雙蓄熱板坯加熱爐自動控制技術(shù)研究

摘 要：加熱爐是熱軋產(chǎn)線重要的組成部分，直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量，尤其在當(dāng)今市場能源供應(yīng)以及環(huán)保的壓力下，如何采用新的技術(shù)進(jìn)一步節(jié)能減排，降低污染物的排放，提高加熱質(zhì)量，增強(qiáng)市場競爭力是急需研究的問題。雙蓄熱式板坯加熱爐是通過高溫?zé)煔鉄崃縼砑訜峥?煤氣燃燒氣體，從而提高燃料的燃燒溫度，經(jīng)過預(yù)熱的氣體既可以充分燃燒還能節(jié)約能源和氮氧化物的排放。本文對蓄熱式加熱爐從燃燒特點(diǎn)出發(fā)對加熱爐的爐溫控制、燃燒方式、節(jié)約能源進(jìn)行了深入研究。煤氣燒嘴的反吹掃技術(shù)，極大地降低了煙氣中一氧化碳的含量，因此加熱爐自動控制水平高低不僅關(guān)系到操作工的勞動強(qiáng)度而且直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量和生產(chǎn)消耗指標(biāo)，以及市場競爭力。

關(guān)鍵詞：自動控制;爐溫控制;節(jié)約能源

中圖分類號：TG307 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-6903（2022）02-0041-03

0引言

加熱爐系統(tǒng)主要包含以下三部分：汽化冷卻系統(tǒng)、坯料運(yùn)動系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)。本文研究的為雙蓄熱式步進(jìn)加熱爐，板坯由裝鋼輥道裝入加熱爐，板坯在裝鋼輥道上自動定位，成功后根據(jù)爐內(nèi)情況起動自動裝鋼，通過爐底步進(jìn)機(jī)械的運(yùn)動，把板坯一步步從加熱爐的裝鋼側(cè)運(yùn)到出鋼側(cè)，放置在出料輥道上，通過出爐輥道送往軋機(jī)進(jìn)行軋制。汽化冷卻系統(tǒng)采用強(qiáng)制循環(huán)泵的冷卻方式降低水梁的溫度，保證了爐底步進(jìn)機(jī)構(gòu)能維持高機(jī)械強(qiáng)度，確保安全可靠，同時將產(chǎn)生的蒸汽回收利用。降低了能耗，節(jié)約了能源。燃燒系統(tǒng)采用空煤氣雙蓄熱式高溫燃燒技術(shù)[1]。

1加熱爐坯料運(yùn)動系統(tǒng)

通過鑄坯調(diào)度系統(tǒng)，將連鑄直供或者板坯庫的板坯放到板坯輥道上，板坯上線分為天車上線、卸板臺上線、連鑄上線三種形式。上線的板坯經(jīng)過照核后由板坯輥道上運(yùn)送到裝鋼輥道上，根據(jù)板坯的模型信息自動運(yùn)到爐前進(jìn)行定位。當(dāng)爐內(nèi)有空位，滿足裝鋼條件時，自動啟動裝鋼程序，裝鋼機(jī)開始進(jìn)行推正動作，推正完成后，根據(jù)板坯的寬度執(zhí)行后退或者不后退的動作，之后裝鋼機(jī)和爐門同時進(jìn)行上升動作，上升到位后裝鋼機(jī)前進(jìn)到目標(biāo)位，然后下降把板坯放到步進(jìn)梁上，裝鋼機(jī)后退到位，爐門關(guān)閉，裝鋼完成。之后板坯由步進(jìn)梁一步步地將板坯運(yùn)到出鋼位。步進(jìn)梁的運(yùn)行軌跡如圖1所示。

步進(jìn)梁運(yùn)動分為正循環(huán)和逆循環(huán)，正循環(huán)通過上升、前進(jìn)、下降、后退的運(yùn)動把板坯向出鋼側(cè)運(yùn)動。逆循環(huán)通過前進(jìn)、上升、后退、下降將板坯向裝鋼側(cè)運(yùn)動。每個循環(huán)的行程為600 mm，周期為50 s。加熱爐步進(jìn)梁、爐門冷卻方式為水冷，步進(jìn)梁分為固定梁和活動梁，每根梁里面全是冷卻水管，每個支管上安裝有熱電阻與流量傳感器，當(dāng)循環(huán)水溫度過高或流量過低時，都會發(fā)出報(bào)警，并在監(jiān)控畫面上顯示。到位后的板坯，當(dāng)收到軋機(jī)的要鋼信號時，出鋼機(jī)將自動啟動，通過前進(jìn)、上升、后退、下降的動作把爐內(nèi)的板坯放到出鋼輥道上，然后送到軋機(jī)開始軋制。

