探析加热炉加热过程的智能优化控制

探析加热炉加热过程的智能优化控制

韦思丞陈功彬

广东韶钢松山股份有限公司特轧厂512123

摘要：本文主要对加热炉加热过程的智能优化控制进一步的分析和了解。建立先进且实用的加热炉控制系统，对于钢铁企业来说，有着十分重要的现实意义。

关键词：背景；加热炉；自动控制；问题，措施

一、背景概述

随着煤炭、石油、天然气等不可再生资源的日益减少及其铁矿石价格的不断攀升，钢铁企业越来越重视能源和原料的利用率，以最少的能源和原材料消耗生产出高质量、高附加值的产品是钢铁行业不断追求的目标，同时也是各个企业之间竞争的焦点之一。因此，以节约成本、降低能耗为目标的加热炉控制策略与控制方法的研究与开发已经成为钢铁行业自动控制领域的一个主要研究课题。

随着钢铁轧制技术的不断进步，轧机向着大型化，高速化方向发展，轧制精度越来越高，技术也逐渐成熟，轧钢生产水平已经达到了一个新的平台，现在的带钢热连轧可以生产的最薄规格达0.8mm，规格越薄、精度越高，必然要求板坯的加热质量也随之提高，与此同时，愈来愈多的轧钢新技术、新方法的产生和应用，对轧钢加热炉的加热过程提出了更高的要求，钢坯加热迎来了前所未有的挑战。以往那些传统的燃烧和炉温控制技术很难满足新形势下的要求，所以对轧钢加热炉采用智能优化控制方法以实现最佳的钢坯出炉温度和更为均匀的钢坯温度分布已经迫在眉睫。计算机技术的不断发展推动了智能控制技术的发展，它们是解决现代复杂的工业过程控制的一条途径，已经成为自动控制领域研究的热点和发展方向。

二、加热炉炉温控制中存在的问题

加热炉内的钢坯加热过程是一个非线性、强耦合、多变量的复杂工业生产过程，边界条件变化莫测，炉内钢坯的氧化烧损情况和表面温度等不能直接测量，因此难于用一个集中的控制模型来精确描述。针对这种复杂的系统，目前的加热炉虽然安装了计算机控制系统，但加热过程中的炉温控制主要还是依靠操作工人的经验。当机时产量、加热钢种、尺寸变化时，人工手动操作存在严重滞后性，不能及时准确地调整加热策略，同时受人为因素的影响，以及四班、个人操作不统一，最终会不同程度的造成炉温、钢坯温度波动，即便是经验丰富的操作工人也会因疲劳而使控制精度下降甚至会产生误操作。由于操作工不可能准确预测出炉内钢坯的温度和氧化烧损等信息，无法对各段的炉温设定值做出精确调整，而只能依据红外线热值仪在粗轧出口所测的钢坯温度值来对炉内正在加热的板坯做出相应的调整。由于钢坯的边界条件经常发生变化，根据前面一块钢坯的反馈量对炉膛温度做出的调整对当前正在加热的钢坯有时会不适合，因此常常会造成钢坯的过烧或欠烧，无法满足所要求的生产目标。

主要存在以下问题：（1）控制对象的特性与控制系统本身的特性不符合。加热炉属于非线性、多变量、大惯性系统，那些简单的单回路控制方法对于加热炉这种复杂的系统来说控制效果不明显。（2）比较精确的控制模型难于建立。由于炉膛内的气氛、钢坯温度，氧化烧损等过程参数难于确切知道，而且煤气热值等工艺参数频繁波动，干扰因素比较多，所以很难用一个精确的数学模型来描述。（3）在加热炉的炉温优化设定中，以往考虑的优化目标比较简单，没有涵盖所有需要考虑的优化目标，因而导致最优炉温的设定有偏差。另外，在加热炉炉温优化控制中，加热炉的被优化控制指标应与生产目标一致，但实际生产中，优化指标很难把生产目标全部包括进来。（4）自动控制同生产工艺相脱节。加热炉炉温控制是一个综合性控制，它和生产工艺、热工制度、测控仪表、计算机系统、炉体结构等专业是密不可分的，如果仅仅考虑某一个方面，难于取得理想的控制效果。

