JFE热连轧加热炉燃烧自动控制简介

LIU1018

JFE热连轧加热炉燃烧自动控制简介
　　
　　 文章发表时间：2007-09-11
　　 JFE钢铁公司历来对钢铁厂的节能十分重视，早于1998年即率先在西日本钢铁厂的福山分厂1号热连轧工厂的加热炉全部采用了自身预热式燃烧器，紧接着又在西日本钢铁厂仓敷分厂和东日本钢铁厂千叶分厂的加热炉亦全部采用了同样的装置。同时在加热炉的操作方面，亦采用了最新软件技术以保证节能。本文介绍的加热炉燃烧自动控制，即通过对原加热炉控制系统更新后，保证了提高轧制效率和节能的实例。
　　1．加热炉燃烧控制系统概要
　　（1）加热炉操作
　　热轧生产线中的加热炉，即将上道工序送来的板坯加热到轧钢所需要的约1200℃左右的设备，所用燃料除本厂的副产煤气（焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气按热值调整后的混合煤气）外，还有烧天然气和重油的，多为连续式，即冷坯从后部装入，经3h加热后推出。
　　加热炉为直火式，加热主靠燃烧气在炉内的辐射传热。为提高加热炉总体的热效率，首先从提高烟气的换热效率出发，近年多采用自身预热式燃烧器，公司各厂的热轧加热炉亦按此进行了改造。
　　加热炉燃烧自动控制的目的是通过对加热时间和温度严密管理，使加热时间和所用燃料最小化，但制约条件如下：
　　（a）板坯出炉温度≥规定温度；
　　（b）出炉时刻≥规定时刻；
　　（c）目的函数J＝f（炉气温度变化（t）），即J为评价燃耗最小化的函数，f为板坯和加热所必须的燃耗，t为时间。通过求得燃烧温度变化，可规定某种钢的最适方式，再由目的函数找出炉内板坯的模式，作为制约条件的出炉温度和出炉时刻亦可由各自的模式所决定。
　　（2）炉内板坯的升温模式
　　加热炉燃烧控制的难度在于对加热中板坯温度的实测困难。对此一般多采取在炉壁上开孔，由用Si、PbS等元件的放射温度计对板坯的表面温度检测，此类放射温度计可对红外领域的波长有选择地反应，故可回避炉气（主要成分为N2、CO2和H2O）放射能所产生的背景噪音。但实际检出的还有和炉气等温的炉内粉尘（多为氧化铁）的温度，故对板坯表面温度难以正确检测。于是采取了将埋入热电偶的板坯和一般板坯同时加热的方式检测板坯温度，然后据此找出炉气温度和所加热板坯温度的关系，并重新模式化，据此模式便可由炉气温度推算出各时刻的板坯温度。此时炉气对板坯传热有辐射传热和对流传热两种，但辐射传热的影响大而居支配地位，故可全部视为辐射传热，其时的辐射率称为“综合传热系数”（以下简称CG），通过上述的板坯测渐便可确定CG。
　　（3）出炉规定温度的决定
　　在热轧生产线上，成品轧后的材料温度为决定产品材质的重要管理指标，在轧制生产线冷却乃温降的决定因素，故为保证成品在机架出口的温度而决定板坯的出炉温度。为求得最低限的出炉温度，需对轧制生产线上的板坯降温变化进行严密管理。轧制生产线上的渐降模式由搬运时的辐射、空冷温降、轧制加工的轧辊吸热温降和加工发热产生的升温所组成。
　　钢板表面的传热将在轧制搬运的传热分为空冷传热、水冷传热、轧辊接触传热和摩擦传热4种，并据各设备的冷却长度给足传热系数。关于钢板内部的传热则作为板厚方向分为8类差分模式处理。各系均按轧制线上用放射温度计所测得的钢板表面温度而确定，经与实际对比，推定温度的精度尚可。板坯出炉规定温度亦是按温降模式求出的。
　　（4）出炉预定时刻的决定
　　它是根据轧制生产线上材料搬运所需的正常时间而求得。通常在轧制生产线上有多条轧制在移动，既要防止互相冲撞，又要缩短非生产时间到最低，以保生产高效化，故出钢时刻应按前后两条钢保持不会发生冲撞的最小安全距而确定。还有在多个加热炉生产时，现行加热炉的出炉时刻应考虑先行炉的板坯全部出炉或轧完的时间而定。