2加熱爐的汽化系統(tǒng)

汽化冷卻系統(tǒng)控制包括軟水箱自動上水、除氧器自動上水、汽包自動上水、給水流量、蒸氣流量、循環(huán)回路流量控制，循環(huán)水泵控制，給水泵控制，軟水泵控制，除氧器液位控制和壓力控制，汽包壓力和給水壓力控制，軟水箱水箱液位控制[2]。

2.1汽包自動上水控制

汽包是壓力容器，汽包水位是保證汽包穩(wěn)定運(yùn)行的一個重要指標(biāo)，在汽包的兩側(cè)分別安裝有現(xiàn)場顯示的玻璃管連通器水位和遠(yuǎn)傳的水位顯示在畫面上。通過畫面可以選擇一側(cè)的作為自動控制汽包上水的水位，控制采有3種模式：

（1）控制方式采用雙沖量連續(xù)補(bǔ)水形式，以汽包水位為控制對象，采用蒸汽流量為前饋回路，避免水位超調(diào)。可以有效避免假水位現(xiàn)象出現(xiàn)。在手動/自動轉(zhuǎn)換過程中設(shè)置無擾動切換，避免振蕩。

（2）控制方式采用單沖量連續(xù)補(bǔ)水形式。在系統(tǒng)蒸汽流量檢測元件故障亦或汽包放散、水位小幅波動時采用此控制方式。

（3）控制方式采用啟停泵間歇補(bǔ)水形式。在熱負(fù)荷變化較大或供熱負(fù)荷較小時，采用此控制方式。此狀態(tài)難以投用雙沖量補(bǔ)水，采用此控制方式可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2汽包壓力的控制

汽包通過控制蒸汽并網(wǎng)調(diào)節(jié)閥和汽包放散閥調(diào)節(jié)汽包的壓力。當(dāng)汽包壓力高于設(shè)定上限值時，控制系統(tǒng)會自動打開蒸汽放散閥放散蒸汽，降低汽包壓力，當(dāng)汽包壓力降到安全值時，控制系統(tǒng)會自動關(guān)閉放散閥，確保安全運(yùn)行。從安全角度考慮，設(shè)置兩個蒸汽放散閥，當(dāng)其中一個故障時，不影響系統(tǒng)運(yùn)行。放散閥的開度不宜太大，以緩慢卸壓形式放散，避免引起水位劇烈波動。此控制為自動控制，只在需要手動打開放散閥時切換至手動狀態(tài)。

2.3循環(huán)水泵連鎖及控制

汽化冷卻系統(tǒng)有兩臺電機(jī)控制的強(qiáng)制循環(huán)泵，一臺柴油控制的循環(huán)泵。柴油機(jī)循環(huán)泵為停電時的備用應(yīng)急備，兩臺電動泵每周需要倒泵，一臺作為另一臺的備用泵。柴油泵每周需要運(yùn)行1 h，保證狀態(tài)正常。

在循環(huán)水泵的進(jìn)水和出水之間安有壓差檢測傳感器，壓差低于設(shè)定壓差值時，啟動備用電動循環(huán)水泵，當(dāng)備用泵起來后，壓差和流量還低于設(shè)定值時，將連鎖停爐。

兩臺電動循環(huán)泵互為熱備，當(dāng)其中一臺故障時，自動啟動另一臺泵。當(dāng)兩臺電動循環(huán)泵都無法啟動時，自動啟動柴油循環(huán)泵。

2.4給水泵連鎖及控制

汽化冷卻系統(tǒng)有兩臺電機(jī)控制的給水泵，一臺柴油控制的給水泵。柴油機(jī)給水泵為停電時的備用應(yīng)急備。每臺給水泵經(jīng)給水調(diào)節(jié)閥將除氧器的軟水送至汽包。正常情況下兩臺電動給水泵互為熱備，當(dāng)其中一臺故障時，自動啟動另一臺泵。當(dāng)兩臺電動給水泵都無法啟動時，自動啟動柴油循環(huán)泵來確保汽包水位正常。

