加热炉空燃比优化及温度控制研究

霍秋忍

（河钢集团邯钢冷轧厂，河北 邯郸 056015）

加热炉是冶金生产的基础性设备，主要用于对钢坯的升温加热，以改变其力学性能，便于钢坯的轧制。同时，钢坯加热也是冶金生产中能源消耗的主要环节，仅冶金加热炉的能源消耗即可占到钢铁工业生产总能耗的1/4左右。在当前节能减排，高质量生产的要求下，如何在保证钢坯加热质量的同时降低能耗成为了钢铁企业技术公关的重点，这就需要对加热炉的燃烧特性进行分析，以达到最为优化的空燃比。在一定炉温制度下，空燃比的合理优化设定不仅可以提高燃烧效率和加热品质，减少烟气排散的热损耗；而且还能调节炉内气氛的含氧量，减少钢坯氧化烧损的问题。钢铁冶炼中，轧钢加热炉燃料为高炉煤气与焦炉煤气的混合气，其热值变化受多种因素影响，往往难以确定，而这也对空燃比的合理设置带来了困扰。本文利用经验公式推导，对加热炉空燃比的优化确定和炉温控制进行了探讨。

1 燃料热值对加热炉的影响

目前我国大型综合性钢铁企业的轧钢加热炉普遍采用高炉煤气或是高焦混合煤气做为燃料，其组成成分比较复杂，主要成分包括氢气、一氧化碳、甲烷以及少量的氮气、二氧化碳和氧气等。混合气中各类气体物质的组分很不稳定，易受各种因素的影响而发生变化，由此也导致了其燃烧热值的波动变化。通常高炉煤气热值波动范围为（600～800）×4.18kJ/m3，混合煤气热值波动范围在（1800～3200）×4.18kJ/m3。煤气热值的波动给空燃比控制带来了很大影响，继而也导致了炉温的波动。燃料热值对加热炉的影响主要包括以下几点。

1.1 影响加热炉生产率

根据轧钢加热炉生产工艺要求，加热炉需要的理论燃烧温度应达到1800℃以上，为达到这一温度则要对燃料热值、预热温度等进行综合考虑，并合理设定一定条件下的空气系统，以使其达到较为理想的空燃比。如果空燃比偏高，虽然燃料燃烧较充分，但烟气带走的热量损失较多，单位燃烧高；空燃比偏小则燃料燃烧不足，继而导致炉温偏低，加热能力不足，冷坯加热升温时间过长，严重影响到加热炉的生产率。

1.2 影响单位燃耗

空燃比不合理不仅影响加热炉生产率，还会造成加热炉单位燃耗的增加。当空气系数过高，空燃比偏大时，废气量也会随之增大，致使废气热损过多；如果空气系数较低，空燃比较小，易造成燃料燃烧的不充分，未燃料的燃料则会随废气排出，既导致了燃料的白白浪费，同时也会对大气环境造成较大的污染。

1.3 影响钢坯质量

在钢坯加热环节，导致钢坯高温氧化的因素主要包括:加热炉温、加热时间和炉内气氛。在温度和时间一定的情况下，如果空燃比波动较大，则必然会导致炉内气氛的不稳定，则有可能会造成钢坯的烧损氧化，严重影响钢坯质量和后续的轧制生产。钢坯氧化烧损是钢坯表面铁元素与炉膛内各类气体产生化学反应的结果，由于钢坯内层铁的浓度大而氧的浓度小，生产铁的低价氧化物，如氧化亚铁等；钢坯外部氧含量高而铁浓度小，因而生成铁的高价氧化物，如四氧化三铁。钢坯的烧损使其外部形成大量的氧化铁皮夹杂物，使钢坯表面质量受到很大影响，带来很多质量缺陷。

2 加热炉空燃比的优化

加热炉是一个典型的复杂工业过程控制系统，具有多变量、非线性的特点，而加热炉空燃比的优化则是更为复杂的被控对象，煤气压力、成分、热值等因素的变化都会对空燃比造成很大的影响，因此对于加热炉空燃比的优化极值来说，无论是建模还是控制都比较困难。空燃比优化控制的目的在于尽可能提高加热炉热效率，降低燃料消耗和废气排放，怎样在各种变量因素动态变化的情况下，建立一个科学合理的空燃比寻优控制模型成为解决问题的关键。目前我国不少钢铁企业采用的是烟气含氧量反馈寻优法，即根据混合煤气的热值以及废气的含氧量，采用模糊控制方法建立相应的反馈模型。

2.1 热值前馈模型

热值前馈模型主要是针对燃料成分及热值变化，而对空燃比理论值进行的调整。假设焦炉煤气占混合煤气的比例为b（0≤b≤1），高炉煤气占高炉煤气与转炉煤气总和之比为a（0≤a＜1），那么高炉煤气占混合煤气的比例就是(1-b)a，转炉煤气占混合煤气的比例就是(1-b)(1-a)，那么混合煤气的低热值可由式(1)表示:

式中，Qdz为转炉煤气的低热值KJ/m3；Qdg为高炉煤气的低热值KJ/m3；Qd为混合煤气的低热值KJ/m3；Qdj为焦炉煤气的低热值KJ/m3。

根据式中a、b从0～1变化时混合煤气的低热值与其配比的关系，可知引起Qd变化的主要因素是b，a对理论空气需要量L0的影响相对更小。计算时可以给a一个标准值，即a=52.2/(52.2+13.0)=0.8。利用式（1），再根据实测的混合煤气的低热值就可求得b值。这样就得到了计算混合煤气成分的式子，如式

式中Xs是混合煤气中某成分的湿含量%；Xzs是转炉煤气中某成分的湿含量%；Xjs是焦炉煤气中某成分的湿含量%；Xgs是高炉煤气中某成分的湿含量%。

2.2 理论空燃比的计算

在确定混合煤气组分后，可套用公式（3）计算出理论空气的需求量:

混合煤气充分燃烧时，空气过剩系数通常在1.02～1.1范围，此时加热炉的热效率最高，热量散失最少。

3 机于空燃比的加热炉温度控制

空燃比对于加热炉温度有直接的影响，在加热时间和燃料热值一定的情况下，通过调节空燃比即可实现对加热炉温度的控制。由于变量因素的不确定性和参数调节的延迟，前馈模型中建立的空燃比有时不能保证氧含量在合理的范围内。对此，可采用加热炉温度自动控制系统，通过调节影响空燃比的相关参数量，实现对加热炉温度的控制。

3.1 空燃比调节量的确定

可根据空燃比优化极值的计算公式，在自动化控制系统中通过分析空燃比，继而建立起相关的加热炉空燃比模糊控制器。根据加热炉实际运行情况，建立系统的模糊控制规则，确定模糊变量的隶属度，将氧含量偏差D和它的变化率DD做为输入变量，空燃比调节量LN做为输出变量。

模糊控制模型建立后，通过废气分析和氧传感器对废气中气体组成的分析，并其采集数值输入模糊控制系统，即可以根据废煤气中的氧含量确定加热炉的空燃比的最优值和空燃比总调节量。

3.2 加热炉空燃比控制措施

对于加热炉空燃比的控制，主要包括温度燃料空气流量串级调节，引风量调节等。将煤气流量做为主流量和副参数，空气流量做为副流量加以控制，组成以加热炉温度为主参数，煤气流量为副参数的串级控制系统。通过氧传感器对废气中氧含量值的反馈，使系统按照设定的空燃比最优值调节煤气和空气的流量，从而实现对炉温的控制和燃料的高效利用。