱爐生產(chǎn)工藝的不斷完善和自動(dòng)控制水平的不斷提高，深入研究軋鋼加熱爐熱過程數(shù)學(xué)模型及應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化加熱控制，不論從軋鋼生產(chǎn)過程節(jié)能降耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量方面看，還是從軋鋼加熱爐在鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)中的地位看，都有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和推廣價(jià)值。

圖1 串級(jí)比值控制系統(tǒng)

圖2 理論空氣過剩系數(shù)與負(fù)荷的關(guān)系

圖3 生產(chǎn)率前饋復(fù)合控制系統(tǒng)

圖4 爐溫控制系統(tǒng)

1.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在70年代前，國際上在加熱爐自動(dòng)控制的研究方面，主要集中在燃燒控制上。而70年代后，燃燒控制已趨于成熟，研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到以追求加熱爐某種性能指標(biāo)的優(yōu)化控制方面，這時(shí)加熱爐數(shù)學(xué)模型被廣泛地應(yīng)用到計(jì)算機(jī)控制上。歐美、前蘇聯(lián)、日本等相繼開發(fā)了鋼坯位置跟蹤、鋼坯溫度跟蹤、裝出爐自動(dòng)化控制、終軋溫度控制等加熱爐優(yōu)化加熱控制系統(tǒng)。近年來，一些帶有整個(gè)生產(chǎn)線物料跟蹤的高度自動(dòng)化的加熱爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究和實(shí)踐也已逐漸深入和提高，標(biāo)志著加熱爐控制已經(jīng)進(jìn)人自動(dòng)控制的第三個(gè)層次水平。

瑞典ABB公司與荷蘭鋼鐵公司研究部門合作，成功研制了帶鋼熱軋機(jī)使用的在線過程模型[3]。這些模型對(duì)帶鋼熱軋機(jī)所需要的各種控制功能，執(zhí)行預(yù)設(shè)定和優(yōu)化控制，其中包括板坯加熱最佳加熱曲線的計(jì)算和燃燒控制計(jì)算及優(yōu)化控制。

用過程模型確定氧化層表面的實(shí)際溫度，用離線靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模型仿真推導(dǎo)出對(duì)所有可用板坯確定最佳加熱曲線。測量粗軋機(jī)的出口溫度，對(duì)爐子的每個(gè)區(qū)段進(jìn)行反饋，然后將反饋值換算成出爐溫度。此加熱爐在線控制過程已成功地應(yīng)用于瑞典的DOMNRVET廠，加熱爐實(shí)行計(jì)算機(jī)分機(jī)控制后，燃料節(jié)約6.1%。

美國LUKENS鋼鐵公司經(jīng)過多年的研究，成功地設(shè)計(jì)了一套加熱爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要有加熱爐、計(jì)算機(jī)、軋機(jī)等系統(tǒng)組成。計(jì)算機(jī)采用MICRO、DEC監(jiān)控兩個(gè)爐子的加熱過程。第一級(jí)控制系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)加熱爐各個(gè)區(qū)的空燃比、熱風(fēng)放散和爐壓等控制，并實(shí)現(xiàn)包括燃料選擇在內(nèi)的全部邏輯功能。為精確地得到加熱爐的溫度曲線，每個(gè)爐子沿長度方向安裝九根熱電偶進(jìn)行溫度測量。第二級(jí)級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)投入運(yùn)行后，在節(jié)能、高產(chǎn)、高質(zhì)量等方面均取得了較好的效果。

由于我國計(jì)算機(jī)技術(shù)研究起步相比發(fā)達(dá)國較晚，80年代初期才開始對(duì)加熱爐生產(chǎn)過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的研究，雖然起步較晚，但目前在控制理論和關(guān)鍵技術(shù)方面的開發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)接近先進(jìn)國家。我國軋鋼企業(yè)配置計(jì)算機(jī)控制的加熱爐逐漸增多，并進(jìn)行了不同程度的控制，由于各自的控制內(nèi)容和使用情況不同，所到得的效果也不盡相同。但多數(shù)處于燃燒控制水平，實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化控制還不多，能夠劃歸到第三層次的僅有武鋼和寶鋼熱軋廠這樣的先進(jìn)企業(yè)，可是其功能尚不夠完備，要達(dá)到系統(tǒng)優(yōu)化的控制目標(biāo)還需不斷改進(jìn)和完善。

2.加熱爐溫控制系統(tǒng)