2.5軟水箱液位檢測及控制

軟水箱是儲水容器，保證除氧器和汽包能夠及時補(bǔ)水。在軟水箱上安裝投入式液位變送器。通過水位的檢測，自動將補(bǔ)水閥進(jìn)行開關(guān)控制。保證水位在一定范圍內(nèi)。軟水箱現(xiàn)場安裝有玻璃管連通器液位計(jì)，方便現(xiàn)場巡檢人員觀察示數(shù)。

3加熱爐燃燒系統(tǒng)

加熱爐燃燒系統(tǒng)主要包括：換向系統(tǒng)、爐溫控制系統(tǒng)、反吹系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)等。雙蓄熱式加熱爐換向系統(tǒng)采用集中三通換向閥控制。爐溫控制包括流量調(diào)節(jié)閥的控制和流量、爐溫的檢測。反吹系統(tǒng)是將煤氣燒嘴的殘余煤氣在換向前通過煙氣吹入爐煤，降低大氣中的一氧化碳含量。排煙系統(tǒng)分為空、煤氣兩套獨(dú)立的排煙系統(tǒng)，通過空煙、煤煙引風(fēng)機(jī)分別將各個空煙室、煤煙室內(nèi)的煙氣匯集到各段的煙氣管道匯集后排到大氣，通過煙氣調(diào)節(jié)閥控制爐壓及煙溫[3]。

3.1加熱爐的爐溫控制系統(tǒng)

加熱爐的爐溫控制實(shí)現(xiàn)完全自動是比較困難的，實(shí)現(xiàn)自動控制要考慮多方面的因素。首先燃燒的過程本身就是一個非常復(fù)雜的過程，包括煤氣燃燒時的煤氣熱值，火焰的熱輻射以及爐內(nèi)換向時熱對流等，這些過程是緊密聯(lián)系在一起的，不是相互獨(dú)立的過程。還要考慮爐況本身的情況，傳感器的精確度，響應(yīng)速率問題，軋制要求，軋制生產(chǎn)狀況等，同時自動燃燒還要降低能源消耗和氧化燒損，因此常見的爐溫控制系統(tǒng)主要有以下幾種模式。

（1）溫度的單回路控制模式。溫度的單回路控制模式是最簡單的控制模式，就是根據(jù)爐溫的的情況不斷調(diào)節(jié)煤氣、空氣流量調(diào)節(jié)閥改變火焰的大小，來調(diào)節(jié)溫度，此方法響應(yīng)緩慢，極難實(shí)現(xiàn)爐溫的完全自動控制，很大程度依賴操作人員手動干預(yù)。

（2）串級比值的控制模式。串級比值的控制模式是分為空氣回路和燃?xì)饣芈穬蓚€回路，同時并行運(yùn)行。燃?xì)饣芈返臏囟仍O(shè)定值由溫度控制器的輸出給定?？諝饣芈返臏囟仍O(shè)定值根據(jù)空燃比由溫度控制器的輸出值乘以系數(shù)計(jì)算。這樣構(gòu)成燃?xì)饬髁繛橹?，空氣流量為從的兩個流量的閉合回路。如圖2所示。

這種串級比值的控制模式有效的降低了煤氣和空氣流量波動對于系統(tǒng)的擾動，這種方式燃?xì)饬髁?、空氣流量都比較穩(wěn)定，爐溫也平滑穩(wěn)定了。

（3）空氣的限幅控制模式。與串級的比值控制模式相比較，空氣的限幅控制模式中增加了一個空氣高值選擇器，空氣高值選擇器是比較溫度調(diào)節(jié)器設(shè)定值乘以空燃比與燃?xì)饬髁吭O(shè)定值乘以空燃比的大小，將高值作為空氣回路的設(shè)定值。這樣就可以保證任何時刻都是空氣是過量的，保證燃料的充分燃燒，缺點(diǎn)是空氣過量導(dǎo)致鋼坯的氧化燒損過大，溫度損失也較大。

（4）雙閉環(huán)交叉限幅控制模式。由于空氣的交叉限幅控制模式的空氣過量導(dǎo)致的問題，出現(xiàn)了雙閉環(huán)交叉限幅控制的控制模式，與空氣交叉限幅控制模式相比增加一個燃?xì)獾椭颠x擇器，將溫度調(diào)節(jié)器的設(shè)定值與空氣流量設(shè)定值除以空燃比進(jìn)行比較，低值選擇作為燃?xì)饣芈返脑O(shè)定值。

