熱軋加熱爐出鋼節(jié)奏分析

張久林，李立強

（寶鋼工程技術(shù)集團有限公司，上海 201900）

在熱軋帶鋼生產(chǎn)線中， 加熱爐處于連鑄與軋機的中間環(huán)節(jié)， 它的任務是按軋機的軋制節(jié)奏將鋼坯加熱到工藝要求的溫度，實現(xiàn)加熱爐產(chǎn)量、質(zhì)量與軋機產(chǎn)量、能力的最優(yōu)匹配，因此加熱爐出鋼節(jié)奏的確定需要滿足以下兩點要求：

（1）保證爐內(nèi)每一塊鋼坯的加熱質(zhì)量能夠滿足產(chǎn)品加熱工藝要求；

（2）能夠滿足軋機的軋制節(jié)奏需求和軋制能力需求，以確保產(chǎn)線產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量。

1 加熱爐出鋼節(jié)奏與最小在爐時間

1.1 加熱爐出鋼節(jié)奏的控制方式

常用加熱爐出鋼節(jié)奏的控制方式主要有以下四種：

（1）機械純手動方式

機械純手動方式是指不借助相關(guān)檢測元件，由操作工手動操作出鋼機、步進機械等設(shè)備動作，將鋼坯從加熱爐內(nèi)取出。 此方式通常在生產(chǎn)異常狀態(tài)下或設(shè)備調(diào)試時采用。

（2）基礎(chǔ)自動化手動方式

借助基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)實現(xiàn)手動出鋼的一種控制方式，即爐內(nèi)鋼坯到達出料位后（爐內(nèi)激光檢測到鋼坯）， 由操作工點擊相關(guān)控制按鈕啟動出鋼操作，將鋼坯從爐內(nèi)抽出。

（3）定時方式

通過設(shè)定符合軋制需求的鋼坯到達除鱗機或第一架粗軋機R1的定時時間來控制加熱爐的出鋼節(jié)奏，定時時間也可以通過加熱爐操作臺進行修正。該控制方式是國內(nèi)各熱軋產(chǎn)線最常用的控制方式。

（4）自動節(jié)奏方式

以精軋機F1的空轉(zhuǎn)時間（前一塊帶鋼從拋鋼到咬入下一塊帶鋼的間隔時間）為主來統(tǒng)籌全軋線的運行，并以此來決定加熱爐的出鋼節(jié)奏。

實踐證明， 以F1作為節(jié)奏控制點是縱觀全軋制線的最佳切入點，最能顯示軋制的高效率，如果將最短的空轉(zhuǎn)時間控制在10 s左右或以下， 可將整條軋線產(chǎn)量發(fā)揮到極致，節(jié)能效果也最明顯，但同時也存在一定的難度和風險，稍有不慎，很容易廢鋼。

1.2 最小在爐時間的定義

最小在爐時間的定義： 保證鋼坯加熱質(zhì)量和加熱工藝要求所必須具備的在加熱爐內(nèi)的加熱時間，是以標準鋼坯和加熱爐的額定產(chǎn)量來計算的，見式（1）。

式中：t—最小在爐時間，min

L—加熱爐有效長度，m

W—標準坯寬度，m

S—鋼坯間距，m

G—標準坯重量，t

Q—加熱爐額定產(chǎn)量，t/h

1.3 最小在爐時間的影響因素

（1）最小在爐時間與加熱爐的加熱能力有關(guān)

加熱爐的加熱能力根據(jù)所加熱鋼坯的加熱工藝進行設(shè)計和配置，通常情況下，加熱爐的加熱能力完全能夠滿足鋼坯的最小在爐時間要求， 本文不作深入分析。

（2）最小在爐時間受加熱爐本身輸送設(shè)備運行時間的影響

加熱爐本身輸送設(shè)備通常包括裝鋼機、 步進梁及出鋼機等，當待加熱鋼坯到達加熱爐后，由裝鋼機將鋼坯托起放入爐內(nèi)的步進梁上， 步進梁通過自身的步進運動將鋼坯從裝料端向出料端輸送， 當鋼坯到達出料端后， 由出鋼機將加熱好的鋼坯從爐內(nèi)抽出并進入下一道工序。

