热轧轧钢加热炉热装制度的优化研究

唐 顺，韩 枫，李朝祥，黄 文

(1.上海梅山钢铁股份有限公司热轧厂，南京210039；2.安徽工业大学能源与环境学院，安徽马鞍山243002；3.南京工程学院自动化学院，南京211167)

热装热送[1]是轧钢加热炉节能技术中最有效的一项节能技术。随着现代钢铁生产的大型化和连续化，连续铸钢料坯的热装热送率越来越高，给加热炉的热装节能带来很大的潜力。然而由于工艺过程的差异，热装温度的变化给加热炉的操作带来困难，尤其是大型连续式加热炉，不同的热装温度致使加热炉需要供入的燃料和燃料量分配的变化难以精确控制，导致金属料坯严重氧化烧损、脱碳和过热过烧[2-3]，不仅造成热装的节能潜力得不到充分发挥，甚至引起金属的加热质量问题[4]。

加热炉经济点供热是陆钟武[5]上世纪90年代从炉子热工特性出发，通过理论和实验研究确定的炉子优化供热原理，即在炉子结构一定时，对应一定的生产率，在同样加热质量下可以有多种供热方式，其中必有一种使得燃耗最低。如果按照这一最低的热负荷对炉子实施操作，即可实现炉子的优化操作。之后，此法曾运用在一些小型加热炉上获得成功[2],而对于大型加热炉，因需要很高的测试手段和大量计算机运算，长期以来一直没有得到很好推广，大运算量计算机的普及以及在线钢温测试技术的成熟为其运用创造了条件。为此，笔者以上海梅山钢铁公司3座热轧加热炉为研究对象，在钢温跟踪测试和热平衡测试的基础上，建立加热炉的离线仿真模型，根据不同炉型结构、不同钢种和不同热装温度对加热炉进行以单耗最低为目标的温度制度优化，以获得不同钢种在不同热装温度下的最优温度制度。

1 模型构成

使用的模型包括炉温分布模型、炉膛钢坯加热过程的钢温模型、加热炉热平衡模型。钢温模型依据现有的炉膛结构、炉膛内钢温加热过程的检测实验建立用于准确反应炉膛钢坯加热过程的离线钢温计算模型[6]。热平衡模型是依据加热炉的热平衡测试，反应加热炉各项热支出和热收入的能量平衡模型[7]。

1)炉温分布模型

为表达炉温分布趋势和水平，按炉内各段热电偶测试值,用近似方法构造炉温分布函数tf(x，τ),即

其中：ti为炉内各段热电偶测得的温度值；l为料坯在炉膛的位置参数；x为钢坯在炉内的位置参数；τ为时间。

2)钢温模型

在工业生产允许的条件下,设钢坯内部为一维不稳态传热,则有

式中：t(x，τ)为钢坯沿厚度方向上的温度分布；c，ρ，λ分别为钢坯的比热容、密度和导热系数；S为钢坯的透热深度。钢坯加热的边界条件为

其中qwi为第i块钢坯的边界热流。

3)热平衡模型

基于热平衡测试，建立炉子第区域热平衡

其中：i代表炉子的各加热段序号(i=1，2，3，4)；Qij(j=1，2，3，…，12)表示炉膛不同区段的热收入和热指出项。

联立上述3个模型，对加热炉不同的加热过程进行离线仿真，便可获得一定生产率条件下，满足轧钢工艺要求的不同供热方式和供热分配，进而优化获得最小的热负荷，其对应的加热制度为最佳供热制度。

为验证模型的精确性，分别对3座加热炉就不同的热装温度进行黑匣子钢温测试和热平衡测试。结果见表1。其中1#，2#加热炉为常规供热方式的加热炉；3#加热炉为蓄热式加热炉。

表1 3座加热炉热平衡测试及优化结果Tab.1 Heat balance test results of the three furnace

根据表1得，模型计算的燃料单耗与测试单耗的平均误差为3.22%。1#加热炉钢温仿真计算和实验测试结果如图1。图1表明，仿真计算与实测值在炉膛出口处钢温的相对误差为0.5%，钢温模型可很好地满足工程计算需要，由此可见离线钢温模型的精度较高。

2 优化结果与分析

2.1 产量对优化后单耗的影响

运用钢坯加热过程的钢温模型和炉子热平衡模型对3座加热炉不同钢坯的加热过程及单耗情况进行模拟计算。依据钢坯的不同入炉温度，在满足加热质量的前提下，通过热平衡测试和优化计算，分别获得3座加热炉不同装钢温度下的能耗和温度制度。优化计算后的单位燃耗随产量的变化情况如图 2～4，其中 1#，2#加热炉取 SPHC 钢种，3#加热炉取Q235B钢种。

由图2可得：1#加热炉SPHC钢种在常温(30℃)装钢条件下，随着生产率的不断提高，单耗变化趋势是先降低后增加，在加热炉产量为190 t/h时，炉子单耗最低，因此190 t/h时对应的热负荷为最佳热负荷；加热炉产量在170～230 t/h为炉子经济工作区，即炉子生产率在此范围变化时，炉子单耗变化最小。其结果与火焰炉热工特性相吻合，符合加热炉优化供热理论。

