脉冲燃烧工艺优化

脉冲燃烧工艺优化胡凤洋孙立为秦建超（宝钢股份热轧厂，上海200941）摘要2050产线3号炉技改后采用了脉冲燃烧控制技术，脉冲燃烧是第一次在宝钢板坯加热炉上使用。针对设计和生产过程中遇到的问题，对脉冲燃烧的工艺进行优化调整以满足现场生产的需要，提高脉冲燃烧加热炉的加热质量和稳定性。关键词脉冲燃烧空燃比温度均匀性TheOptimizationofPulseCombustionTechnologyHuFengyangSunLiweiQinJianchao（HotRollingMillPlant,BaoshanIron&SteelCo.,Ltd.,Shanghai,200941）AbstractPulsecombustiontechnologyhasbeenusedintheNo.3furnacetechnicalrenovationof2050productionline.ItwasthefirstapplicationinBaosteelreheatingfurnace.Therearemanyproblemsinthefurnacedesignandproduction,wemustoptimizethepulsecombustiontechnologytomeettherequirementsoftheactualproductiontoimprovethefurnaceheatingqualityandstability.1Keywordspulsecombustion,air-fuelration,temperatureuniformity1引言工业炉的燃烧控制水平直接影响到生产的各项指标，如产品质量、能源消耗等。目前国内的工业炉一般都采用连续燃烧控制的形式，即通过控制燃料、助燃空气流量的大小来使炉内的温度、燃烧气氛达到工艺要求。由于这种连续燃烧控制的方式往往受到燃料流量的调节和测量等环节的制约，因此目前大多数工业炉的控制效果不佳。随着工业炉工业的迅猛发展，脉冲式燃烧控制技术也应运而生，并在国内外得到一定程度的应用，取得了良好的使用效果。2脉冲燃烧简介脉冲燃烧控制采用的是一种间断燃烧的方式，使用脉宽调制技术，通过调节燃烧时间的占空比（通断比）实现窑炉的温度控制。燃料流量可通过压力调整预先设定，烧嘴一旦工作，就处于满负荷状态，保证烧嘴燃烧时的燃气出口速度不变。当需要升温时，烧嘴燃烧时间加长，间断时间减小；当需要降温时，烧嘴燃烧时间减小，间断时间加长。脉冲烧嘴前的空气和煤气阀门根据热负荷需求来确定阀门的开启时间，图1是脉冲烧嘴阀门开启控制逻辑。普通烧嘴的调节比一般为1:4左右，当烧嘴在满负荷工作时，燃气流速、火焰形状、热效率均可达到最佳状态，但当烧嘴流量接近其最小流量时，热负荷最小，燃气流速大大降低，火焰形状达不到要求，热效率急剧下降，高速烧嘴工作在满负荷流量50%以下时，上述各项指标距设计要求就有了较大的差距。脉冲燃胡凤洋，男，硕士，助理工程师，从事轧钢加热炉工艺，[e-mail]第八届（2011）中国钢铁年会论文集8-436烧则不然，无论在何种情况下，烧嘴只有两种工作状态，一种是满负荷工作，另一种是不工作，只是通过调整两种状态的时间比进行温度调节，所以采用脉冲燃烧可弥补烧嘴调节比低的缺陷，需要低温控制时仍能保证烧嘴工作在最佳燃烧状态。图1脉冲烧嘴阀门开启控制图33号炉脉冲燃烧工艺的优化脉冲燃烧技术是宝钢股份本部第一次在大型板坯加热炉上采用的技术，又是由宝钢集团内部人员自主开发。在脉冲燃烧控制方面国外公司采取了保密措施，国内公司主要是移植保温炉的控制方法，因此需要根据产线的生产特点对脉冲燃烧工艺进行优化调整。3.1脉冲燃烧设计控制工艺优化3.1.1脉冲燃烧空燃比调节优化加热炉在一定的炉温制度下，空气燃料比的优化设定对提高加热炉的加热质量和降低燃料消耗起着至关重要的作用。