双蓄热板坯加热炉自动控制技术研究

摘 要：加热炉是热轧产线重要的组成部分，直接影响到产品的质量，尤其在当今市场能源供应以及环保的压力下，如何采用新的技术进一步节能减排，降低污染物的排放，提高加热质量，增强市场竞争力是急需研究的问题。双蓄热式板坯加热炉是通过高温烟气热量来加热空/煤气燃烧气体，从而提高燃料的燃烧温度，经过预热的气体既可以充分燃烧还能节约能源和氮氧化物的排放。本文对蓄热式加热炉从燃烧特点出发对加热炉的炉温控制、燃烧方式、节约能源进行了深入研究。煤气烧嘴的反吹扫技术，极大地降低了烟气中一氧化碳的含量，因此加热炉自动控制水平高低不仅关系到操作工的劳动强度而且直接关系到产品的质量、产量和生产消耗指标，以及市场竞争力。

关键词：自动控制;炉温控制;节约能源

中图分类号：TG307 文献标识码：A 文章编号：2096-6903（2022）02-0041-03

0引言

加热炉系统主要包含以下三部分：汽化冷却系统、坯料运动系统、燃烧系统。本文研究的为双蓄热式步进加热炉，板坯由装钢辊道装入加热炉，板坯在装钢辊道上自动定位，成功后根据炉内情况起动自动装钢，通过炉底步进机械的运动，把板坯一步步从加热炉的装钢侧运到出钢侧，放置在出料辊道上，通过出炉辊道送往轧机进行轧制。汽化冷却系统采用强制循环泵的冷却方式降低水梁的温度，保证了炉底步进机构能维持高机械强度，确保安全可靠，同时将产生的蒸汽回收利用。降低了能耗，节约了能源。燃烧系统采用空煤气双蓄热式高温燃烧技术[1]。

1加热炉坯料运动系统

通过铸坯调度系统，将连铸直供或者板坯库的板坯放到板坯辊道上，板坯上线分为天车上线、卸板台上线、连铸上线三种形式。上线的板坯经过照核后由板坯辊道上运送到装钢辊道上，根据板坯的模型信息自动运到炉前进行定位。当炉内有空位，满足装钢条件时，自动启动装钢程序，装钢机开始进行推正动作，推正完成后，根据板坯的宽度执行后退或者不后退的动作，之后装钢机和炉门同时进行上升动作，上升到位后装钢机前进到目标位，然后下降把板坯放到步进梁上，装钢机后退到位，炉门关闭，装钢完成。之后板坯由步进梁一步步地将板坯运到出钢位。步进梁的运行轨迹如图1所示。

步进梁运动分为正循环和逆循环，正循环通过上升、前进、下降、后退的运动把板坯向出钢侧运动。逆循环通过前进、上升、后退、下降将板坯向装钢侧运动。每个循环的行程为600 mm，周期为50 s。加热炉步进梁、炉门冷却方式为水冷，步进梁分为固定梁和活动梁，每根梁里面全是冷却水管，每个支管上安装有热电阻与流量传感器，当循环水温度过高或流量过低时，都会发出报警，并在监控画面上显示。到位后的板坯，当收到轧机的要钢信号时，出钢机将自动启动，通过前进、上升、后退、下降的动作把炉内的板坯放到出钢辊道上，然后送到轧机开始轧制。

2加热炉的汽化系统

汽化冷却系统控制包括软水箱自动上水、除氧器自动上水、汽包自动上水、给水流量、蒸气流量、循环回路流量控制，循环水泵控制，给水泵控制，软水泵控制，除氧器液位控制和压力控制，汽包压力和给水压力控制，软水箱水箱液位控制[2]。

2.1汽包自动上水控制

汽包是压力容器，汽包水位是保证汽包稳定运行的一个重要指标，在汽包的两侧分别安装有现场显示的玻璃管连通器水位和远传的水位显示在画面上。通过画面可以选择一侧的作为自动控制汽包上水的水位，控制采有3种模式：

（1）控制方式采用双冲量连续补水形式，以汽包水位为控制对象，采用蒸汽流量为前饋回路，避免水位超调。可以有效避免假水位现象出现。在手动/自动转换过程中设置无扰动切换，避免振荡。

