高速線(xiàn)材生產(chǎn)線(xiàn)加熱爐出鋼節(jié)奏優(yōu)化設(shè)計(jì)

郭小威

（天津天鋼集團(tuán)有限公司高速線(xiàn)材廠(chǎng)，天津 300301）

1 引言

天鋼高速線(xiàn)材生產(chǎn)線(xiàn)是結(jié)合天鋼東移工程，于2008年開(kāi)始建設(shè)的一條具有當(dāng)今國(guó)際先進(jìn)水平的現(xiàn)代化高速連軋生產(chǎn)線(xiàn)。在工藝上采用了蓄熱式步進(jìn)梁式加熱爐，全線(xiàn)30 架軋機(jī)無(wú)扭微張力控制，摩根減定徑機(jī)組進(jìn)行精密軋制，斯太爾摩風(fēng)冷線(xiàn)與P&F 冷卻運(yùn)輸線(xiàn)進(jìn)行輸送。全線(xiàn)控制系統(tǒng)采用德國(guó)西門(mén)子公司的S7 系列400 型控制系統(tǒng)。這些先進(jìn)技術(shù)裝備的采用，確保了天鋼高速線(xiàn)材廠(chǎng)能夠生產(chǎn)出具有優(yōu)良內(nèi)在品質(zhì)的精品線(xiàn)材產(chǎn)品。

在生產(chǎn)過(guò)程中，根據(jù)生產(chǎn)需要，在軋制由天鋼集團(tuán)煉鋼廠(chǎng)生產(chǎn)的短坯料時(shí)，為保證步進(jìn)梁的均勻承重及鋼坯的加熱效率及效果，加熱爐對(duì)短坯料采取前后交錯(cuò)定位的方式，造成了前后兩顆鋼在連續(xù)軋制過(guò)程中出鋼節(jié)奏的不同，降低了軋機(jī)的利用率及產(chǎn)量。針對(duì)這種情況，本文提出了對(duì)加熱爐出鋼工藝進(jìn)行改進(jìn)，增加鋼坯定位出爐功能，使所有鋼坯出鋼節(jié)奏同步，提高了出鋼效率及軋機(jī)利用率，從而提高了高速線(xiàn)材生產(chǎn)線(xiàn)的產(chǎn)量。

2 加熱爐設(shè)備功能介紹

2.1 加熱爐設(shè)備介紹

天鋼高速線(xiàn)材生產(chǎn)線(xiàn)采用的蓄熱式步進(jìn)梁式加熱爐具有先進(jìn)高效的加熱及輸送功能，能夠?qū)t內(nèi)鋼坯進(jìn)行精確定位跟蹤，對(duì)爐內(nèi)溫度和爐壓進(jìn)行快速響應(yīng)控制。加熱爐采用兩套西門(mén)子S7 系列400 型PLC 控制系統(tǒng)，分別控制儀表系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)。儀表系統(tǒng)負(fù)責(zé)加熱爐溫度與壓力等過(guò)程控制，包括燃燒系統(tǒng)、汽包水冷系統(tǒng)等。電氣系統(tǒng)負(fù)責(zé)加熱爐坯料輸送控制，包括輥道、步進(jìn)梁、液壓站等。兩套系統(tǒng)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，由交換機(jī)連接到加熱爐儀表室操作員站，進(jìn)行控制操作。

2.2 加熱爐進(jìn)出鋼技術(shù)參數(shù)

坯料規(guī)格：150 mm×150 mm×12 500 mm，160 mm×160 mm×12 000 mm，Ф150 mm×16 000 mm；

鋼坯入爐溫度：室溫；

鋼坯出爐溫度：980～1 050℃；

裝出料方式：爐內(nèi)懸臂輥道側(cè)進(jìn)側(cè)出；

加熱爐主要尺寸：爐子內(nèi)寬長(zhǎng)度為16 700 mm，爐子砌磚寬度為17 700 mm，裝、出料輥道中心線(xiàn)距離為24 180 mm，爐子砌磚長(zhǎng)度為25 628 mm。