如圖3所示，雙閉環(huán)的交叉限幅控制模式時增加燃?xì)鈺r，先增加空氣然后增加燃?xì)饨o定，當(dāng)減少燃?xì)鈺r，先減少燃?xì)夂鬁p少空氣，這樣空氣既能跟隨燃?xì)獾淖兓兓材鼙ＷC燃?xì)獾某浞秩紵?。因此目前大多?shù)雙蓄熱式加熱爐都采用雙閉環(huán)的交叉限幅控制模式，但是缺點(diǎn)是降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。因此合理的空燃比是至關(guān)重要的。

3.2自動換向控制與反吹掃系統(tǒng)

雙蓄熱式加熱爐采用了先進(jìn)的三通換向閥，可以直接進(jìn)行換向控制，動作快，控制簡單，對加熱爐的溫度及燒嘴內(nèi)的燃燒火焰及加熱爐的溫度影響較小。加熱爐的三通換向閥是采用雙列布置的，即當(dāng)換向閥開始正常工作，換向閥內(nèi)部有連通和斷開的兩個狀態(tài)，當(dāng)PLC控制換向時，打開狀態(tài)的通道首先關(guān)閉，隨之打開閉合狀態(tài)的通道?？傮w爐體換向原理如圖4所示。

這種雙蓄熱式換向式燃燒方式大大的改善了爐內(nèi)的溫度均勻性。由于能很容易地把煤氣和助燃空氣預(yù)熱到1 000 ℃左右，可以降低排煙溫度，利用了余熱，降低了能耗。種燃燒技術(shù)在換向時，煤氣換向閥由進(jìn)氣向排煙轉(zhuǎn)換時，燒嘴及燒嘴至換向閥之間的管道的空間內(nèi)仍充滿了煤氣，這些煤氣與換向后進(jìn)入燒嘴內(nèi)的高溫?zé)煔庵袣堄嗟难鯕饣旌系乃查g，發(fā)生二次燃燒或者直接排到空氣中，因此反吹掃技術(shù)是將煤氣換向閥由進(jìn)氣轉(zhuǎn)為排煙之前通過反吹閥將殘余煤氣用煙氣吹到爐內(nèi)繼續(xù)燃燒，可以極大降低煙氣中一氧化碳的含量?？傊?，加熱爐對其燃燒系統(tǒng)自動化控制的研究不僅對節(jié)能降耗、增大企業(yè)利潤的實(shí)際意義，也將進(jìn)一步促進(jìn)了新控制理論的研究與應(yīng)用。

4結(jié)語

通過加熱爐自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用既降低了操作工的工作量，提升工作效率和加熱質(zhì)量，在提升加熱質(zhì)量的同時降低了能源消耗，充分地滿足了熱軋工藝的需求。

參考文獻(xiàn)

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[3] 洪博，孫文權(quán)，郭德福，等.蓄熱式加熱爐新燃燒控制模型研究[J].冶金自動化，2018，42（4）：49-53.

Research on Automatic Control Technology of Double Regenerative Slab Reheating Furnace

HOU Lizhu

（Tangshan Iron and Steel Group Co.， Ltd.， Tangshan? Hebei? 063000）

Abstract： Heating furnace is an important part of hot rolling production line， which directly affects the quality of products， especially under the pressure of market energy supply and environmental protection， how to adopt new technologies to further save energy and reduce emissions， reduce pollutant emissions， improve heating quality and enhance market competitiveness is an urgent problem to be studied. The double regenerative slab heating furnace heats the air / gas combustion gas through the heat of high-temperature flue gas， so as to improve the combustion temperature of fuel. The preheated gas can not only burn fully， but also save energy and NOx emission. Based on the combustion characteristics of regenerative heating furnace， the furnace temperature control， combustion mode and energy saving of heating furnace are deeply studied. The back purging technology of gas burner greatly reduces the content of carbon monoxide in flue gas. Therefore， the level of automatic control of heating furnace is not only related to the labor intensity of operators， but also directly related to the product quality， output， production consumption index and market competitiveness.

Keywords： automatic control; furnace temperature control; energy saving

收稿日期：2021-12-18

作者簡介：侯立柱（1982—），男，河北唐山人，本科，工程師，從事熱軋卷板自動化控制專業(yè)工作。