热轧加热炉出钢节奏分析

张久林，李立强

（宝钢工程技术集团有限公司，上海 201900）

在热轧带钢生产线中， 加热炉处于连铸与轧机的中间环节， 它的任务是按轧机的轧制节奏将钢坯加热到工艺要求的温度，实现加热炉产量、质量与轧机产量、能力的最优匹配，因此加热炉出钢节奏的确定需要满足以下两点要求：

（1）保证炉内每一块钢坯的加热质量能够满足产品加热工艺要求；

（2）能够满足轧机的轧制节奏需求和轧制能力需求，以确保产线产量和产品质量。

1 加热炉出钢节奏与最小在炉时间

1.1 加热炉出钢节奏的控制方式

常用加热炉出钢节奏的控制方式主要有以下四种：

（1）机械纯手动方式

机械纯手动方式是指不借助相关检测元件，由操作工手动操作出钢机、步进机械等设备动作，将钢坯从加热炉内取出。 此方式通常在生产异常状态下或设备调试时采用。

（2）基础自动化手动方式

借助基础自动化系统实现手动出钢的一种控制方式，即炉内钢坯到达出料位后（炉内激光检测到钢坯）， 由操作工点击相关控制按钮启动出钢操作，将钢坯从炉内抽出。

（3）定时方式

通过设定符合轧制需求的钢坯到达除鳞机或第一架粗轧机R1的定时时间来控制加热炉的出钢节奏，定时时间也可以通过加热炉操作台进行修正。该控制方式是国内各热轧产线最常用的控制方式。

（4）自动节奏方式

以精轧机F1的空转时间（前一块带钢从抛钢到咬入下一块带钢的间隔时间）为主来统筹全轧线的运行，并以此来决定加热炉的出钢节奏。

实践证明， 以F1作为节奏控制点是纵观全轧制线的最佳切入点，最能显示轧制的高效率，如果将最短的空转时间控制在10 s左右或以下， 可将整条轧线产量发挥到极致，节能效果也最明显，但同时也存在一定的难度和风险，稍有不慎，很容易废钢。

1.2 最小在炉时间的定义

最小在炉时间的定义： 保证钢坯加热质量和加热工艺要求所必须具备的在加热炉内的加热时间，是以标准钢坯和加热炉的额定产量来计算的，见式（1）。

式中：t—最小在炉时间，min

L—加热炉有效长度，m

W—标准坯宽度，m

S—钢坯间距，m

G—标准坯重量，t

Q—加热炉额定产量，t/h

1.3 最小在炉时间的影响因素

（1）最小在炉时间与加热炉的加热能力有关

加热炉的加热能力根据所加热钢坯的加热工艺进行设计和配置，通常情况下，加热炉的加热能力完全能够满足钢坯的最小在炉时间要求， 本文不作深入分析。

（2）最小在炉时间受加热炉本身输送设备运行时间的影响

加热炉本身输送设备通常包括装钢机、 步进梁及出钢机等，当待加热钢坯到达加热炉后，由装钢机将钢坯托起放入炉内的步进梁上， 步进梁通过自身的步进运动将钢坯从装料端向出料端输送， 当钢坯到达出料端后， 由出钢机将加热好的钢坯从炉内抽出并进入下一道工序。

装钢机、步进梁及出钢机在运行过程中，相互连锁控制，主要包括：

①步进梁不在下限位或原点位置时， 不允许装钢机和出钢机前进、下降和抬起；

②装钢机和出钢机后退到某一点时， 步进梁方可动作。

由于装钢机和出钢机之间没有连锁控制， 可以同时或独立运行，运行时间可以叠加，且装钢机和出钢机的运行时间通常不超过1 min， 因此为简化计算， 钢坯在加热炉内的传送时间仅考虑步进梁的运行时间，见式（2）。

式中：t1—仅考虑步进梁运行时钢坯经过加热炉的运行时间，min

St—水平工作行程，m

T—步进周期，s

以国内某钢厂的热轧产线加热炉为例， 相关数据见表1。

表1 宝钢2050热轧产线加热炉相关数据

由表1可知，钢坯的最小在炉时间为：

不考虑装、出钢机的影响，标准坯经过加热炉的运行时间为：

从以上计算结果可以看出， 钢坯的最小在炉时间168 min远远大于标准坯经过加热炉需要运行的时间83 min，即在额定产量下，加热炉本身输送设备（装钢机、步进梁及出钢机）的运行是完全可以确保钢坯的最小在炉时间的。

在钢坯800 ℃热装的情况下，如果加热炉产量达到700 t/h以上，此时钢坯的最小在炉时间为：

此时通过加热炉本身输送设备的运行来确保钢坯的最小在炉时间是可能存在缺陷的。 由于加热炉的小时产量达到700 t/h的可能性基本不存在， 所以本文也不作深入探讨。

在实际生产过程中，由于钢坯品种、规格的实时变化，加热炉也不可能在其额定产量下进行生产，绝大部分情况下，加热炉均在其设计能力的65%～80%左右运行， 瞬时达到或超过加热炉能力的情况也存在，最小在炉时间不足的情况也时有发生。

