CN103388071B - 一种热轧加热炉局部强化加热控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热轧加热炉的局部强化加热控制方法，通过在预热段设置脉冲烧嘴并采用恒定燃烧方式，通过根据预热段热需求量来控制烧嘴的投入数量，使烧嘴一直保持最佳燃烧状态，达到局部强化加热的目的，从而改善炉宽方向温度的均匀性，不但能够保证加热质量，又可以达到节能的目的。

Description

一种热轧加热炉局部强化加热控制方法

技术领域

本发明涉及热轧加热技术，更具体地说，涉及一种热轧加热炉局部强化加热控制方法。

背景技术

目前，常见的热轧加热炉有：常规加热炉、蓄热式加热炉和脉冲加热炉。蓄热式加热炉对采用低热值煤气情况下的节能、对炉宽方向炉温均匀性和降低NOX排放具有一定的优势；但对常规热轧，蓄热式加热炉节能效果不明显，而且排烟温度偏高。常规加热炉流量调节的缺点是存在调节死区，在温度大幅度波动时，燃烧情况变差；常规的烧嘴也有优点，比如均热段上部段采用平焰烧嘴，可以分成左中右控制，分别控制板坯的头尾和中间。脉冲加热炉的一个显著特点是，根据热量需求，控制占空比，即烧嘴的ON/OFF时间，以达到设定的炉气温度。脉冲加热炉大大简化了管道布置，增加了炉长方向控制的灵活性，而且解决了小流量控制不好的难题；缺点是，各个分区的耦合性大，难以精确调节；频繁的切换，导致压力波动大，空燃比难以灵活调节，切换过程浪费能源。

最近，国内好多大型热轧加热炉采用了图1所示的脉冲加热炉，其特点是采用了平直炉顶的箱型炉1，每对烧嘴2通过切断阀可以单独控制，图1中的3为热电偶，4为钢坯，这样的炉型和烧嘴布置，从理论上讲，具有很大的灵活性，可以自由划分控制段；确保每个烧嘴，工作在最佳状态。这种炉型具备脉冲加热炉的优点，也难以克服前面提到的其本身固有的缺点。

热轧生产最关心的是加热质量和节能，加热质量最重要的就是炉温均匀性，目前来看，全部采用侧烧嘴，难以保证炉宽方向炉温的均匀性；节能涉及的影响因素比较多，其中热负荷分配是最重要的，热负荷的分配考虑产品的特性，遗憾的是，目前没有得到充分重视，对于碳钢而言，在相变温度之前，比热小，导热系数大，有利于快速吸热；而在后期，比热大，导热系数小，在有限的时间内，若想使钢坯提升很高温度，势必需要很大的热量。对钢坯本身吸热来说，前期强化加热是有利于节能的。同时，热轧加热炉常常冷热混装、钢种规格跳跃大，需要考虑控制的灵活性。另外，恒定燃烧方式，可以减少煤气压力的波动，提高控制的稳定性，有利于节能。

然而，在预热段强化加热，如果控制不当，容易导致排烟温度过高。解决这个问题，有几种方法，一是加长加热炉热回收段的长度，二是控制强化加热段的长度，三是控制加热段高温烟气的流量。这几种方法中，一般而言，加热炉的总长度是固定的，所以只能采用后面两种方法，蓄热加热方式，把大部分高温烟气通过燃烧装置自身排出，具有节能、提高温度均匀性和较少NOX排放的优点。

因此，传统的热轧加热炉已经无法大幅度降低能耗，全蓄热和全脉冲的加热炉在使用过程中都暴露出很多不足，无法满足热轧加热质量以及节能的高要求。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺点，本发明的目的是提供一种热轧加热炉局部强化加热控制方法，不但能够保证加热质量，又可以达到节能的目的。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，一种热轧加热炉，包括依次设置的炉尾段、预热段、加热段和均热段，其中，炉尾段设有排烟热电偶；预热段设有脉冲烧嘴，采用恒定燃烧方式进行燃烧，用以实现强化加热；加热段设有蓄热式烧嘴，采用蓄热脉冲方式进行加热燃烧，用以提高加热段燃烧温度，增加烟气对流，提高加热效率；均热段上部设置平焰烧嘴，下部设置脉冲烧嘴，通过燃烧控制以保证坯料出炉时的温度均匀性。