2.3 加熱爐區(qū)域鋼坯運(yùn)動(dòng)過(guò)程

鋼坯經(jīng)裝料臺(tái)架及裝料輥道稱(chēng)重、測(cè)長(zhǎng)后，進(jìn)入加熱爐進(jìn)料側(cè)，由爐外裝料輥道送入爐內(nèi)，當(dāng)鋼坯尾部離開(kāi)設(shè)在爐前輥道旁的光電檢測(cè)器后，輥道減速并按爐外測(cè)長(zhǎng)數(shù)據(jù)經(jīng)脈沖發(fā)生器計(jì)數(shù)延時(shí)停止，按布料圖在裝料懸臂輥上準(zhǔn)確定位，并通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行坯料位置跟蹤。通過(guò)步進(jìn)梁的運(yùn)動(dòng)將輥道上的坯料送到固定梁的起始位置，然后坯料經(jīng)過(guò)加熱爐的加熱段和均熱段，完成鋼坯的加熱過(guò)程，并一步步地移送到加熱爐的出料端，在加熱爐接到主控臺(tái)發(fā)出的出鋼信號(hào)后，步進(jìn)梁將鋼坯放到出料懸臂輥上，此時(shí)出料爐門(mén)已開(kāi)啟，鋼坯經(jīng)爐內(nèi)出料懸臂輥向爐外出料輥道送出，進(jìn)入軋線(xiàn)進(jìn)行軋制。

3 問(wèn)題的提出與改進(jìn)

3.1 連續(xù)軋制過(guò)程中加熱爐動(dòng)作步驟介紹

在連續(xù)軋制過(guò)程中，加熱爐為自動(dòng)裝出鋼方式，加熱爐定時(shí)控制模式，出鋼節(jié)奏由操作員根據(jù)軋制節(jié)奏設(shè)定出鋼間隔時(shí)間，鋼坯自動(dòng)輸送到軋機(jī)。

（1）選擇加熱爐控制或軋機(jī)控制，選擇自動(dòng)裝出鋼，選擇加熱爐定時(shí)控制方式。

（2）檢查裝鋼條件和出鋼條件是否具備。

（3）確定坯料是方鋼還是圓鋼。

（4）加熱爐控制，確認(rèn)可以出鋼，按下操作面板上“裝料啟動(dòng)”按鈕。

（5）裝料爐門(mén)自動(dòng)打開(kāi)，爐門(mén)上升指示燈閃爍，上升到位時(shí)，上升指示燈亮。畫(huà)面顯示“裝料允許”，裝料輥道和爐外輥道正轉(zhuǎn)，鋼坯開(kāi)始進(jìn)入爐內(nèi)。

（6）當(dāng)鋼坯尾部離開(kāi)爐前輥道旁的光電檢測(cè)器位置時(shí)，自動(dòng)定位開(kāi)始，畫(huà)面顯示“裝料輥道有鋼”。

（7）裝料輥道自動(dòng)停止，鋼坯定位完成，爐門(mén)開(kāi)始下降。畫(huà)面顯示鋼坯跟蹤信息。

（8）推鋼機(jī)開(kāi)始推鋼，“推鋼”指示燈閃爍。推鋼機(jī)推到前位，“推鋼”指示燈亮。方鋼，推鋼機(jī)開(kāi)始返回。圓鋼，推鋼機(jī)不返回。

（9）步進(jìn)梁開(kāi)始自動(dòng)正循環(huán)。

（10）步進(jìn)梁上升到位時(shí)，步進(jìn)梁開(kāi)始前進(jìn)，出料輥道停止自動(dòng)低速正轉(zhuǎn)。

（11）步進(jìn)梁前進(jìn)到位時(shí)，步進(jìn)梁開(kāi)始下降；圓鋼，推鋼機(jī)開(kāi)始返回；裝料輥道開(kāi)始自動(dòng)低速前進(jìn)；出料爐門(mén)開(kāi)始打開(kāi)并開(kāi)到位；裝料輥道開(kāi)始自動(dòng)低速前進(jìn)。