　　2．西日本钢铁厂福山分厂2号热轧工厂采用的加热炉燃烧自动控制技术
　　（1）设备概况
　　该工厂由于和上工序的5号连铸机直接连通，故有多种方式，即板坯不经加热而直送轧制的
　　HDR方式、板坯直接加入加热炉的DHCR方式、由铸造单位卸入板坯库即入炉的HCR方式以及板坯经冷却修磨后再装入加热炉的CCR方式等多种入炉方式。从而可根据铸造计划和轧制计划材质要求，选择最佳的生产方式。
　　由于加入方式不同，加热炉燃耗和CO2排放量亦不同，一般均按HDR、DHCR到CCR的顺序由低变高。但HDR要求连铸和轧制生产配合十分密切，往往因配合不够而影响生产效率，故生产计划多采用DHCR和HCR方式为未。
　　该工厂共有加热炉3台，主要参数为：炉长39．7m，炉宽9．8m，加热能力为20t／（h·台），荷重为510kg／（m2．h），推钢周期为45s，导轨横向距离为580mm。其燃烧器的布局为：（a）预热带无，第一加热带和第二加热带上下部左右各有2台侧部燃烧器；（b）均热带则在下部的左右各有3台侧部燃烧器，炉顶则有24台顶部燃烧器。通过这些燃烧器对炉温和流量进行控制。
　　（2）控制系统概况
　　加热炉燃烧自动控制系统的功能分配情况大致如下：
　　（a）先由lever3（B／C）即由工作计算机对生产计划中的每种板卷在各阶段的温度（轧制钢板表面温度、加热温度和出炉温度等）的目标值求出后并送给Lever2（B／C）即工艺计算机。
　　（b）Lever2再考虑轧制过程中的温降预测而决定出炉目标温度，同时按合理的轧制间距来预测出炉预定时刻。加热炉燃烧自动控制系统则按热电偶对炉内温度测定后计算机出的传热模式推算出板坯温度；同时将它和上述制约条件的出炉目标温度、出炉预定时刻相对照后算出加热炉各带的设定炉温，再传给下段的Lever1（DCS）。
　　（c）Lever1则按Lever2设定的炉温，作为各加热带的TLC－SV来实施，并通过空气FLC和燃料FIC以调整燃烧器的出力而达到所规定的炉温。
　　3．应用效果
　　（1）出炉目标温度的追从性
　　经过对出炉温度的实测值和规定目标值对比，发现对目标温度的追从性较好，平均数仅比目标值高出12．2℃。因为出炉目标温度是保证轧钢的最低温度而定的，当发现波幅太大时便即时调整，故这一温差还是合理的，对节燃有利的。
　　（2）降低燃耗和提高效率
　　经对板坯装炉温度和燃耗的关系作出分析对比。燃耗以常规工艺下板坯装炉温度500℃时的平均数为100，板坯温度以每100支的平均数计算。经统计，当在常规工艺下板坯装炉温度分别上升至600℃和700℃时，燃耗则分别下降到97和90；而在实施加热炉燃烧自动控制后，板坯装炉温度为500℃时，则燃耗分别下降到80和60。由此可以看出，实施加热炉燃烧自动控制的节燃效果巨大。
　　关于提高板坯装炉温度和对轧制效率的影响亦作了统计分析和对比。轧机效率亦以常规工艺下的平均值为100，当板坯装炉温度由400℃提高到500℃时，轧机效率由90提高到100；若进一步提高到600℃和700℃时，则轧机效率分别上升到105和110。而采用加热炉燃烧自动控制的新工艺，则500℃时为103，提高到600℃和700℃时，则分别提高到110和117。
　　由上可以看出，板坯装炉温度提高后，无论新老工艺，对加热炉燃耗和轧机效率均呈改善趋向，但新工艺的改善幅度均比老工艺大得多。这主要由于实施加热炉燃烧自动控制的新工艺不仅有利于改善加热炉本身的操作，还有利于改善加热炉和轧机生产的协调匹配，故发挥了更大的节能提效作用。
　　4．小结
　　节能是钢铁工业永远的课题，今后的轧钢生产计划仍应充分提高板坯装炉温度以有利于加热炉节能。对已实现加热炉燃烧自动控制的福山分厂2号热轧加热炉，应充分利用多种加热方式的优势，尽快开发提高板坯装炉温度的节能技术。