另一方面，一种热轧加热炉的局部强化加热控制方法，将加热炉设计为依次设置的炉尾段、预热段、加热段和均热段，炉尾段设有排烟热电偶，预热段设有脉冲烧嘴，加热段设有蓄热式烧嘴，均热段上部设置平焰烧嘴，下部设置脉冲烧嘴；其中，预热段的脉冲烧嘴采用恒定燃烧方式，并根据预热段热需求量来控制烧嘴的投入数量，使烧嘴一直保持最佳燃烧状态，达到局部强化加热。

所述的脉冲烧嘴控制步骤如下：

对于进入预热段段首的钢坯，以当前加热炉炉温和节奏下，预计算处钢坯到达段末时的温度T1，根据T1与钢坯段末目标温度T的偏差，求出第一热量偏差值ΔQ_forward；

对于到达预热段段末的钢坯，计算钢坯段末目标温度T与钢坯当前温度T2的偏差，求出第二热量偏差值ΔQ_feedback；

利用给定的排烟目标温度减去由排烟热电偶测得的当前排烟温度，求出第三热量偏差值ΔQ_exaust；

将上述ΔQ_forward、ΔQ_feedback、ΔQ_exaust作为热量修正量，以一定分配权重迭加起来，再根据预热段的每对烧嘴能够提供的热量，计算出当前状态下需要打开或者关闭的烧嘴对数；

通过燃烧控制系统的PLC根据当前打开的烧嘴对数以及计算出的需要调整的烧嘴对数，进行相应调整控制以实现局部强化加热。

所述的第一热量偏差值ΔQ_forward的计算公式如下：

ΔT_forward＝T-T₁

$\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{forward}}=M_{\mathrm{slab}}*{\stackrel{\‾}{C}}_{\mathrm{slab}}*\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{forward}}$

式中，M_slab为钢坯质量，为钢坯从段末预计温度T1到段末目标温度T之间的平均比热；ΔT_forward为钢坯的段末目标温度T与钢坯的段末预计温度T1的偏差。

所述的第二热量偏差值ΔQ_feedback的计算公式如下：

ΔT_feedback＝T-T₂

$\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{feedback}}=M_{\mathrm{slab}}*{{\stackrel{\‾}{C}}_{\mathrm{slab}}}^{\′}*\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{feedback}}$

式中，ΔT_feedback为钢坯段末目标温度T与钢坯当前实际温度T2的偏差，为钢坯从段末目标温度T到钢坯当前实际温度T2之间的平均比热。

所述的第三热量偏差值ΔQ_exaust的计算公式如下：

ΔQ_exaust＝C_air*ΔT_exaust*Q_烟气

式中，ΔT_exaust为目标排烟温度与当前测得的实际排烟温度的差值；C_air为目标排烟温度下对应的烟气比热；Q_烟气为控制周期内生成的烟气量。

所述的需要打开或关闭的烧嘴对数的计算公式如下：

ΔQ_总＝(δ·ΔQ_forward+(1-δ)ΔQ_feedback+ΔQ_exaust)/λ

Δn＝[ΔQ_总/ΔQ_burner]；

式中，ΔQ_总为总的热量需求；ΔQ_buner为一对烧嘴在给定时间能够提供的热量；δ为热量前馈补偿的权值，δ∈(0,1)；λ为加热效率系数，λ∈(0.85,1)；Δn为需要打开或者关闭的烧嘴对数，正值为开，负值为关，[·]为四舍五入取整。

在上述技术方案中，本发明的热轧加热炉及其局部强化加热控制方法，通过将加热炉设计为炉尾段、预热段、加热段和均热段，并且在预热段设置脉冲烧嘴并采用恒定燃烧方式，通过根据预热段热需求量来控制烧嘴的投入数量，使烧嘴一直保持最佳燃烧状态，达到局部强化加热的目的，从而改善炉宽方向温度的均匀性，不但能够保证加热质量，又可以达到节能的目的。