（12）步進(jìn)梁下降到位后，步進(jìn)梁開(kāi)始后退，出料輥道開(kāi)始快速前進(jìn)出鋼。

（13）鋼坯繼續(xù)前進(jìn)，熱金屬檢測(cè)器開(kāi)始檢測(cè)到紅鋼，畫(huà)面中熱金屬檢測(cè)器顯示紅色。步進(jìn)梁后退到位。

（14）鋼坯繼續(xù)前進(jìn)，尾部離開(kāi)熱金屬檢測(cè)器后，出料爐門(mén)開(kāi)始下降，出料跟蹤信息清除。

（15）出料爐門(mén)下降到位，出料輥道開(kāi)始自動(dòng)低速正轉(zhuǎn)。本次自動(dòng)裝出鋼過(guò)程結(jié)束。

3.2 問(wèn)題的提出

為保證步進(jìn)梁的均勻承重及鋼坯的加熱效果，因此設(shè)計(jì)工藝為短坯料鋼坯前后交錯(cuò)定位放置的方式進(jìn)行加熱，如圖1 所示。

圖1 操作員站上位機(jī)畫(huà)面

此工藝在軋制15 m 及16 m 連鑄坯時(shí)，軋制節(jié)奏緊湊，但由于生產(chǎn)過(guò)程中在軋制由天鋼集團(tuán)煉鋼廠(chǎng)生產(chǎn)的長(zhǎng)度為12 m 及10.5 m 連鑄坯時(shí)，在每個(gè)進(jìn)出鋼周期中由于鋼坯采取前后交錯(cuò)定位的方式，以及工藝上更換鋼種時(shí)空步需要情況，使得在第7步時(shí)進(jìn)鋼完成定位所花費(fèi)的時(shí)間不同，同時(shí)由于在第12 步時(shí)鋼坯前后位置不同，造成前后兩顆鋼完成出鋼時(shí)間的不同。

因此造成了加熱爐定時(shí)控制自動(dòng)裝出鋼模式下，由于鋼坯前后位置不同造成鋼坯出爐的時(shí)間不同，進(jìn)而影響軋制節(jié)奏。出鋼相差時(shí)間為進(jìn)鋼定位相差時(shí)間與出鋼完成相差時(shí)間之和。

在軋制12 m 坯料時(shí)，由于前后兩顆鋼的交錯(cuò)定位，每顆鋼所浪費(fèi)時(shí)間約為1 s，軋制10.5 m 坯料時(shí)約為1.5 s。

3.3 優(yōu)化改進(jìn)

針對(duì)上述問(wèn)題，我們?cè)诔绦蛑性黾用款w坯料的出爐延時(shí)時(shí)間，并相應(yīng)調(diào)整定時(shí)控制時(shí)間，保證出鋼節(jié)奏達(dá)到同步。延時(shí)時(shí)間根據(jù)如下公式計(jì)算：

式中：T 為出爐延時(shí)時(shí)間，m/s；L 為加熱爐內(nèi)寬距離，mm；L1為進(jìn)鋼坯料定位坐標(biāo)，mm；L2為出鋼坯料定位坐標(biāo)，mm；L1為入爐爐內(nèi)輥道速度，m/s；V2為出爐爐內(nèi)輥道速度，m/s。

延時(shí)時(shí)間＝（加熱爐內(nèi)寬距離－進(jìn)鋼坯料定位坐標(biāo)）/入爐爐內(nèi)輥道速度＋（加熱爐內(nèi)寬距離－出鋼坯料定位坐標(biāo)）/出爐爐內(nèi)輥道速度

