熱軋軋鋼加熱爐熱裝制度的優(yōu)化研究

唐 順，韓 楓，李朝祥，黃 文

(1.上海梅山鋼鐵股份有限公司熱軋廠，南京210039；2.安徽工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，安徽馬鞍山243002；3.南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院，南京211167)

熱裝熱送[1]是軋鋼加熱爐節(jié)能技術(shù)中最有效的一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)。隨著現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)的大型化和連續(xù)化，連續(xù)鑄鋼料坯的熱裝熱送率越來(lái)越高，給加熱爐的熱裝節(jié)能帶來(lái)很大的潛力。然而由于工藝過(guò)程的差異，熱裝溫度的變化給加熱爐的操作帶來(lái)困難，尤其是大型連續(xù)式加熱爐，不同的熱裝溫度致使加熱爐需要供入的燃料和燃料量分配的變化難以精確控制，導(dǎo)致金屬料坯嚴(yán)重氧化燒損、脫碳和過(guò)熱過(guò)燒[2-3]，不僅造成熱裝的節(jié)能潛力得不到充分發(fā)揮，甚至引起金屬的加熱質(zhì)量問(wèn)題[4]。

加熱爐經(jīng)濟(jì)點(diǎn)供熱是陸鐘武[5]上世紀(jì)90年代從爐子熱工特性出發(fā)，通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)研究確定的爐子優(yōu)化供熱原理，即在爐子結(jié)構(gòu)一定時(shí)，對(duì)應(yīng)一定的生產(chǎn)率，在同樣加熱質(zhì)量下可以有多種供熱方式，其中必有一種使得燃耗最低。如果按照這一最低的熱負(fù)荷對(duì)爐子實(shí)施操作，即可實(shí)現(xiàn)爐子的優(yōu)化操作。之后，此法曾運(yùn)用在一些小型加熱爐上獲得成功[2],而對(duì)于大型加熱爐，因需要很高的測(cè)試手段和大量計(jì)算機(jī)運(yùn)算，長(zhǎng)期以來(lái)一直沒(méi)有得到很好推廣，大運(yùn)算量計(jì)算機(jī)的普及以及在線鋼溫測(cè)試技術(shù)的成熟為其運(yùn)用創(chuàng)造了條件。為此，筆者以上海梅山鋼鐵公司3座熱軋加熱爐為研究對(duì)象，在鋼溫跟蹤測(cè)試和熱平衡測(cè)試的基礎(chǔ)上，建立加熱爐的離線仿真模型，根據(jù)不同爐型結(jié)構(gòu)、不同鋼種和不同熱裝溫度對(duì)加熱爐進(jìn)行以單耗最低為目標(biāo)的溫度制度優(yōu)化，以獲得不同鋼種在不同熱裝溫度下的最優(yōu)溫度制度。

1 模型構(gòu)成

使用的模型包括爐溫分布模型、爐膛鋼坯加熱過(guò)程的鋼溫模型、加熱爐熱平衡模型。鋼溫模型依據(jù)現(xiàn)有的爐膛結(jié)構(gòu)、爐膛內(nèi)鋼溫加熱過(guò)程的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)建立用于準(zhǔn)確反應(yīng)爐膛鋼坯加熱過(guò)程的離線鋼溫計(jì)算模型[6]。熱平衡模型是依據(jù)加熱爐的熱平衡測(cè)試，反應(yīng)加熱爐各項(xiàng)熱支出和熱收入的能量平衡模型[7]。