裝鋼機、步進梁及出鋼機在運行過程中，相互連鎖控制，主要包括：

①步進梁不在下限位或原點位置時， 不允許裝鋼機和出鋼機前進、下降和抬起；

②裝鋼機和出鋼機后退到某一點時， 步進梁方可動作。

由于裝鋼機和出鋼機之間沒有連鎖控制， 可以同時或獨立運行，運行時間可以疊加，且裝鋼機和出鋼機的運行時間通常不超過1 min， 因此為簡化計算， 鋼坯在加熱爐內(nèi)的傳送時間僅考慮步進梁的運行時間，見式（2）。

式中：t1—僅考慮步進梁運行時鋼坯經(jīng)過加熱爐的運行時間，min

St—水平工作行程，m

T—步進周期，s

以國內(nèi)某鋼廠的熱軋產(chǎn)線加熱爐為例， 相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

表1 寶鋼2050熱軋產(chǎn)線加熱爐相關(guān)數(shù)據(jù)

由表1可知，鋼坯的最小在爐時間為：

不考慮裝、出鋼機的影響，標準坯經(jīng)過加熱爐的運行時間為：

從以上計算結(jié)果可以看出， 鋼坯的最小在爐時間168 min遠遠大于標準坯經(jīng)過加熱爐需要運行的時間83 min，即在額定產(chǎn)量下，加熱爐本身輸送設(shè)備（裝鋼機、步進梁及出鋼機）的運行是完全可以確保鋼坯的最小在爐時間的。

在鋼坯800 ℃熱裝的情況下，如果加熱爐產(chǎn)量達到700 t/h以上，此時鋼坯的最小在爐時間為：

此時通過加熱爐本身輸送設(shè)備的運行來確保鋼坯的最小在爐時間是可能存在缺陷的。 由于加熱爐的小時產(chǎn)量達到700 t/h的可能性基本不存在， 所以本文也不作深入探討。

在實際生產(chǎn)過程中，由于鋼坯品種、規(guī)格的實時變化，加熱爐也不可能在其額定產(chǎn)量下進行生產(chǎn)，絕大部分情況下，加熱爐均在其設(shè)計能力的65%～80%左右運行， 瞬時達到或超過加熱爐能力的情況也存在，最小在爐時間不足的情況也時有發(fā)生。

例如：某加熱爐人為規(guī)定某些品種鋼，在均熱段必須要求有35 min的在爐時間， 這是通過總結(jié)長期以來的經(jīng)驗來制定加熱制度；也有些情況下，如果按照熱工制度操作， 鋼坯將無法達到最小在爐時間的要求：比如在出寬鋼坯時，可能會造成其在加熱段、均熱段時間不足。

1.4 加熱爐出鋼節(jié)奏與最小在爐時間的關(guān)系

（1）定時方式下的運作

定時方式運作的前提條件：加熱爐的加熱控制由操作工人工控制或由計算機全過程控制（俗稱加熱爐燃燒模型控制），在定時時間內(nèi)，確保鋼坯的加熱質(zhì)量滿足產(chǎn)品加熱工藝要求（最小在爐時間）和軋機的軋制能力需求，即：定時方式與加熱爐燃燒控制方式無關(guān)，只要滿足出鋼條件，就可以實現(xiàn)定時方式。

由于定時方式是以軋線的一點為基準（除鱗機或第一架粗軋機R1），因此每塊鋼坯達到這一基準點的間隔時間是基本相同的。 由于每條熱軋產(chǎn)線一般配備多座加熱爐，每座加熱爐距離軋機遠近不一樣，且其爐門開啟時間和出鋼機機械性能（包括工作行程）也可能存在差異，板坯從出爐時刻起，經(jīng)出鋼機、出料輥道傳送到基準點的時間也不一樣， 最終決定了每座加熱爐啟動出鋼的時間也是不同的[1]。

（2）自動節(jié)奏方式下的運作

在自動節(jié)奏方式下， 是以精軋機F1空轉(zhuǎn)時間為主來統(tǒng)籌全軋線的運行， 以此來決定加熱爐的出鋼節(jié)奏時間。這種情況對加熱爐而言，其出鋼節(jié)奏必須滿足軋線的軋制節(jié)奏需求，此時從鋼坯裝鋼開始，到步進梁、出鋼機的運行，以及加熱爐的燃燒控制均由計算機通過計算模型來實現(xiàn)自動控制。

對加熱爐自動燃燒控制系統(tǒng)來說， 當加熱爐穩(wěn)定運行時問題不大，但當出現(xiàn)以下問題時，對加熱爐的燃燒控制將會提出較大的挑戰(zhàn)：