延時(shí)后使得前后交錯(cuò)的兩顆鋼在每個(gè)出鋼周期經(jīng)過(guò)相同的時(shí)間從爐內(nèi)送出輥道，達(dá)到出鋼節(jié)奏同步，再根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整裝出鋼周期時(shí)間，就可以使出鋼節(jié)奏得到優(yōu)化。在軋制12 m 坯料時(shí)，每顆鋼可節(jié)省時(shí)間約為1 s，10.5 m 坯料約為1.5 s。

具體修改程序如下：在操作員站界面增加定位延時(shí)出爐按鈕，可以進(jìn)行選擇，當(dāng)選中定位延時(shí)出爐后，出鋼過(guò)程中加入坯料出爐延時(shí)，保證出鋼節(jié)奏的同步；當(dāng)取消定位出爐后，即跳過(guò)出鋼定位延時(shí)程序，出鋼過(guò)程與原工藝相同。

（1）添加FC72 及如下程序，如圖2 所示。

圖2 出爐延時(shí)時(shí)間計(jì)算程序

（2）在DB299 中添加變量，如圖3 所示。

圖3 程序變量表增加部分

（3）將出鋼補(bǔ)償時(shí)間由實(shí)數(shù)格式轉(zhuǎn)換成S5TIME格式的數(shù)據(jù)：

調(diào)用STEP 7 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中IEC 功能庫(kù)中的FC40（TIM_S5TI）功能塊將上步存儲(chǔ)的“TIME”格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為“ S5TIME”數(shù)據(jù)格式的數(shù)值。

（4）在出爐輥道動(dòng)作步驟前添加出鋼補(bǔ)償延時(shí)時(shí)間。

（5）在程序段中增加跳轉(zhuǎn)指令（在上位機(jī)中可以選擇），選擇出鋼定位延時(shí)執(zhí)行程序，否則跳轉(zhuǎn)。

3.4 優(yōu)化效果

該優(yōu)化設(shè)計(jì)可對(duì)天鋼高速線(xiàn)材廠(chǎng)連軋過(guò)程中加熱爐每個(gè)進(jìn)出鋼周期的坯料進(jìn)行節(jié)奏的同步，使加熱爐的效率有所提高。改進(jìn)后，可對(duì)天鋼集團(tuán)煉鋼廠(chǎng)生產(chǎn)出的各種長(zhǎng)度的坯料進(jìn)行出鋼節(jié)奏的優(yōu)化。投入運(yùn)行后，在軋制長(zhǎng)度為12 m 坯料時(shí)每萬(wàn)噸可提高產(chǎn)量約為300 t，軋制長(zhǎng)度為10.5 m 坯料時(shí)每萬(wàn)噸可提高產(chǎn)量約為500 t。同時(shí)，增加的定位延時(shí)功能選擇按鈕，為操作人員根據(jù)實(shí)際情況選擇操作提供了方便。

4 結(jié)束語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，在近年國(guó)家“節(jié)能減排，鋼鐵產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，淘汰落后產(chǎn)能”產(chǎn)業(yè)政策引導(dǎo)下，鋼鐵工業(yè)向著低能耗、高效率方向發(fā)展。根據(jù)加熱爐生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)出鋼動(dòng)作過(guò)程，提出以生產(chǎn)目標(biāo)提高為目的的鋼坯延時(shí)輸送控制方法，在保證加熱爐設(shè)備正常運(yùn)行的前提下，優(yōu)化了加熱爐出鋼節(jié)奏，提高了軋機(jī)利用率，提高了生產(chǎn)效率。

加熱爐能耗作為軋鋼工序能耗的重要組成部分，是軋鋼系統(tǒng)節(jié)能的重點(diǎn)，需要做的工作還有很多，例如合理定制升溫曲線(xiàn)，合理控制爐內(nèi)氣氛和爐壓等方面均可有效降低加熱爐能耗，從而提高生產(chǎn)效率，希望通過(guò)技術(shù)工作者的不斷努力，使加熱爐的節(jié)能降耗方面更上一個(gè)新的臺(tái)階。