合理的空气燃料比不但可以提高燃料的燃烧效率，减少排烟热损失，而且还可以合理控制炉内的氧含量即炉内气氛，满足不同钢种的加热质量需求，进而提高加热制度的灵活性。传统燃烧的空燃比控制是依靠每个加热段的空气、煤气流量阀进行双交叉限幅控制，即以煤气流量为前提，结合空燃比系数及限幅要求确定空气、煤气调节阀开度，从而确保各段空燃比。3号炉改造后的加热炉燃烧系统只有空气、煤气的压力调节阀进行空气、煤气压力调节，而没有像传统加热炉一样的段前空气、煤气流量调节阀，因此对于各脉冲烧嘴的空气过剩系数没有精确的控制办法，只能采取对全炉空燃比进行调节，即对全炉所有脉冲烧嘴进行同样的空燃比控制，这就影响了不同品种钢在炉内不同位置对空气过剩量的需求，影响了脉冲加热炉的控制灵活性。3.1.1.1脉冲燃烧总管空燃比控制优化初步设计中3号脉冲加热炉通过煤气和空气总管的固定压力值来进行控制，即全炉依靠煤气总管及空气总管的压力设定、检测及调节来进行全炉空燃比控制。这种控制方法在控制上较容易实现，但是在总管煤气波动时容易出现空燃比失调的现象。为解决煤气压力波动、煤气热值变化和温度波动等情况对空燃比的影响，综合考虑压力波动、煤气热值变化和温度波动的情况，回归出煤气压力和热空气压力控制方程。煤气总管的压力控制由操作人员设定，考虑煤气热值、温度的变化，对煤气总管实际设定压力进行补偿；热空气压力始终跟随煤气压力进行自动调整，优化250t钢包透气砖安装位置的研究8-437在实际使用过程发现，煤气压力和空气压力波动较小，控制稳定。煤气和空气的控制效果如图2所示。图2煤气和热空气压力控制图3.1.1.2脉冲燃烧各区空气过剩系数控制优化通过优化控制总管空燃比的控制精度达到工艺要求，但在实际生产过程中不同的钢种对炉内的气氛要求有所不同，单独的总管空燃比控制就无法满足加热质量的要求。考虑到脉冲烧嘴的成对控制的功能和脉冲烧嘴间断燃烧的特性，开发出针对烧嘴的空气过剩系数控制方法即各区空气过剩系数控制，满足炉内各区钢种的不同加热质量的要求。根据炉温模式将各区空燃比的控制方式分为两类：一类是在低温模式时各区空燃比控制采用全炉空燃比，通过调节煤气总管压力和空气总管压力实现，另一类是在高温模式下通过烧嘴助燃空气切断阀和煤气切断阀不同的开启时间比率来实现各供热区分区空气过剩系数的设定。分区空燃比控制功能的实现，解决了特殊钢种的加热质量要求，提高了加热炉加热制度的灵活性。与此同时分区设定增加了操作工的工作量，为了解决在无精细控制要求的情况下能够实现快速设定，可参照常规加热炉的控制方式按照虚拟段进行快速设定，在快速设定方式下虚拟段中各区的空气过剩系数相同。图3是虚拟段设定和精细设定的控制画面。图3各区空气过剩系数设定画面3.1.1.3空燃比控制实际效果验证为了验证加热炉控制比的控制情况，研究院对加热炉的空气过剩系数和氧含量进行了测量（图4和图5），第八届（2011）中国钢铁年会论文集8-438测量点位置为加热炉5区。在空气过剩系数设定值为1.1的情况下，实测炉内空气过剩系数为1.054，相对误差为4.2%，空气过剩系数最大为1.159，空气过剩系数最小为1，未出现空气过剩系数低于1的情况，炉内气氛维持在微氧化气氛。空气过剩系数控制在区间（1.05~1.16）的命中率为83.5%。测量结果表明通过优化总管空燃比和开发各区空气过剩系数控制功能，加热炉空燃比控制精度达到了较高水平，在满足生产的情况下最大程度地降低燃耗。图47区空气过剩系数测量结果图57区含氧量测量结果3.1.2脉冲燃烧虚拟段控制工艺加热炉的脉冲燃烧系统由20对脉冲烧嘴构成20个独立的温度控制区，每对烧嘴成为一个脉冲控制段，每个脉冲控制段有相应的热电偶来检测温度作为段温控制，从而提高了加热炉内的温度控制灵活性。但在加热炉温度自动控制无法实现的情况下，操作人员需要频繁设定各区的温度，这无疑增加了操作人员的操作负荷，无法发挥温度控制灵活性的特点；同时，品种钢的加热控制工艺要求对板坯的各段的温度和在炉时间有明确要求，单纯的按照温度控制区来进行控制，也无法快速判断品种钢的工艺符合性。