附图说明

图1是传统的脉冲加热炉的结构原理图；

图2是本发明的热轧加热炉的结构原理图；

图3是本发明的局部强化加热控制方法的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

请参阅图2所示，本发明的热轧加热炉包括依次设置的炉尾段5、预热段6、加热段7和均热段8，其中，炉尾段5设有排烟热电偶9，用以测量当前排烟温度；预热段6设有脉冲烧嘴10，采用恒定燃烧方式进行燃烧，用以实现强化加热；加热段7设有蓄热式烧嘴11，采用蓄热脉冲方式进行加热燃烧，一方面可以提高加热段7燃烧温度，增加烟气对流，有利于提高加热效率，另一方面，避免过多高温烟气流入预热段6和炉尾段5，而导致排烟温度升高；均热段8上部设置平焰烧嘴12，下部设置脉冲烧嘴10，通过燃烧控制以保证坯料出炉时的温度均匀性。

其中，在钢坯相变之前的预热段6，正常生产时采用局部强化加热控制方法，该方法不同于原有的流量调节方法，也不同于脉冲控制方法，而是根据钢坯的热量需求动态确定预热段6的加热长度(即控制打开脉冲烧嘴10的对数)，进行恒定燃烧，使烧嘴一直保持最佳燃烧状态，达到局部强化加热。

对于该脉冲烧嘴控制的具体步骤如图3所示：

对于进入预热段段首的钢坯，以当前加热炉炉温和节奏下，预计算处钢坯到达段末时的温度T1，根据T1与钢坯段末目标温度T的偏差，求出第一热量偏差值ΔQ_forward；

对于到达预热段段末的钢坯，计算钢坯段末目标温度T与钢坯当前温度T2的偏差，求出第二热量偏差值ΔQ_feedback；

利用给定的排烟目标温度减去由排烟热电偶9测得的当前排烟温度，求出第三热量偏差值ΔQ_exaust；

将上述ΔQ_forward、ΔQ_feedback、ΔQ_exaust作为热量修正量，以一定分配权重迭加起来，再根据预热段的每对烧嘴能够提供的热量，计算出当前状态下需要打开或者关闭的烧嘴对数；

通过燃烧控制系统的PLC根据当前打开的烧嘴对数以及计算出的需要调整的烧嘴对数，进行相应调整控制以实现局部强化加热。

所述的第一热量偏差值ΔQ_forward的计算公式如下：

ΔT_forward＝T-T₁

$\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{forward}}=M_{\mathrm{slab}}*{\stackrel{\‾}{C}}_{\mathrm{slab}}*\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{forward}}$

式中，M_slab为钢坯质量，为钢坯从段末预计温度T1到段末目标温度T之间的平均比热；ΔT_forward为钢坯的段末目标温度T与钢坯的段末预计温度T1的偏差。

所述的第二热量偏差值ΔQ_feedback的计算公式如下：

ΔT_feedback＝T-T₂

$\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{feedback}}=M_{\mathrm{slab}}*{{\stackrel{\‾}{C}}_{\mathrm{slab}}}^{\′}*\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{feedback}}$

式中，ΔT_feedback为钢坯段末目标温度T与钢坯当前实际温度T2的偏差，为钢坯从段末目标温度T到钢坯当前实际温度T2之间的平均比热。

所述的第三热量偏差值ΔQ_exaust的计算公式如下：

ΔQ_exaust＝C_air*ΔT_exaust*Q_烟气

式中，ΔT_exaust为目标排烟温度与当前测得的实际排烟温度的差值；C_air为目标排烟温度下对应的烟气比热；Q_烟气为控制周期内生成的烟气量。

所述的需要打开或关闭的烧嘴对数的计算公式如下：

ΔQ_总＝(δ·ΔQ_forward+(1-δ)ΔQ_feedback+ΔQ_exaust)/λ

Δn＝[ΔQ_总/ΔQ_burner]；

式中，ΔQ_总为总的热量需求；ΔQ_buner为一对烧嘴在给定时间能够提供的热量；δ为热量前馈补偿的权值，δ∈(0,1)；λ为加热效率系数，λ∈(0.85,1)；Δn为需要打开或者关闭的烧嘴对数，正值为开，负值为关，[·]为四舍五入取整。

