加熱模型控制技術：節能、減排、提高軋材質量

加熱爐是熱軋過程中的主要耗能設備，也是主要排放污染氣體粉塵設備，鋼坯加熱能耗占軋鋼工序總能耗的60～70%，加熱每噸鋼坯的二氧化碳排放量在12～24公斤。改革開放以來，我國軋鋼加熱爐在爐型結構（硬件）節能方面，做了大量的工作，但在動態加熱操作軟件節能工作方面欠缺，平均噸鋼能源消耗仍比國外先進水平高出10～15%。

由此看來，研究在多變的生產條件下，運用模型控制技術，對其爐內鋼坯溫度實行精準控制，提高熱工操作水平，對于熱軋廠節能減排以及穩定提高產品質量具有重要意義。

在論述這個問題之前，有必要搞清楚影響熱軋鋼材加熱爐節能減排、爐內鋼溫精確、均勻控制的主要因素有哪些。

一是被加熱鋼坯品種、產品多樣化，特殊鋼、高強度鋼增多，要求爐子溫度制度大幅度頻繁迅速而嚴格的變化，以往那種穩定的溫度制度無法適應產品質量的提高。

二是軋制生產節奏波動，當爐溫一定時，鋼坯在爐時間長短決定鋼坯溫度高低。

三是冷熱坯料混裝，不能及時精確地跟蹤入爐鋼溫變化、調節爐子各段供熱負荷。

四是人工感知現場工況變化，手動經驗操作（包括人工設定值，爐溫的閉環控制）本身粗糙，加之受著人為因素的影響，一人一個操作法，四班操作難以統一執行標準的熱工制度。

五是煤氣的熱值、壓力兩個參數難以穩定保證；因傳統的煤氣熱值在線檢測數據嚴重滯后、空燃比例系數不能在線實時跟蹤調節；加之，傳統的爐溫閉環調節滯后，造成爐溫、鋼溫波動。

六是熱工工藝可追溯性差，不利于熱工制度的改進和優化。

七是產品開發適應性低，使產品開發難度加大。

八是沒有利用統計分析模型，不利于加熱爐的管理

上述因素不僅影響爐內鋼溫精準、均勻的控制，而且浪費大量的能源，增加碳排放量。

加熱模型控制技術是集生產工藝、自動控制、工程數學、技術裝備及計算機軟件等專業為一體的綜合性技術，國外工業先進國家已經廣泛應用于鋼鐵企業加熱基礎自動化、過程控制，生產管理系統。

加熱模型控制技術由模型和控制兩部分組成。加熱模型是表達爐內鋼坯受熱物理過程的數學模型，控制系統通過模型可以方便快捷地將主要加熱工藝參數自動設定調節到最佳狀態。

鑒于優質熱軋鋼材產品加熱過程優化控制規律十分復雜，較為完備的數學模型不宜建立，現場爐溫、燃料流量、熱值計量儀表的檢測精度也難滿足數學模型控制的要求。

鞍山戴維冶金科技開發有限公司針對目前我國熱軋鋼材加熱爐實際情況研發出一種加熱模型控制新技術。對加熱爐內坯鋼溫實行精準控制，對于軋鋼企業節能減排、穩定提高產品質量大有裨益。該技術將數學模型與人工智能相結合，建立爐內鋼坯受熱物理過程的數學模型，發布在線實時系統的設定值。其系統由主控模型和基于傳感器在線實時最佳燃燒狀態、軋制節奏、鋼坯開軋溫度，待軋、冷熱坯料混裝、空燃比例、爐膛壓力等輔助動態優化數學模型耦合而成，從而大大提高模型控制系統的靈活性、適用性。

該系統分為三級，0級手動控制（鍵盤+鼠標操作），一級半自動控制，二級模型全自動控制。

鞍鋼線材廠于2003年10月采用鞍山市戴維冶金科技開發有限公司加熱爐智能燒鋼系統技術，對該廠加熱爐儀表計算機系統進行改造，取得了技術進步及經濟效益。

一是系統實現了智能系統程序控制燒鋼，統一了四班操作，操作方式由過去個人分散經驗型、粗放型轉化為數據型、科學型，穩定了燒鋼工藝，極大提高了燒鋼質量。

二是系統的專家數據庫優化模塊實現了現有9類74個鋼種的熱工加熱制度的優化，并為后續新鋼種熱工加熱制度的建立與優化預留了足夠的空間，而且操作簡單、易學、安全、無須專業計算機知識。

三是使用該系統后，將開軋鋼坯溫度穩定在±20℃的合理范圍內，同根鋼坯軸向溫差±15℃，避免了由于出現三線軋制節奏變化、停軋等情況時人工設定爐溫調節滯后引起開軋溫度大起大落，穩定了軋制生產工藝，提高軋材產品質量，滿足生產工藝要求。

四是使用該系統后，充分合理的利用熱裝鋼坯余熱資源，減低了單位燃料消耗。

五是使用該系統后，降低煤氣單位燃耗5.5%，按年加熱鋼坯90萬噸，平均燃耗100m3/t計算，年節約煤氣4.95X106m3，煤氣按0.36元/m3計算，年節約燃料費用178.2萬元。

六是使用該系統后，降低鋼坯氧化燒損0.1%，按年加熱鋼坯90萬噸，節約原料900噸，每噸鋼坯按3000元計，氧化鐵皮回收180元/噸，則年節約費用253.8萬元。

以上兩項合計，年節約費用共432萬元。

該技術于2005年6月應用于天津鋼鐵高速線材廠，256m2（16米×16米）梁底組合式步進式加熱爐；2007年5月用于鞍鋼厚板廠，293.4m2（9米×32.6米）2#梁底組合式步進式加熱爐，均以取得節能減排、優質高產的效果。

實踐表明：我國軋鋼加熱爐加熱過程動態優化操作模型控制技術，依靠國內自主知識創新，已經取得重大的突破，并日趨成熟。

該項技術對于提高我國軋鋼加熱爐操作水平，穩定提高我國熱軋鋼材產品質量、實現節能減排大有作為。