隨著冶金生產(chǎn)技術(shù)和工藝設(shè)備的不斷發(fā)展，以及微型電子計(jì)算機(jī)和可編程控制器的出現(xiàn)，工業(yè)爐窯的計(jì)算機(jī)控制也獲得了日益廣泛的應(yīng)用，借助于現(xiàn)代控制理論的指導(dǎo)，向著過程和系統(tǒng)優(yōu)化控制的方向迅速發(fā)展。從發(fā)展順序和控制水平兩個(gè)方面進(jìn)行歸納總結(jié)，加熱爐的計(jì)算機(jī)控制大體上可以劃分為如下三個(gè)層次[4]：

(1)以提高燃料利用率、維持合理空燃比為目的，實(shí)現(xiàn)燃燒過程的基礎(chǔ)自動(dòng)化控制，即以爐溫為控制對(duì)象的DDC級(jí)控制；

(2)以優(yōu)化鋼坯加熱過程本身為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)爐溫或者燃耗量的過程自動(dòng)控制，即以鋼溫為控制對(duì)象的SPC級(jí)控制；

(3)在前后工序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，以協(xié)調(diào)優(yōu)化整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)加熱段的計(jì)算機(jī)自動(dòng)化調(diào)度管理，即以全系統(tǒng)最優(yōu)為控制對(duì)象的SCC級(jí)控制。

目前常用的爐溫控制系統(tǒng)是采用串級(jí)比值控制的原理，原理圖見圖1。串級(jí)比值控制是爐溫控制最為基本的控制方法，也是一種目前現(xiàn)場使用最多的方法。它具有可克服煤氣、空氣壓力波動(dòng)，保證空燃比，方案簡單易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

為了對(duì)空燃比控制更加精細(xì)，出現(xiàn)了帶有雙交叉限幅的串級(jí)比值控制方法。其優(yōu)點(diǎn)是有效控制了動(dòng)態(tài)空燃比，缺點(diǎn)是限幅犧牲了系統(tǒng)跟蹤負(fù)荷變化的速度，降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。因此它僅在溫度調(diào)整范圍較小、速度不快的熱段控制時(shí)有使用實(shí)例。為了進(jìn)一步提高響應(yīng)速度，改進(jìn)型雙交叉方法還將限幅系數(shù)設(shè)為可根據(jù)溫度偏差自動(dòng)修正，以便在溫度偏差較大時(shí)減弱或取消限幅功能。在改進(jìn)的爐溫控制系統(tǒng)中，理論空氣過剩率與燒嘴負(fù)荷之間的關(guān)系見圖2。

從圖中可以看出，隨著生產(chǎn)負(fù)荷的變化，理論空氣過剩系數(shù)(n)也應(yīng)隨之變化。這種變化的空氣過剩系數(shù)修正策略對(duì)提高燃燒效率、降低氧化燒損有益。

鑒于溫度對(duì)象的大滯后，僅靠常規(guī)串級(jí)比值控制來調(diào)整必然響應(yīng)速度慢、超調(diào)量大。通過供熱需求分析可知，燃料的消耗量與生產(chǎn)能力(生產(chǎn)率)之間基本上呈線性關(guān)系，生產(chǎn)率變化時(shí)，在溫度波動(dòng)前，直接作用流量改變。這種生產(chǎn)率的前饋控制可起到針對(duì)生產(chǎn)節(jié)奏波動(dòng)的提前修正作用，從而提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，見圖3所示。

綜上所示，改進(jìn)型雙交叉限幅控制系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的串級(jí)比值控制系統(tǒng)，在控制法和控制效果上具有更為明顯的優(yōu)勢，其控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度得到大大提高，原理見圖4。

3.結(jié)論

加熱爐控制系統(tǒng)提高了整個(gè)爐區(qū)的自動(dòng)化水平，提高了板坯的加熱質(zhì)量，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，并為計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)提供了必需的信息來源。如果沒有加熱爐過程控制系統(tǒng)，則加熱爐區(qū)的生產(chǎn)方式就回到了傳統(tǒng)的手工控制狀態(tài)，不利于提高板坯的加熱質(zhì)量和節(jié)能，更談不上板坯的信息化控制。因此采用該燃燒控制系統(tǒng)對(duì)于節(jié)能、環(huán)保，提高鋼坯加熱質(zhì)量等均有明顯的效果。

[1]郭延杰.關(guān)于軋鋼加熱爐升級(jí)評(píng)比活動(dòng)的改進(jìn)建議[J].工業(yè)爐,1982,06:46-49.

[2]溫治.軋鋼加熱爐計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J].金屬世界,2002,2:18-19.

[3]王繼烈,范功友.軋鋼加熱爐計(jì)算機(jī)控制的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].山東冶金,1995,17(2):11-13.

[4]梁軍,呂勇哉.軋鋼加熱爐混合智能控制系統(tǒng)[J].鋼鐵,1996,31:113-117.

[5]張艷偉,雷慧杰.軋鋼加熱爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].甘肅冶金,2009,31(2):87-89.