（2）控制方式采用单冲量连续补水形式。在系统蒸汽流量检测元件故障亦或汽包放散、水位小幅波动时采用此控制方式。

（3）控制方式采用启停泵间歇补水形式。在热负荷变化较大或供热负荷较小时，采用此控制方式。此状态难以投用双冲量补水，采用此控制方式可以保证系统稳定运行。

2.2汽包压力的控制

汽包通过控制蒸汽并网调节阀和汽包放散阀调节汽包的压力。当汽包压力高于设定上限值时，控制系统会自动打开蒸汽放散阀放散蒸汽，降低汽包压力，当汽包压力降到安全值时，控制系统会自动关闭放散阀，确保安全运行。从安全角度考虑，设置两个蒸汽放散阀，当其中一个故障时，不影响系统运行。放散阀的开度不宜太大，以缓慢卸压形式放散，避免引起水位剧烈波动。此控制为自动控制，只在需要手动打开放散阀时切换至手动状态。

2.3循环水泵连锁及控制

汽化冷却系统有两台电机控制的强制循环泵，一台柴油控制的循环泵。柴油机循环泵为停电时的备用应急备，两台电动泵每周需要倒泵，一台作为另一台的备用泵。柴油泵每周需要运行1 h，保证状态正常。

在循环水泵的进水和出水之间安有压差检测传感器，压差低于设定压差值时，启动备用电动循环水泵，当备用泵起来后，压差和流量还低于设定值时，将连锁停炉。

两台电动循环泵互为热备，当其中一台故障时，自动启动另一台泵。当两台电动循环泵都无法启动时，自动启动柴油循环泵。

2.4给水泵连锁及控制

汽化冷却系统有两台电机控制的给水泵，一台柴油控制的给水泵。柴油机给水泵为停电时的备用应急备。每台给水泵经给水调节阀将除氧器的软水送至汽包。正常情况下两台电动给水泵互为热备，当其中一台故障时，自动启动另一台泵。当两台电动给水泵都无法启动时，自动启动柴油循环泵来确保汽包水位正常。

2.5软水箱液位检测及控制

软水箱是储水容器，保证除氧器和汽包能够及时补水。在软水箱上安装投入式液位变送器。通过水位的检测，自动将补水阀进行开关控制。保证水位在一定范围内。软水箱现场安装有玻璃管连通器液位计，方便现场巡检人员观察示数。

3加热炉燃烧系统

加热炉燃烧系统主要包括：换向系统、炉温控制系统、反吹系统、排烟系统等。双蓄热式加热炉换向系统采用集中三通换向阀控制。炉温控制包括流量调节阀的控制和流量、炉温的检测。反吹系统是将煤气烧嘴的残余煤气在换向前通过烟气吹入炉煤，降低大气中的一氧化碳含量。排烟系统分为空、煤气两套独立的排烟系统，通过空烟、煤烟引风机分别将各个空烟室、煤烟室内的烟气汇集到各段的烟气管道汇集后排到大气，通过烟气调节阀控制炉压及烟温[3]。

3.1加热炉的炉温控制系统

加热炉的炉温控制实现完全自动是比较困难的，实现自动控制要考虑多方面的因素。首先燃烧的过程本身就是一个非常复杂的过程，包括煤气燃烧时的煤气热值，火焰的热辐射以及炉内换向时热对流等，这些过程是紧密联系在一起的，不是相互独立的过程。还要考虑炉况本身的情况，传感器的精确度，响应速率问题，轧制要求，轧制生产状况等，同时自动燃烧还要降低能源消耗和氧化烧损，因此常见的炉温控制系统主要有以下几种模式。

（1）温度的单回路控制模式。温度的单回路控制模式是最简单的控制模式，就是根据炉温的的情况不断调节煤气、空气流量调节阀改变火焰的大小，来调节温度，此方法响应缓慢，极难实现炉温的完全自动控制，很大程度依赖操作人员手动干预。

（2）串级比值的控制模式。串级比值的控制模式是分为空气回路和燃气回路两个回路，同时并行运行。燃气回路的温度设定值由温度控制器的输出给定。空气回路的温度设定值根据空燃比由温度控制器的输出值乘以系数计算。这样构成燃气流量为主，空气流量为从的两个流量的闭合回路。如图2所示。

这种串级比值的控制模式有效的降低了煤气和空气流量波动对于系统的扰动，这种方式燃气流量、空气流量都比较稳定，炉温也平滑稳定了。

（3）空气的限幅控制模式。与串级的比值控制模式相比较，空气的限幅控制模式中增加了一个空气高值选择器，空气高值选择器是比较温度调节器设定值乘以空燃比与燃气流量设定值乘以空燃比的大小，将高值作为空气回路的设定值。这样就可以保证任何时刻都是空气是过量的，保证燃料的充分燃烧，缺点是空气过量导致钢坯的氧化烧损过大，温度损失也较大。