①當軋線有帶鋼長度、 寬度或成品厚度等發(fā)生變化時；

②當軋線發(fā)生生產(chǎn)延時、減負荷、故障等異常情況時；

③當軋線某機組成為薄弱環(huán)節(jié)時；

④當鋼坯出爐溫度、 目標溫度與內(nèi)存數(shù)據(jù)不符合，需要核對全爐鋼坯數(shù)據(jù)時；

⑤當鋼坯在爐時間不足， 需要給出延長出鋼節(jié)奏指令時；

⑥當鋼坯加熱溫度不符， 給出升溫或降溫的指令而延長出鋼節(jié)奏時。

2 加熱爐自動燃燒控制的現(xiàn)狀

加熱爐自動燃燒控制系統(tǒng)（ACC）主要用來對加熱爐爐溫設(shè)定值進行優(yōu)化計算， 實現(xiàn)爐溫和燃耗量的優(yōu)化控制， 即在滿足鋼坯的加熱質(zhì)量和軋線產(chǎn)量的前提下， 盡量使鋼坯出爐溫度最準、 截面溫差最小、氧化燒損最小、燃耗最低[2]。該系統(tǒng)根據(jù)加熱爐L1系統(tǒng)傳上來的鋼坯數(shù)據(jù)和設(shè)備運行狀態(tài)信號跟蹤爐內(nèi)每一塊鋼坯的位置并保留當前爐內(nèi)鋼坯的分布圖， 然后用加熱爐爐內(nèi)加熱數(shù)學模型計算爐內(nèi)每一塊鋼坯的熱狀態(tài)并且根據(jù)這些信息計算出最佳的燃燒控制段溫度設(shè)定值以及最佳的加熱爐產(chǎn)量。

在實際生產(chǎn)過程中， 鋼坯出爐溫度的計算存在很多難點，有些是受加熱爐自身客觀因素的影響，也有些是受外部因素的影響，主要包括：

（1）加熱爐自身客觀因素

①如采用軸向側(cè)燒嘴， 鋼坯在某段待的位置不同、時間不同，計算的鋼坯出爐溫度基本一致，但軋制時的感覺是有差異的；

②如鋼坯的在爐時間相差很大（待軋保溫時），計算的鋼坯出爐溫度基本一致， 但軋制時的感覺是有差異的；

③加熱爐滿負荷生產(chǎn)與低負荷生產(chǎn)時相比，計算的鋼坯出爐溫度基本一致， 但軋制時的感覺是有差異的；

④爐子本身存在差異，如與軋機的距離不一致、燃燒控制方式不一致（比例燃燒、脈沖燃燒等），計算的鋼坯出爐溫度基本一致， 但軋制時的感覺是有差異的。

（2）外部因素

①裝爐鋼坯的厚度發(fā)生變化時， 鋼坯出爐溫度有可能超出溫度控制精度；

②裝爐鋼坯的溫差變化超過200 ℃以上時（冷熱混裝），鋼坯出爐溫度有可能超出溫度控制精度；

③爐內(nèi)前、后鋼坯出鋼目標溫度相差15 ℃以上時，鋼坯出爐溫度有可能超出溫度控制精度；

④爐內(nèi)前、后鋼坯夾入特殊要求鋼坯，鋼坯出爐溫度為保特殊出爐鋼坯有可能超出溫度控制精度。

另外，由于加熱爐是一個熱惰性物體，達到符合指令要求的工況需要一個比較長的時間， 且由于加熱爐的加熱鋼坯品種多、加熱溫度變化大、軋線對鋼坯軋制要求高等原因， 造成國內(nèi)加熱爐的自動燃燒控制系統(tǒng)模型始終不太完善，投入率較低。國內(nèi)能有效投入使用的自動燃燒控制系統(tǒng)大部分還是前幾年進引的法國STEIN公司的技術(shù)。

3 結(jié)語

加熱爐出鋼節(jié)奏控制的最終目的是滿足軋機產(chǎn)量和能力要求，實現(xiàn)加熱爐與軋線的最優(yōu)匹配，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)加熱爐自身的優(yōu)化控制， 提高鋼坯加熱質(zhì)量的同時降低燃耗， 而未來熱軋加熱爐的發(fā)展趨勢也應該是自動燃燒技術(shù)的持續(xù)完善。近幾年，國內(nèi)相關(guān)的專業(yè)化公司也在不斷研發(fā)新興的智能燃燒技術(shù)， 在原來自動燃燒技術(shù)的基礎(chǔ)上引入智能煙氣分析、視覺識別跟蹤技術(shù)等。