实施例1

碳钢标准板坯：230×1400×10000mm，冷装，小时产量320t/h，预热段段末钢坯目标温度900度，出炉目标温度1200度，热回收段排烟目标温度600度。当前控制状态，投入总燃料48626Nm³，其中预热段16153Nm³，加热段21549Nm³，均热段10924Nm³，实际排烟温度551度，预热段预测段末温度850度，预热段段末实际温度836度，出炉实际温度1198度。

热量前馈补偿权值δ取0.5，加热效率λ取值0.9。采用本发明给出的加热炉进行加热，加热段采用蓄热脉冲控制方法，均热段采用常规控制方法，预热段采用局部强化加热控制方法，控制结果如下：

1、预热段需求的热量和预计吸收热量的前馈补偿值(即第一热量偏差值)为：

850度到900度的碳钢平均比热取值为785^J/(kgK)，

$\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{forward}}=M_{\mathrm{slab}}\×{\stackrel{\‾}{C}}_{\mathrm{slab}}\×\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{forward}}=320\×785\×(900-850)=12560000\mathrm{KJ}$

2、预热段段末的反馈修正量(即第二热量偏差值)为：

836度到900度的碳钢平均比热取值为798^J/(kgK)，

$\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{feedback}}=M_{\mathrm{slab}}\×{{\stackrel{\‾}{C}}_{\mathrm{slab}}}^{\′}\×\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{feedback}}=320\×798\×(900-836)=16346040\mathrm{KJ}$

3、排烟温度的反馈修正量(即第三热量偏差值)为：

ΔQ_exaust＝C_air×ΔT_exaust×Q_烟气＝1.60×(600-551)×48626×2.95＝11246221KJ

4、求出修正热量之和，计算需要调整的烧嘴对数：

ΔQ_burner＝800×2×9196＝14713600KJ

Δn＝[ΔQ_总/ΔQ_burner]＝[(0.5×12560000+0.5×16343034+11246221)/0.9/14713600]＝[1.94]＝2

即需要在当前状态下，多开两对烧嘴。

5、最后，把目前打开的烧嘴的对数，加上需要调整的烧嘴的对数，发送给燃烧控制系统的PLC，进行执行，控制的顺序从预热段的段末开始。表达式如下：

n_set＝n_current+Δn

其中n_current为目前打开的烧嘴对数，为十对，n_set为需要打开的总的烧嘴对数。

因此，在原来十对烧嘴的基础上，需要再增加两对烧嘴，共十二对烧嘴进行加热即可。

实施例2

碳钢标准板坯：230×1400×10000mm，400度热装，小时产量350t/h，预热段段末钢坯目标温度900度，出炉目标温度1200度，热回收段排烟目标温度600度。当前控制状态，投入总燃料43128Nm³，其中预热段16047Nm³，加热段18184Nm³，均热段8897Nm³，实际排烟温度612度，预热段预测段末温度950度，预热段段末实际温度933度，实际出炉温度1208度。

热量前馈补偿权值δ取0.5，加热效率λ取值0.9。采用本专利给出的加热炉进行加热，加热段采用蓄热脉冲控制方法，均热段采用常规控制方法，预热段采用局部强化加热控制方法，控制结果如下：

1、预热段需求的热量和预计吸收热量的差值为：

900度到950度的碳钢平均比热取值为695^J/(kgK)，

$\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{forward}}=M_{\mathrm{slab}}\×{\stackrel{\‾}{C}}_{\mathrm{slab}}\×\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{forward}}=350\×695\×(950-900)=-12162500\mathrm{KJ}$

2、预热段段末的反馈修正量为：

900度到933度的碳钢平均比热取值为700^J/(kgK)，

$\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{feedback}}=M_{\mathrm{slab}}\×{{\stackrel{\‾}{C}}_{\mathrm{slab}}}^{\′}\×\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{feedback}}=350\×700\×(933-900)=-8085000\mathrm{KJ}$

3、排烟温度的反馈修正量为：

ΔQ_exaust＝C_air×ΔT_exaust×Q_烟气＝-1.60×(612-600)×43128×2.95＝-2442770KJ

4、求出修正热量之和，计算需要调整的烧嘴对数：

ΔQ_burner＝800×2×9196＝14713600KJ

Δn＝[ΔQ_总/ΔQ_burner]＝-[((0.5×12162500+0.5×8085000)+2442770)/0.9/14713600]＝-[0.95]＝-1

