加熱爐是鋼鐵行業生產環節中重要的熱工設備，在軋鋼生產中占有十分重要的地位，其能耗占鋼鐵工業總能耗的6%。加熱爐的主要任務是在保證加熱工藝要求的前提下，將鋼坯加熱到要求的溫度，并盡可能減少燃氣和電能的消耗，降低排放物對環境的污染。文章對加熱爐的智能控制技術進行了深入全面地研究，調整加熱爐的運行狀態和工藝過程參數，使其達到最佳運行狀態，提高加熱爐運行的穩定性和可靠性，解決鋼坯出爐溫度波動大、斷面溫度不均、氧化燒損率高、能耗消耗量大和排放污染嚴重等問題^[1]。

1氧化燒損及燃氣消耗影響因素

鋼坯在加熱爐內加熱過程中，由于爐內存在氧化性氣體(O₂、H₂O、SO₂)，導致鋼坯的表面發生氧化。一般氧化燒損率高達5% -6%，嚴重影響了成品率^[2]。大量文獻研究表明，爐溫、加熱時間及爐內氣氛是影響鋼坯氧化燒損的主要因素。

1.1爐溫控制不均衡

由于燃氣的熱值和壓力波動比較大，且系統對它們的抑制能力又較差，導致爐內溫度波動較嚴重。加熱溫度過高會造成鋼坯的過熱、過燒以及嚴重氧化，影響正常軋制甚至產生廢料，造成原材料和能源的浪費。反之，加熱溫度不足會影響正常軋制，對軋機、軋輻的磨損巨大。因此,必須了解鋼坯加熱工藝的基本知識，制定正確的加熱工藝制度，以減少加熱過程造成的生產缺陷^[3]。

加熱溫度是板坯表面氧化主要因素，隨著加熱爐爐內溫度的升高，板坯表面氧化速度逐漸加快。普碳鋼加熱溫度與氧化量關系成拋物線變化規律，如圖1所示。當溫度低于1000K時，普碳鋼氧化燒損量很少，一般可忽略不計；當溫度在1000 - 1100K時，氧化燒損量較?。划敎囟仍?100- 1300K時，氧化燒損量緩慢增大；當溫度在1300?1400K時，各組分的擴散速度逐漸加快，普碳鋼氧化燒損量快速增加；當溫度超過1400K時，普碳鋼表面氧化鐵皮開始熔化,氧化燒損量急劇增大。同時溫度過高，消耗的燃氣也會相應增加，浪費燃氣。

1.2加熱時間的影響

同一加熱制度條件下，隨著加熱時間的延長，板坯表面氧化燒損量逐漸增加，其增重成拋物線變化規律。圖2是1390?1470K的普碳鋼坯在氧濃度為3%的情況下，加熱時間與氧化量的關系曲線。由圖可以看出，各溫度下的鋼坯氧化量隨時間變化的趨勢大致相同；在0?30min氧化反應劇烈，碳鋼氧化燒損量急劇上升；30min后，碳鋼氧化燒損量逐漸減緩。氧化初期鋼基體與空氣直接接觸，氧化增重速率較快，隨著加熱的進行，生成的致密氧化鐵皮覆蓋在鋼基體表面，外部的氧化性介質不易透入，阻礙氧化鐵皮的生成，因此氧化速率減緩，但整體氧化量還是隨時間的增加而增加的^[4]。

盡管各樣本鋼坯的溫度均相差20K,但氧化量的增量是不同的。在加熱的前30min內，氧化量增量幅度較小，但隨著加熱的繼續進行，30?60min內，氧化量增幅逐漸擴大，60min后，氧化量增幅趨于穩定。氧化量增幅隨溫度的升高而增大，表明了溫度越高，氧化反應速度越大，故需要縮短鋼坯在高溫區的停留時間。

1.3爐內氣氛的影響

正常情況下，煤氣和空氣要想實現最佳燃燒，空氣系數的取值范圍為1.02?1.10。若空氣不足，燃燒不充分，產生黑煙，浪費能源，熱效率降低，并且污染環境；若空氣過量，多余的空氣會帶走熱量，造成燃氣浪費，降低燃燒溫度，增加鋼的氧化與脫碳，不僅浪費材料而且給除磷帶來困難，嚴重的還會影響產品表面質量, 并且會增加NO_x的排放量^[5]。因此，控制合理的空氣系數至關重要。實際生產中，在保證均熱段合理的加熱溫度下，應采用較低的空氣系數, 降低高溫鋼坯附近的氧氣濃度，以降低其氧化燒損率。

2加熱爐燃燒過程優化

2.1鋼坯溫度計算模型

鋼坯溫度計算模型是實現爐溫優化設定控制系統的關鍵，鋼坯溫度在線計算是爐溫反饋控制的依據。以鋼坯實時計算溫度和鋼坯設定升溫曲線的偏差作為反饋補償控制的輸入，對鋼坯的升溫過程嚴格按照理想升溫曲線進行加熱。

