周勁軍，史德明，范滿倉(cāng)，翟 煒，劉自民

(馬鋼（集團(tuán)）控股有限公司，安徽馬鞍山 243000）

引言

加熱爐是軋鋼工序的主要耗能設(shè)備。在滿足軋制工藝要求的同時(shí)，做到爐膛氣氛、加熱時(shí)間、加熱溫度的最優(yōu)控制，降低氧化燒損和能耗是軋鋼加熱爐生產(chǎn)工藝追求的目標(biāo)。

目前，國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)噸鋼綜合能耗約600 kg標(biāo)煤。作為鋼鐵生產(chǎn)末端的軋鋼工序，氧化燒損偏高將帶來(lái)如下問(wèn)題：①大量能源浪費(fèi)，增加溫室氣體排放；②軋鋼成材率降低，直接影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益；③氧化鐵皮需要定期停產(chǎn)清理，影響作業(yè)率、增加工人勞動(dòng)強(qiáng)度；④在某些情況下，氧化鐵皮難以去除導(dǎo)致軋鋼產(chǎn)品表面出現(xiàn)壓氧缺陷問(wèn)題，影響產(chǎn)品質(zhì)量。⑤大量氧化鐵皮需要進(jìn)行再利用處理，浪費(fèi)社會(huì)資源、增加企業(yè)成本。目前，鋼鐵行業(yè)面臨產(chǎn)能嚴(yán)重過(guò)剩、節(jié)能環(huán)保壓力日趨加大局面，為節(jié)能降耗、降本增效，國(guó)內(nèi)外鋼鐵企業(yè)一直致力于降低軋鋼加熱爐燃耗及氧化燒損應(yīng)用技術(shù)研究。

研究表明[1]，目前國(guó)內(nèi)中小型鋼鐵企業(yè)軋鋼加熱爐爐內(nèi)氧含量范圍大部分為2%～3%，且波動(dòng)較大，氧化燒損大部分為0.8%～1.5%。國(guó)外大型鋼鐵企業(yè)軋鋼加熱爐氧化燒損一般≤0.5%。有效降低氧化燒損意義重大。

1 板坯加熱爐燃燒現(xiàn)狀測(cè)試結(jié)果及存在問(wèn)題分析

1.1 測(cè)試結(jié)果

板坯加熱爐長(zhǎng)約56 m、寬約10 m。燃燒系統(tǒng)布有長(zhǎng)焰、平焰、蓄熱等形式燒嘴，采用基于在線熱值儀檢測(cè)確定空燃比的間接燃燒控制方式。燃燒情況及燒損情況現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

相關(guān)理論及實(shí)踐表明[2]，加熱爐中煙氣殘氧量及加熱溫度控制對(duì)燃耗及氧化燒損影響較大。對(duì)燃耗而言，煙氣殘氧每減少1%，節(jié)省燃料約4%；出鋼溫度每下降5%，節(jié)省燃料約17%。對(duì)氧化燒損而言，煙氣殘氧從3%降至1%，氧化燒損可降低約78.89%。

表1 加熱爐爐內(nèi)氣氛及氧化鐵皮厚度

由表1可以看出，一加、二加、三加、均熱等各燃燒段均處于偏氧化性氣氛狀態(tài)且氣氛濃度波動(dòng)較大，與氧化燒損較高現(xiàn)象一致。在燃耗及燒損方面，存在較大的下降空間，預(yù)計(jì)燃耗可降低3%以上，鋼坯單位面積燒損率可降低8%～15%。

1.2 問(wèn)題分析

（1）空燃比控制方式

該加熱爐采用在線燃燒法熱值儀的間接控制方式，即通過(guò)燃燒法熱值儀，推算出空燃比，控制爐內(nèi)燃燒氣氛，但在實(shí)際使用過(guò)程中，存在的主要問(wèn)題如下：①熱值儀的準(zhǔn)確性受使用煤氣與標(biāo)定氣體偏差影響，熱值的準(zhǔn)確性難以保證；②燃燒法熱值儀不能檢測(cè)出煤氣成分組成，精確空燃比無(wú)法給出；③空燃比精確控制的受到是空氣、煤氣流量計(jì)的準(zhǔn)確性影響，就煤氣流量計(jì)而言，由于受到水分、粉塵、焦油、萘等雜質(zhì)影響，準(zhǔn)確性難以保證；④當(dāng)前燃燒段空燃比失真時(shí)，失真煙氣后移導(dǎo)致誤差傳導(dǎo)。