即需要在当前状态下关闭一对烧嘴。

5、最后，把目前打开的烧嘴的对数，加上需要调整的烧嘴的对数，发送给燃烧控制系统的PLC，进行执行，控制的顺序从预热段的段末开始。表达式如下：

n_set＝n_current+Δn

其中n_current为目前打开的烧嘴的对数，为十对，n_set为需要打开的总的烧嘴对数。

因此，在原来十对烧嘴的基础上，需要关闭一对烧嘴，共开启九对烧嘴即可。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (1)

1.一种热轧加热炉的局部强化加热控制方法，其特征在于：

将加热炉设计为依次设置的炉尾段、预热段、加热段和均热段，炉尾段设有排烟热电偶，预热段设有脉冲烧嘴，加热段设有蓄热式烧嘴，均热段上部设置平焰烧嘴，下部设置脉冲烧嘴；其中，预热段的脉冲烧嘴采用恒定燃烧方式，并根据预热段热需求量来控制烧嘴的投入数量，使烧嘴一直保持最佳燃烧状态，达到局部强化加热；所述的脉冲烧嘴控制步骤如下：

对于进入预热段段首的钢坯，以当前加热炉炉温和节奏下，预计算处钢坯到达段末时的温度T1，根据T1与钢坯段末目标温度T的偏差，求出第一热量偏差值ΔQ_forward；

对于到达预热段段末的钢坯，计算钢坯段末目标温度T与钢坯当前温度T2的偏差，求出第二热量偏差值ΔQ_feedback；

利用给定的排烟目标温度减去由排烟热电偶测得的当前排烟温度，求出第三热量偏差值ΔQ_exaust；

将上述ΔQ_forward、ΔQ_feedback、ΔQ_exaust作为热量修正量，以一定分配权重迭加起来，再根据预热段的每对烧嘴能够提供的热量，计算出当前状态下需要打开或者关闭的烧嘴对数；

通过燃烧控制系统的PLC根据当前打开的烧嘴对数以及计算出的需要调整的烧嘴对数，进行相应调整控制以实现局部强化加热；

所述的第一热量偏差值ΔQ_forward的计算公式如下：

ΔT_forward＝T-T₁

$\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{forward}}=M_{\mathrm{slab}}*{\stackrel{\‾}{C}}_{\mathrm{slab}}*{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{forward}}$

式中，M_slab为钢坯质量，为钢坯从段末预计温度T1到段末目标温度T之间的平均比热；ΔT_forward为钢坯的段末目标温度T与钢坯的段末预计温度T1的偏差；

所述的第二热量偏差值ΔQ_feedback的计算公式如下：

ΔT_feedback＝T-T₂

$\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{feedback}}=M_{\mathrm{slab}}*{{\stackrel{\‾}{C}}_{\mathrm{slab}}}^{\′}*{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{feedback}}$

式中，ΔT_feedback为钢坯段末目标温度T与钢坯当前实际温度T2的偏差，为钢坯从段末目标温度T到钢坯当前实际温度T2之间的平均比热；

所述的第三热量偏差值ΔQ_exaust的计算公式如下：

ΔQ_exaust＝C_air*ΔT_exaust*Q_烟气

式中，ΔT_exaust为目标排烟温度与当前测得的实际排烟温度的差值；C_air为目标排烟温度下对应的烟气比热；Q_烟气为控制周期内生成的烟气量；

所述的需要打开或关闭的烧嘴对数的计算公式如下：

ΔQ_总＝(δ·ΔQ_forward+(1-δ)ΔQ_feedback+ΔQ_exaust)/λ

Δ_n＝[ΔQ_总/ΔQ_burner]；

式中，ΔQ_总为总的热量需求；ΔQ_buner为一对烧嘴在给定时间能够提供的热量；δ为热量前馈补偿的权值，δ∈(0,1)；λ为加热效率系数，λ∈(0.85,1)；Δn为需要打开或者关闭的烧嘴对数，正值为开，负值为关，[·]为四舍五入取整。