三、加热炉加热过程的自动控制策略

1.加热炉炉温控制

加热炉的炉温控制是通过调节混合煤气和预热空气的流量来完成的。温度控制系统依据实时测量的炉膛温度，根据PID控制策略计算出一个输出值。该值作为煤气控制器与空气控制器的设定值，去自动控制煤气调节阀和空气调节阀的开度，进而控制各个燃烧系统的煤气流量和空气流量。炉温控制器、煤气控制器和空气控制器共同构成一个串级平行控制系统。其中，炉温控制器在该系统中起主导作用，完成温度的粗调，煤气控制器与空气控制器是平行的副控制器，实现炉温的精确控制。

2.煤气-空气双交叉限幅控制

加热炉燃烧控制系统通常采取配比调节策略来处理煤气与空气之间的流量分配关系，使煤气和空气流量维持在某一比例上。但是在实际运行中，煤气与空气控制系统的响应速度不同步，流量测量孔板存在着一定的误差，煤气的热值及压力经常发生波动以及烧嘴特性的不断变化等诸多原因，使得煤气与空气的配比得不到很好的保证，特别是在燃烧负荷发生波动的状态下，更是无法保证煤气与空气之间的最佳配比关系，为了有效解决这些问题，实际生产中通常采用双交叉限幅控制的方法。

3.炉膛压力控制

轧钢加热炉炉压的大小及其分布是调整炉内温度场、控制燃烧火焰和炉内气氛的一个重要手段，它会影响到板坯的加热速度和加热质量，同时也会影响燃料利用的好坏。特别是炉子出料段的炉膛压力尤为重要。炉压设定值应比正常大气压力高出0～20Pa。如果炉膛内的压力过高，则装料口、出料口、观察孔等开口部位都会往外冒火，其结果是：⑴炉气量损失增大，从而使热损失增大，会浪费大量燃料；⑵二氧化硫等有害气体进入车间使作业环境受到污染，对现场工人的健康造成不利影响；⑶冒火部位的炉墙、附近的钢结构或机械设备受损或者变形，使加热炉的使用寿命大大降低。反之，如果炉内压力过低，则车间里的冷空气将会进入炉内。这些吸入的冷空气被加热到炉温以后才与烟气一起从烟道排出，这样会给燃烧系统增加额外的负担并浪费掉大量燃料，同时低温空气会降低钢坯温度从而导致坯料受热不均，另外还会使炉气的含氧量增加而造成钢坯氧化烧损增加。因此，为确保安全生产和节能降耗，我们有必要对炉压实现自动化控制，以保证炉膛内处于微正压状态。

目前国内钢铁行业的轧钢加热炉普遍采用传统的反馈控制系统来实现。即在加热炉均热段的顶部安装有压力检测器，另外在烟道末端安装有排烟调节阀，这两套装置与排烟阀控制器共同构成一个负反馈控制系统，炉膛内的压力调节由控制该排烟调节阀的开度来实现。当炉膛压力发生波动时，将均热段顶部的压力检测结果与炉膛压力设定值之差作为输入信号输送给排烟阀控制器，其中控制器采用PID结构，PID控制器经过运算后输出一个信号来控制排烟阀门开度，通过改变排烟量的多少来获得稳定的炉膛压力，从而使炉膛压力稳定在设定值附近，确保燃烧系统的正常运行。

结束语

总而言之，随着环境、能源问题的日益突出，各国专家都在积极进行加热炉节能减排等方面的研究，特别是现代化的轧机不断向高速、连续、大型、多元化及高精度方向发展，对加热炉的控制精度提出了更为严格的要求。为轧制过程提供出炉温度和断面温差都符合要求的钢坯是加热炉的首要任务，而传统的炉温控制或燃烧控制是难于实现这个生产指标的。为此，必须采取更为先进的控制方法对加热炉的加热过程进行控制。

参考文献：

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