（2）加熱爐內(nèi)鋼坯溫度控制

該加熱爐內(nèi)鋼坯溫度主要依靠熱電偶測(cè)量爐內(nèi)各段煙氣溫度，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算得出。由于采用間接測(cè)量方式，存在鋼坯出爐溫度偏高且波動(dòng)較大、能耗提升、燒損加劇的問(wèn)題。

2 優(yōu)化加熱爐燃燒控制系統(tǒng)方案

針對(duì)板坯加熱爐燃燒控制上存在的問(wèn)題，本項(xiàng)目采用基于各加熱段煙氣成分監(jiān)測(cè)的燃燒控制系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，其主要由加熱爐分段燃燒控制技術(shù)及爐內(nèi)鋼坯在線紅外精確測(cè)溫技術(shù)組成。

2.1 加熱爐燃燒控制優(yōu)化原理

傳熱值儀法間接控制方式受煤氣熱值波動(dòng)、流量計(jì)量誤差、閥門開(kāi)度誤差、氣體泄漏、排煙速度等因素影響而發(fā)生偏離。該控制方式與之同，在滿足加熱制度的前提下，依據(jù)O2和CO檢測(cè)結(jié)果及控制范圍，自動(dòng)控制煤氣、空氣閥開(kāi)度，不受熱值儀、空氣及煤氣流量計(jì)準(zhǔn)確性等因素影響，通過(guò)燃燒狀態(tài)檢測(cè)、動(dòng)態(tài)尋優(yōu)、優(yōu)化調(diào)整實(shí)現(xiàn)提高最佳燃燒狀態(tài)、節(jié)省煤氣的目的，見(jiàn)圖1。鋼坯爐內(nèi)溫度參照鋼坯表面溫度確定。

圖1 燃燒控制優(yōu)化原理

2.2 加熱爐分段燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

直接對(duì)加熱爐各主要加熱段煙氣成分（O2、CO等）進(jìn)行在線檢測(cè)，根據(jù)各段煙氣成分?jǐn)?shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整各段的空氣配比，使各段煙氣成分控制在合理范圍，，最終達(dá)到降低氧化燒損，提高板坯表面質(zhì)量，降低能耗的目的。

具體技術(shù)方案是：在各燃燒段（加熱、均熱、預(yù)熱）安裝激光法探頭式過(guò)程氣體分析系統(tǒng)（見(jiàn)圖2）。每座加熱爐7個(gè)測(cè)量點(diǎn)。測(cè)量點(diǎn)布置方式為：均熱、三加熱段與二加熱各布置一套O2和一套CO激光檢測(cè)單元，一加末端布置一套CO激光檢測(cè)單元與現(xiàn)有的氧化鋯探頭配合使用。

激光法探頭式過(guò)程氣體分析系統(tǒng)除了具有技術(shù)針對(duì)性強(qiáng)、測(cè)試精度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、安裝方便、維護(hù)成本低等特點(diǎn)外，還具有如下優(yōu)勢(shì)①直接以加熱爐爐膛為檢測(cè)單元，克服高溫輻射影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)1200℃工況下煙氣進(jìn)行原位在線檢測(cè)；②檢測(cè)結(jié)果反映穿過(guò)整個(gè)爐膛的激光束線的檢測(cè)的結(jié)果，更能準(zhǔn)確代表爐內(nèi)氣氛；③與傳統(tǒng)單純檢測(cè)O2不同，該技術(shù)方案加入CO檢測(cè)參數(shù)，通過(guò)O2及CO檢測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性綜合判斷實(shí)際燃燒情況，確定控制范圍，克服了煙氣均勻性差等不確定因素影響。

圖2 爐內(nèi)氣氛溫度、測(cè)量探頭布置圖

在爐內(nèi)加裝紅外精確測(cè)溫儀表，真實(shí)反映鋼坯表面溫度，克服鋼坯出爐溫度偏高且波動(dòng)較大、能耗提升、燒損加劇的問(wèn)題。

具體技術(shù)方案是：每座加熱爐布置5個(gè)測(cè)量點(diǎn)。測(cè)量點(diǎn)布置方式為：二加熱段與三加熱段中間位置1個(gè)點(diǎn)（偏二加熱段），三加熱段出口1個(gè)點(diǎn)，均熱段出口3個(gè)點(diǎn),見(jiàn)圖2。