由图2还可看出，当钢坯入炉温度分别为100，200，300，400，500 ℃时，对应最低单耗的产量从190 t/h逐渐增大到250 t/h。对照优化计算结果，加热炉在150 t/h产量下，装钢温度每增加100℃，单耗平均降低65.36 kJ/kg；产量在170 t/h下，单耗平均降低68.68 kJ/kg；产量在190 t/h下，单耗平均降低71.13 kJ/kg；产量在210 t/h下，单耗平均降低73.86 kJ/kg；产量在230 t/h下，单耗平均降低77.669 kJ/kg；产量在250 t/h下，单耗平均降低79.28 kJ/kg；产量在270 t/h下，单耗平均降低80.44 kJ/kg。可见产量越大，装钢温度每增加100℃，单耗的降低也越大。从1#加热炉的计算结果看，装钢温度每提高100℃，炉子的单耗降低7%～8%。随着装钢温度的提高，炉子的经济工作区向高产量方向移动，并且炉子的最佳单耗逐渐降低。

由图3可见：在常温装钢条件下，单耗随着生产率的不断提高也呈先下降后增加趋势，在加热炉产量为210 t/h，炉子单耗最低，且对应着最佳热负荷，产量在190～230 t/h为炉子的经济工作区；当钢坯入炉温度提高100℃，单耗在产量为210 t/h时最低；入炉温度为200，300℃，单耗在产量230 t/h时最低；入炉温度为400，500℃，单耗在产量250 t/h时最低。与1#加热炉在不同装钢温度下的优化类似，随着装钢温度的增加，炉子的单耗逐渐降低，并且随着装钢温度的增加，炉子的经济热负荷向高产量方向移动。其变化趋势与1#加热炉完全相同。经计算，2#加热炉在不同产量时，装钢温度每提高100℃，单耗降低7%～8%。

图1 1#加热炉钢温测试与仿真模型计算结果Fig.1 Steel temperature test compared with the steeltemperature simulation model of the No.1 furnace

图2 1#加热炉SPHC钢种在常温与不同装钢温度下优化后单耗与产量的关系Fig.2 SPHC steel at room temperature and different steel temperature after optimization of the relationship between consumption and production in the No.1 furnace

图3 2#加热炉SPHC钢种在常温及不同装钢温度下优化后的单耗和产量的关系Fig.3 SPHC steel at room temperature and different steel temperature after optimization of the relationship between consumption and production in the No.2 furnace

比较图2～4可看出，由于1#，2#加热炉为常规供热方式的加热炉，3#加热炉为蓄热式加热炉，3#加热炉在常温及不同装钢温度情况下，随着装钢温度的提高，单耗的降低随产量变化的趋势有所不同，当达到经济区后，随着产量的增加，钢坯入炉温度越高，单位热耗随之增加，并逐渐偏离经济点越远，这一变化规律与多点供热加热炉的热工特性[8]十分吻合。

2.2 装钢温度对优化后单耗的影响

图5～7为3座加热炉在同一生产率条件下，单耗随装钢温度的变化曲线。从图5，6可看出，7组曲线分别在同一产量下，随着热装温度的提高，单耗的下降几乎呈直线趋势。低温装钢时，产量变化对单耗的变化影响小，高温装钢时产量对单耗的变化影响大。但随着生产率的提高，单耗降低总体越来越少。图7是3#蓄热式炉产量在热装温度改变时的变化趋势，与图5，6显示的趋势略有不同。低温装钢时，产量变化对单耗的影响较大，而高温装钢时，产量变化对单耗降低的影响越来越小。

图4 3#加热炉Q235B钢种在常温及不同装钢温度下优化后的单耗和产量的关系Fig.4 Q235B steel at room temperature and different steel temperature after optimization of the relationship between consumption and production in the No.3 furnace

图5 1#加热炉SPHC钢种不同产量下单耗随装钢温度的变化关系Fig.5 SPHC steel consumption change along with the steel temperature under different production of the No.1 furnace

图6 2#加热炉SPHC钢种不同产量下单耗随装钢温度的变化关系Fig.6 SPHC steel consumption change along with the steel temperature under different production of the No.2 furnace

图7 3#加热炉Q235B钢种不同产量下单耗随装钢温度的变化关系Fig.7 Q235B steel consumption change along with the steel temperature under different production of the No.3 furnace

3 结 论

1)加热炉离线优化模型，准确地预示了不同结构形式热轧加热炉在不同热装温度下炉内钢坯的加热状况、加热策略和加热炉在不同产量下的能耗水平，为热轧加热炉热装节能提供了科学的操作依据。

2)通过计算分析得出，常规的连续式加热炉与蓄热式加热炉，就产量变化和热装温度变化时，加热炉单耗变化的不同规律，因此2种结构形式的加热炉在热装节能方面必须采取不同的操作策略。

3)获得了不同钢种在不同热装温度下的优化温度制度，为加热炉的科学操作提供理论了参考依据，为加热炉的节能减排提供了合理的操作制度。

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