加热炉温度控制系统

加热炉温度控制系统

安文亮

HeatingFurnaceTemperatureControlSystem

安文亮ANWen-liang（唐山钢铁集团有限公司自动化公司，唐山063000）（TangshanSteelGroupAutomationCompany，Tangshan063000，China）

摘要院加热炉是轧线上最重要的设备之一，它的作用是把板坯加热到轧制所需要的温度。加热炉控制的目的是设定加热炉燃烧段炉温，使板坯在炉内充分受热，出炉时使其温度和均匀度能满足轧制要求，同时又要使所消耗的燃料尽量小。故温度控制能直接影响到加热炉的能耗和轧制设备寿命、钢坯成材率、最终钢材产品质量以及整个轧线的有效作业率。

Abstract:Heatingfurnaceisoneofthemostimportantequipmentoftherollingline,whosefunctionistoheattheslabtilltherequiredrollingtemperature.Thepurposeoffurnacecontrolistosetthetemperatureofthecombustionsectionofthefurnacetomaketheslabheatfullyinthefurnaceanditstemperatureanduniformitymeettherollingrequirementwhenfinishingheatingandatthesametimetomakethefuelconsumedaslittleaspossible.Sotemperaturecontrolcandirectlyaffecttheenergyconsumptionofheatingfurnaceandtheservicelifeoftherollingequipment,billetyieldandqualityoffinalsteelproductsaswellastheoperationefficiencyofthewholerollingline.

关键词院加热炉；温度控制；炉温优化Keywords:heatingfurnace；temperaturecontrol；temperatureoptimization中图分类号院TP273文献标识码院A文章编号院1006-4311（2014）21-0042-020

引言国内某钢铁厂热轧1580mm生产线的加热炉采用的是蓄热燃烧技术，使用高、焦以及转炉混合煤气做为燃料，炉体分为四个燃烧段：预热段，第一、第二加热段和均热段燃烧控制，每段又分为上下共八段燃烧温度控制方案。可以通过空气/煤气比自寻优模型，来实现煤气流量和空气流量的最佳配比控制，使燃烧达到最充分的状态，从而可以准确地控制温度。

1温度控制方法炉温控制是加热炉的核心控制部分，它由执行器自动调节，再配以空燃比等各项辅助控制以提高炉子的加热效率。每一个燃烧段的上部和下部炉温由安装在左右两侧炉墙上的热电偶来检测。在正常生产中，控制系统可以自动选择温度较高的热电偶作为炉温控制的设定值；操作人员也可以选择其中任何一侧的热电偶作为炉温控制的设定值；另外当一只热电偶出现故障时，可以自动切换到另一支热电偶进行温度测量。热电偶实际测量的温度可以给温度控制器提供参考，使其产生一个信号，这个信号可以作为空气流量和煤气流量控制器的设定值，达到控制空气和煤气的流量的目的。加热炉的高质量控制对加热炉的生产起着非常重要的作用。在板坯加热过程中，必须要控制好加热炉的各项指标，否则大风量操作不仅会产生过多的废气，还会带走很多的热能，并造成板坯表面氧化层的增加，从而延长了加热时间，造成了能源的浪费，降低了热效率。

2温度控制策略加热炉的温度控制包括加热、保温、再加热等多个过程，每个过程都要求加热温度按照轧制要求进行升温或保温。通过控制煤气和热空气的流量，能够调节设定的温度，使炉温的动态性能和静态性能都满足轧钢的工艺要求。

2.1煤气-空气双闭环控制（煤气-空气分离控制）加热炉燃烧过程中，如果温度控制的比较平稳，可以采取煤气-空气双闭环控制方案来控制煤气流量和空气流量。

煤气流量是主动量，空气流量是从动量。在稳定状态下，煤气流量和空气流量按一定的空燃比进入加热炉中。当需要根据轧制要求升降温度时，炉温控制器的输出一方输入煤气流量控制器进行煤气流量的控制；另一方经空燃比控制器后作为空气控制器的设定值，进行空气流量控制，煤气和空气双闭环比值控制开始作用。