該紅外測(cè)溫系統(tǒng)的特點(diǎn)是能夠?qū)Χ秳?dòng)、氧化、水、蒸汽等干擾因素做出正確補(bǔ)償，保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.3 優(yōu)化控制邏輯

動(dòng)態(tài)檢測(cè)對(duì)比爐膛內(nèi)O2和CO含量，判斷燃燒偏離狀態(tài)（當(dāng)O2超過(guò)設(shè)定范圍時(shí)空氣過(guò)量，當(dāng)CO超過(guò)設(shè)定范圍時(shí)煤氣過(guò)量）。

（1）控制溫度在設(shè)定范圍內(nèi)：O2過(guò)量，減小空氣流量；CO過(guò)量，降低煤氣流量。

（2）控制溫度高于設(shè)定最大值：逐級(jí)降低煤氣流量和空氣流量，再通過(guò)（1）和（2）優(yōu)化燃燒狀態(tài)。

（3）控制溫度低于設(shè)定最小值：逐級(jí)增加空氣流量和煤氣流量，再通過(guò)（1）和（2）優(yōu)化燃燒狀態(tài)。

（4）通過(guò)（1）～（4）循環(huán)優(yōu)化調(diào)節(jié)空氣流量和煤氣流量使得爐膛內(nèi)O2和CO含量在含量控制范圍內(nèi)，爐內(nèi)燃燒處于最佳燃燒狀態(tài)，熱效率最高。

3 實(shí)施效果及分析

3.1 爐膛內(nèi)O2和CO含量改善效果分析

3.1.1 優(yōu)化前加熱爐燃燒狀態(tài)檢測(cè)分析

加熱爐優(yōu)化前燃燒狀態(tài)檢測(cè)分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 優(yōu)化前加熱爐燃燒狀態(tài)

3.1.2 優(yōu)化后加熱爐燃燒狀態(tài)檢測(cè)分析

加熱爐優(yōu)化后燃燒狀態(tài)檢測(cè)分析結(jié)果見(jiàn)表3。

3.1.3 各加熱段O2和CO優(yōu)化前后對(duì)比

該加熱爐均熱段采用平焰燒嘴，加熱二段、加熱三段采用蓄熱式燒嘴，由于控制溫度、燒嘴布置方式及燃燒方式的不同，燃燒效果存在差異。但經(jīng)過(guò)優(yōu)化，各段煙氣成分均出現(xiàn)O2降低、CO升高現(xiàn)象，具體變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3、圖4和圖5。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多次對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在相同工況下，二加O2均值由4.04%下降到1.85%、三加O2均值由3.78%下降到1.85%、均熱段O2均值由4.53%下降到2.79%。

表3 優(yōu)化后加熱爐燃燒狀態(tài)

圖3 加熱二段優(yōu)化前后對(duì)比

圖4 加熱三段優(yōu)化前后對(duì)比

圖5 均熱段優(yōu)化前后對(duì)比

3.2 氧化燒損降低效果分析

通過(guò)激光法探頭式過(guò)程氣體分析系統(tǒng)檢測(cè)控制優(yōu)化前后各段燃燒狀態(tài)，利用試樣檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，篩選出相近工況下各7個(gè)批次有效數(shù)據(jù)對(duì)比分析，檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4、表5。

通過(guò)多次對(duì)比分析得出，本次檢測(cè)優(yōu)化前后單位面積燒損率降低平均值為16.75%。

表4 優(yōu)化前氧化燒損試樣檢測(cè)數(shù)據(jù)

表5 優(yōu)化后氧化燒損試樣檢測(cè)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

通過(guò)采用激光法分段燃燒控制技術(shù)及爐內(nèi)鋼坯在線紅外精確測(cè)溫技術(shù)對(duì)加熱爐燃燒控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化：

（1）可以實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱爐各段煙氣中O2和CO及鋼坯爐內(nèi)溫度的在線監(jiān)測(cè)，使得加熱爐各段空氣過(guò)剩系數(shù)優(yōu)化做到有的放矢，從而保持加熱爐各段最佳燃燒狀態(tài)。

（2）通過(guò)在板坯加熱爐上的成功實(shí)踐，相對(duì)單位面積燒損率減少15%以上，年綜合經(jīng)濟(jì)效益1000萬(wàn)元以上，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

（3）該系統(tǒng)還可以對(duì)不同鋼種加熱及燃燒控制進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化，有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量，進(jìn)一步增加企業(yè)效益。