（4）双闭环交叉限幅控制模式。由于空气的交叉限幅控制模式的空气过量导致的问题，出现了双闭环交叉限幅控制的控制模式，与空气交叉限幅控制模式相比增加一个燃气低值选择器，将温度调节器的设定值与空气流量设定值除以空燃比进行比较，低值选择作为燃气回路的设定值。

如图3所示，双闭环的交叉限幅控制模式时增加燃气时，先增加空气然后增加燃气给定，当减少燃气时，先减少燃气后减少空气，这样空气既能跟随燃气的变化而变化，也能保证燃气的充分燃烧。因此目前大多数双蓄热式加热炉都采用双闭环的交叉限幅控制模式，但是缺点是降低了系统的响应速度。因此合理的空燃比是至关重要的。

3.2自动换向控制与反吹扫系统

双蓄热式加热炉采用了先进的三通换向阀，可以直接进行换向控制，动作快，控制简单，对加热炉的温度及烧嘴内的燃烧火焰及加热炉的温度影响较小。加热炉的三通换向阀是采用双列布置的，即当换向阀开始正常工作，换向阀内部有连通和断开的两个状态，当PLC控制换向时，打开状态的通道首先关闭，随之打开闭合状态的通道。总体炉体换向原理如图4所示。

这种双蓄热式换向式燃烧方式大大的改善了炉内的温度均匀性。由于能很容易地把煤气和助燃空气预热到1 000 ℃左右，可以降低排烟温度，利用了余热，降低了能耗。种燃烧技术在换向时，煤气换向阀由进气向排烟转换时，烧嘴及烧嘴至换向阀之间的管道的空间内仍充满了煤气，这些煤气与换向后进入烧嘴内的高温烟气中残余的氧气混合的瞬间，发生二次燃烧或者直接排到空气中，因此反吹扫技术是将煤气换向阀由进气转为排烟之前通过反吹阀将残余煤气用烟气吹到炉内继续燃烧，可以极大降低烟气中一氧化碳的含量。总之，加热炉对其燃烧系统自动化控制的研究不仅对节能降耗、增大企业利润的实际意义，也将进一步促进了新控制理论的研究与应用。

4结语

通过加热炉自动化控制系统的应用既降低了操作工的工作量，提升工作效率和加热质量，在提升加热质量的同时降低了能源消耗，充分地满足了热轧工艺的需求。

参考文献

[1] 刘婷，邢东旭，文博.包钢热轧加热炉自动化控制系统应用与研究[J].包钢科技，2018，44（6）：79-82.

[2] 傅松林.新钢1 580 mm热连轧过程自动化系统应用与研究[J].自动化应用，2017（12）：34-35.

[3] 洪博，孙文权，郭德福，等.蓄热式加热炉新燃烧控制模型研究[J].冶金自动化，2018，42（4）：49-53.

Research on Automatic Control Technology of Double Regenerative Slab Reheating Furnace

HOU Lizhu

（Tangshan Iron and Steel Group Co.， Ltd.， Tangshan  Hebei  063000）

Abstract： Heating furnace is an important part of hot rolling production line， which directly affects the quality of products， especially under the pressure of market energy supply and environmental protection， how to adopt new technologies to further save energy and reduce emissions， reduce pollutant emissions， improve heating quality and enhance market competitiveness is an urgent problem to be studied. The double regenerative slab heating furnace heats the air / gas combustion gas through the heat of high-temperature flue gas， so as to improve the combustion temperature of fuel. The preheated gas can not only burn fully， but also save energy and NOx emission. Based on the combustion characteristics of regenerative heating furnace， the furnace temperature control， combustion mode and energy saving of heating furnace are deeply studied. The back purging technology of gas burner greatly reduces the content of carbon monoxide in flue gas. Therefore， the level of automatic control of heating furnace is not only related to the labor intensity of operators， but also directly related to the product quality， output， production consumption index and market competitiveness.

Keywords： automatic control; furnace temperature control; energy saving

收稿日期：2021-12-18

作者簡介：侯立柱（1982—），男，河北唐山人，本科，工程师，从事热轧卷板自动化控制专业工作。