当炉温稍高于设定温度时，炉温控制器是反作用，此时输出和空气流量的设定值都会减少，且煤气流量的测量值不会发生变化，利用煤气流量控制器控制煤气调节阀开度减小，使温度降低；同时空气流量控制器输出也减小，控制空气调节阀开度减小。当炉温稍低于设定温度时，炉温控制器也是反作用，此时输出和空气流量的设定值都会增大，且煤气流量的测量值不会发生变化，利用煤气流量控制器控制煤气调节阀开度增大，使温度升高；同时空气流量控制器输出也增大，控制空气调节阀开度增大。

如果需要快速升温，可以改进为温度控制器输出直接给煤气控制器作设定值；空气设定由生产率计算得出，通过前馈控制器发送给空气控制器。（图1）

然而，煤气-空气双闭环比值控制在温度发生急剧减少或增加的情况下就不能发挥作用了，可能会产生过氧燃烧或缺氧燃烧现象，使加热炉的热效率大大降低。为了保持煤气、空气的最佳燃烧，可采用双交叉限幅控制来弥补双闭环控制系统动态比特性上的缺陷：即在双闭环比值控制的基础上，在温度控制器后增加双交叉限幅功能。

2.2煤气-空气双交叉限幅控制双交叉限幅控制对副回路的煤气流量和空气流量的设定值的限幅控制是通过利用煤气流量和空气流量的实测值来实现的，在温度发生剧烈变化时，利用两者的相互制约能够有效的防止煤气或空气过剩。利用双交叉限幅控制，副回路控制器可以为自己选取一个合理的数值来作为设定值，如此一来，能够有效的控制煤气流量和空气流量，保证空燃比的合理性。

双交叉限幅控制能有效地限制空气过剩率，保证系统工作在最佳燃烧范围内；但同时由于双交叉限幅控制响应速度慢，限幅较死，有时并不能满足现场要求，可灵活视生产情况由上位机选择采用哪种控制方案。

3炉温的优化加热炉的燃烧控制是针对炉温而言的，但实际上真正需要控制的是板坯温度，由于钢坯内部温度难于测量，因此需要建立一种模型来监控和计算每块板坯的温度状况，这种模型被称为数学模型。数学模型一般以炉内板坯的尺寸、位置、被加热时间以及炉温为基准，对温度进行连续计算。计算出来的板坯温度与设定加热温度相比较，差值用来校正区域内的温度设定，从而使加热过程按照理想设定值进行。它实质上是在炉温自动控制的基础上，对炉温设定值的一种实时校正。数学模型的基本思想是跟据生产率及实际出钢温度的变化情况，实时修正炉温设定值。但由于每个供热段负荷不同，导致其各段模型系数也不一样，在调整模型系数时应该考虑到其实际情况。

数学模型原理：

4结束语加热炉采用这些先进的控制策略的目的是使煤气和空气充分燃烧以提高加热质量，使其作为轧机延迟时温度控制，并确保温度自动控制的稳定性。故加热炉的温度控制对于整个轧制过程来说是相当重要的，温度控制准确，板坯的温度才能满足轧制的技术要求。

参考文献院[1]乐建波.温度控制系统[M].北京:化学工业出版社,2007.[2]朱佳娜，张加易.改进型双交叉控制在热处理炉中的应用[J].中国测试技术,2004,30(4):43245.[3]蔡乔方.加热炉[M].北京：冶金出版社,2008.[4]曹树卫.钢坯步进梁式加热炉工艺设计及装备[J].钢铁研究，2007(01).[5]姜忠良，陈秀云.温度的测量与控制[M].北京：清华大学出版社,2005.作者简介院安文亮（1984-），男，河北唐山人，助理工程师，研究方向为电气自动化。