2.2專家規則的爐溫設定調整控制

利用反饋補償控制對各段最優爐溫設定值進行動態補償，同時根據出爐鋼坯的實測溫度，利用專家經驗對加熱爐各段爐溫進行調整。

2.3空燃比自尋優算法

空氣煤氣的最佳配比是加熱爐燃燒控制的重要內容，空燃比的合理配置有利于降低燃料單耗。空燃比太高，爐溫降低，需要更多的燃料來加熱鋼坯導致燃料消耗增大?？杖急忍?，燃料不能完全燃燒必然導致燃耗過高。空燃比自尋最優控制的特點是在不需要知道數學系統模型的情況下，自動搜尋被控對象具有極值型非線性特性的最優工藝，保證計算函數達到或接近最優值,而且在工藝環境發生變化時，在優先保證極值型非線性關系的前提下，通過自動捜索功能找到新工藝環境下的最優值。根據爐溫偏差變化率，可反映出煤氣熱值的變化量，為此模糊化爐溫偏差和爐溫偏差變化率，并采用模糊專家規則對空燃比進行優化。

2.4煤氣、空氣流量控制

在燃燒負荷劇烈變化的情況下，可利用煤氣、空氣流量雙交叉限幅控制法實現對爐溫的控制。雙交叉限幅燃燒控制為了對副回路控制器的空氣流量和煤氣流量的設定值進行限幅，采用對空氣流量與煤氣流量的實測值進行控制，通過相互制約，有效防止了負荷發生快速變化可能出現的空氣和煤氣過度剩余。保證燃燒系統始終工作于最佳燃燒區域內，可大大減少過氧燃燒和缺氧燃燒所帶來的熱損失，進而最大程度上降低燃料浪費和對環境造成的污染，達到節能、降耗、環保的目的。

2.5爐壓控制

加熱爐的爐壓控制可采用排煙溫度和爐壓的選擇性控制系統，在煙溫正常情況下，通過選擇直接壓力控制方式來選擇爐壓控制器，從而有效地控制爐壓使其保持穩定；當煙溫超高時，可利用煙溫控制器，將煙溫控制在工藝允許的要求范圍內。爐壓控制方式選擇原理如圖3所示。

①當排煙溫度處于100 -200℃范圍時，選擇控制器為爐壓控制器，控制調節閥的開度，從而有效控制加熱爐的爐壓穩定性。

②當排煙溫度超過200℃范圍時，選擇控制器為煙溫控制器，控制調節閥的開度，從而使煙溫能夠盡快回到工藝允許的范圍。

③當控制器不起作用的時候，跟蹤正在工作的控制器的輸出，來實現控制器之間的快速無擾切換，從而達到控制要求，實現系統的有效控制。

2.6加熱時間的優化

根據鋼坯類型的不同，合理制定對應的升溫曲線，同時根據軋線的軋制節奏，設定鋼坯在各段的停留時間，并在保證鋼坯出爐溫度的前提下，盡量縮短鋼坯在高溫段的時間，實現降氧化燒損、節燃氣。

3余熱利用

加熱爐排出的廢氣溫度很高，帶走了大量的余熱。為了提高加熱爐的熱效率，節約能源，應最大限度利用廢氣余熱。其主要有兩個途徑：一是利用廢氣余熱來預熱空氣和燃氣，將一部分熱量帶回爐膛，提高爐子熱效率，采用設備是換熱器或蓄熱室；二是利用廢氣余熱生產蒸汽，提高熱能利用率，采用的設備是余熱鍋爐。

4實施效果

通過對國內某鋼廠加熱爐工藝流程及對象特性進行深入分析后，結合定量反饋理論和模糊控制理論設計了加熱爐智能控制系統，并予以實施，加熱爐的基本信息如表1所示。

加熱爐智能控制系統的應用,有效地抑制了燃氣熱值、壓力波動及爐內參數變化等因素對加熱爐運行的影響,提高了爐溫控制精度，實現了加熱爐燃燒過程的最優控制，實現了節燃氣、降氧化燒損的目的，并實現了加熱爐智能燃燒，減少了工人的工作強度。改造前后效果對比見表2。

按照鋼坯單價2000元/t,產量100萬t/a, 計算燒損節能金額：

2000x0.24X100x10⁴ +104 =488 萬元

按照煤氣單價0. 09 %/m³,節約單耗27. 66m³/t,產量100萬t/a,計算煤氣節能金額:

0. 09 x 27. 66 x 100 x 10⁴÷10⁴= 248.94 萬元

參考文獻

[1] 武文斐.冶金加熱爐設計與實例[M].北京：化學工業出版社，2008.

[2] 謝海萍.步進式加熱爐內鋼坯溫度預測及燃燒優化[D].武漢：華中科技大學，2017.

[3] 蔡喬方.加熱爐[M].北京：冶金工業出版社, 2008.

[4] 金明?板坯加熱過程氧化燒損及溫度變化規律研究[D].武漢：武漢科技大學，2016.

[5] 華建社，陳佳宜，杜金星.蓄熱式軋鋼加熱爐熱工分析[J]?工業爐，2017, (3)：35-38.