为减少操作人员的操作负荷，满足品种钢的加热炉工艺控制要求，根据炉型结构和烧嘴实际布置情况，参照其他加热炉的段控制方法，对脉冲烧嘴进行逻辑划分，即虚拟段的控制方法，虚拟段的划分情况如图6所示。优化250t钢包透气砖安装位置的研究8-439图6脉冲加热炉虚拟段虚拟段不是特定的物理结构，而是利用以上脉冲加热炉的特点，从逻辑控制上动态调整燃烧段长度的一种办法。在虚拟段控制情况下，只需要设定虚拟段的温度，各温度控制区就可以按照预先设定的权重系数进行温度设定，高效快捷；在加热品种钢过程中，可以清晰地判断品种各段加热情况，有利于提高品种的加热质量；同时虚拟段的控制工艺非常好地解决了炉群控制的差异性问题，使操作人员能够迅速地了解脉冲加热炉的工艺特点和控制方法。3.2脉冲燃烧炉温控制优化根据炉修前加热炉加热质量情况，在炉修过程中对脉冲加热炉内部的结构进行了局部调整，同时对烧嘴进行了重新标定。前期主要是在3炉模式下对加热炉进行调试，炉修投入生产后4炉模式下的加热控制方式有所变化，导致3号炉的炉温控制方面出现了些新问题，需要对3号炉的炉温控制方式进行优化调整。3.2.1粗轧温降优化控制在遇到长时间故障和计划停机时，开轧前几块板坯的粗轧温降异常偏低，较其他3座加热炉的粗轧温降要低50～70℃左右，图7是计划停机后某计划各加热炉粗轧温降情况。从图中可以看出明显的规律性，脉冲加热炉粗轧温降小，在均热段板坯轧制完毕后，粗轧温降逐渐与其他3座加热炉趋于一致。这种情况对于轧线的控制影响非常大，粗轧在用足水的情况下，也无法保证粗轧目标温度进而影响了终轧温度和卷取温度，同时对于氧化铁皮的控制也非常不利。图7开轧计划各炉温降通过观察长时间故障和计划停机情况下3号炉脉冲燃烧的控制情况，以及与操作员工的沟通交流，基本锁定了问题点：在计划停机和故障时，加热段热负荷需求较低，加热炉烧嘴基本关闭；在脉冲控制下必须保证2对烧嘴燃烧，这就导致均热段流量高于其他3座加热炉，在开轧后均热段板坯RT4温度较高。为了解决均热段煤气流量大而导致的降温困难，在脉冲烧嘴控制中优化了烧嘴对数投入功能，同时对加热炉熄火连锁功能进行了优化。功能优化后发现，粗轧温降低的情况有所缓解，但较其他加热炉还要低30第八届（2011）中国钢铁年会论文集8-440℃左右。通过对比脉冲加热炉和其他加热炉的模型参数，以及热电偶温度修正情况发现，模型参数和热电偶温度修正对粗轧温降异常情况也有一定的影响。模型参数和热电偶补偿修正后发现，计划停机和长时间故障粗轧温降低的问题基本上得到了解决。图8是计划停机后开轧计划的温降情况，3号炉粗轧温降基本与其他3座加热炉相同。图8调整各计划停机各炉温降3.2.2板坯温度均匀性优化控制板坯的温度均匀性与否直接影响到板坯在轧制过程中的温度控制以及带钢的各项精度指标。板坯均匀性包括板坯长度方向的均匀性和板坯厚度方向的均匀性。板坯长度方向的温度均匀性主要是通过带钢RT4温度的长度均匀性来间接反映；板坯厚度方向的均匀性主要是通过埋偶坯的埋偶数据来获得，但只能代表在埋偶试验工况下的板坯厚度均匀性，工况发生变化时厚度方向的温度均匀性可能有所变化。年修投产后，板坯的中间温度高，头尾温度低。板坯中间温度高于两侧温度在40~50℃，极大地影响了带钢轧制过程中的温度控制，进而影响了带钢的各项精度指标，严重情况时影响带钢性能，导致带钢封锁，如图9所示。图93号炉板坯粗轧温度分布和终轧温度分布为了缓解3号炉板坯中间温度高的情况，对加热炉的长短火焰的功能进行了优化以提高加热炉两侧炉气温度和降低加热炉中间温度。但从实际使用情况来看，效果不是很明显。为了对3号炉炉内温度场情况进行了解，对1号炉和3号炉进行了埋偶试验，加热炉炉气温度分布情况见图10和图11。通过对比1号炉和3号炉的上下炉气温度分布情况发现：3号炉在预热段和一加区域加热炉中间温度明显高于两侧炉气温度；进入二加后两侧温度上升较快，在二加区域两侧炉气温度高于中间炉气温度；在均热段中间炉气温度