例如：某加热炉人为规定某些品种钢，在均热段必须要求有35 min的在炉时间， 这是通过总结长期以来的经验来制定加热制度；也有些情况下，如果按照热工制度操作， 钢坯将无法达到最小在炉时间的要求：比如在出宽钢坯时，可能会造成其在加热段、均热段时间不足。

1.4 加热炉出钢节奏与最小在炉时间的关系

（1）定时方式下的运作

定时方式运作的前提条件：加热炉的加热控制由操作工人工控制或由计算机全过程控制（俗称加热炉燃烧模型控制），在定时时间内，确保钢坯的加热质量满足产品加热工艺要求（最小在炉时间）和轧机的轧制能力需求，即：定时方式与加热炉燃烧控制方式无关，只要满足出钢条件，就可以实现定时方式。

由于定时方式是以轧线的一点为基准（除鳞机或第一架粗轧机R1），因此每块钢坯达到这一基准点的间隔时间是基本相同的。 由于每条热轧产线一般配备多座加热炉，每座加热炉距离轧机远近不一样，且其炉门开启时间和出钢机机械性能（包括工作行程）也可能存在差异，板坯从出炉时刻起，经出钢机、出料辊道传送到基准点的时间也不一样， 最终决定了每座加热炉启动出钢的时间也是不同的[1]。

（2）自动节奏方式下的运作

在自动节奏方式下， 是以精轧机F1空转时间为主来统筹全轧线的运行， 以此来决定加热炉的出钢节奏时间。这种情况对加热炉而言，其出钢节奏必须满足轧线的轧制节奏需求，此时从钢坯装钢开始，到步进梁、出钢机的运行，以及加热炉的燃烧控制均由计算机通过计算模型来实现自动控制。

对加热炉自动燃烧控制系统来说， 当加热炉稳定运行时问题不大，但当出现以下问题时，对加热炉的燃烧控制将会提出较大的挑战：

①当轧线有带钢长度、 宽度或成品厚度等发生变化时；

②当轧线发生生产延时、减负荷、故障等异常情况时；

③当轧线某机组成为薄弱环节时；

④当钢坯出炉温度、 目标温度与内存数据不符合，需要核对全炉钢坯数据时；

⑤当钢坯在炉时间不足， 需要给出延长出钢节奏指令时；

⑥当钢坯加热温度不符， 给出升温或降温的指令而延长出钢节奏时。

2 加热炉自动燃烧控制的现状

加热炉自动燃烧控制系统（ACC）主要用来对加热炉炉温设定值进行优化计算， 实现炉温和燃耗量的优化控制， 即在满足钢坯的加热质量和轧线产量的前提下， 尽量使钢坯出炉温度最准、 截面温差最小、氧化烧损最小、燃耗最低[2]。该系统根据加热炉L1系统传上来的钢坯数据和设备运行状态信号跟踪炉内每一块钢坯的位置并保留当前炉内钢坯的分布图， 然后用加热炉炉内加热数学模型计算炉内每一块钢坯的热状态并且根据这些信息计算出最佳的燃烧控制段温度设定值以及最佳的加热炉产量。

在实际生产过程中， 钢坯出炉温度的计算存在很多难点，有些是受加热炉自身客观因素的影响，也有些是受外部因素的影响，主要包括：

（1）加热炉自身客观因素

①如采用轴向侧烧嘴， 钢坯在某段待的位置不同、时间不同，计算的钢坯出炉温度基本一致，但轧制时的感觉是有差异的；

②如钢坯的在炉时间相差很大（待轧保温时），计算的钢坯出炉温度基本一致， 但轧制时的感觉是有差异的；

③加热炉满负荷生产与低负荷生产时相比，计算的钢坯出炉温度基本一致， 但轧制时的感觉是有差异的；

④炉子本身存在差异，如与轧机的距离不一致、燃烧控制方式不一致（比例燃烧、脉冲燃烧等），计算的钢坯出炉温度基本一致， 但轧制时的感觉是有差异的。

（2）外部因素

①装炉钢坯的厚度发生变化时， 钢坯出炉温度有可能超出温度控制精度；

②装炉钢坯的温差变化超过200 ℃以上时（冷热混装），钢坯出炉温度有可能超出温度控制精度；

③炉内前、后钢坯出钢目标温度相差15 ℃以上时，钢坯出炉温度有可能超出温度控制精度；

④炉内前、后钢坯夹入特殊要求钢坯，钢坯出炉温度为保特殊出炉钢坯有可能超出温度控制精度。

另外，由于加热炉是一个热惰性物体，达到符合指令要求的工况需要一个比较长的时间， 且由于加热炉的加热钢坯品种多、加热温度变化大、轧线对钢坯轧制要求高等原因， 造成国内加热炉的自动燃烧控制系统模型始终不太完善，投入率较低。国内能有效投入使用的自动燃烧控制系统大部分还是前几年进引的法国STEIN公司的技术。

3 结语

加热炉出钢节奏控制的最终目的是满足轧机产量和能力要求，实现加热炉与轧线的最优匹配，在此基础上实现加热炉自身的优化控制， 提高钢坯加热质量的同时降低燃耗， 而未来热轧加热炉的发展趋势也应该是自动燃烧技术的持续完善。近几年，国内相关的专业化公司也在不断研发新兴的智能燃烧技术， 在原来自动燃烧技术的基础上引入智能烟气分析、视觉识别跟踪技术等。