1)爐溫分布模型

為表達(dá)爐溫分布趨勢(shì)和水平，按爐內(nèi)各段熱電偶測(cè)試值,用近似方法構(gòu)造爐溫分布函數(shù)tf(x，τ),即

其中：ti為爐內(nèi)各段熱電偶測(cè)得的溫度值；l為料坯在爐膛的位置參數(shù)；x為鋼坯在爐內(nèi)的位置參數(shù)；τ為時(shí)間。

2)鋼溫模型

在工業(yè)生產(chǎn)允許的條件下,設(shè)鋼坯內(nèi)部為一維不穩(wěn)態(tài)傳熱,則有

式中：t(x，τ)為鋼坯沿厚度方向上的溫度分布；c，ρ，λ分別為鋼坯的比熱容、密度和導(dǎo)熱系數(shù)；S為鋼坯的透熱深度。鋼坯加熱的邊界條件為

其中qwi為第i塊鋼坯的邊界熱流。

3)熱平衡模型

基于熱平衡測(cè)試，建立爐子第區(qū)域熱平衡

其中：i代表爐子的各加熱段序號(hào)(i=1，2，3，4)；Qij(j=1，2，3，…，12)表示爐膛不同區(qū)段的熱收入和熱指出項(xiàng)。

聯(lián)立上述3個(gè)模型，對(duì)加熱爐不同的加熱過(guò)程進(jìn)行離線仿真，便可獲得一定生產(chǎn)率條件下，滿足軋鋼工藝要求的不同供熱方式和供熱分配，進(jìn)而優(yōu)化獲得最小的熱負(fù)荷，其對(duì)應(yīng)的加熱制度為最佳供熱制度。

為驗(yàn)證模型的精確性，分別對(duì)3座加熱爐就不同的熱裝溫度進(jìn)行黑匣子鋼溫測(cè)試和熱平衡測(cè)試。結(jié)果見(jiàn)表1。其中1#，2#加熱爐為常規(guī)供熱方式的加熱爐；3#加熱爐為蓄熱式加熱爐。

表1 3座加熱爐熱平衡測(cè)試及優(yōu)化結(jié)果Tab.1 Heat balance test results of the three furnace

根據(jù)表1得，模型計(jì)算的燃料單耗與測(cè)試單耗的平均誤差為3.22%。1#加熱爐鋼溫仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖1。圖1表明，仿真計(jì)算與實(shí)測(cè)值在爐膛出口處鋼溫的相對(duì)誤差為0.5%，鋼溫模型可很好地滿足工程計(jì)算需要，由此可見(jiàn)離線鋼溫模型的精度較高。

2 優(yōu)化結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量對(duì)優(yōu)化后單耗的影響

運(yùn)用鋼坯加熱過(guò)程的鋼溫模型和爐子熱平衡模型對(duì)3座加熱爐不同鋼坯的加熱過(guò)程及單耗情況進(jìn)行模擬計(jì)算。依據(jù)鋼坯的不同入爐溫度，在滿足加熱質(zhì)量的前提下，通過(guò)熱平衡測(cè)試和優(yōu)化計(jì)算，分別獲得3座加熱爐不同裝鋼溫度下的能耗和溫度制度。優(yōu)化計(jì)算后的單位燃耗隨產(chǎn)量的變化情況如圖 2～4，其中 1#，2#加熱爐取 SPHC 鋼種，3#加熱爐取Q235B鋼種。

由圖2可得：1#加熱爐SPHC鋼種在常溫(30℃)裝鋼條件下，隨著生產(chǎn)率的不斷提高，單耗變化趨勢(shì)是先降低后增加，在加熱爐產(chǎn)量為190 t/h時(shí)，爐子單耗最低，因此190 t/h時(shí)對(duì)應(yīng)的熱負(fù)荷為最佳熱負(fù)荷；加熱爐產(chǎn)量在170～230 t/h為爐子經(jīng)濟(jì)工作區(qū)，即爐子生產(chǎn)率在此范圍變化時(shí)，爐子單耗變化最小。其結(jié)果與火焰爐熱工特性相吻合，符合加熱爐優(yōu)化供熱理論。

由圖2還可看出，當(dāng)鋼坯入爐溫度分別為100，200，300，400，500 ℃時(shí)，對(duì)應(yīng)最低單耗的產(chǎn)量從190 t/h逐漸增大到250 t/h。對(duì)照優(yōu)化計(jì)算結(jié)果，加熱爐在150 t/h產(chǎn)量下，裝鋼溫度每增加100℃，單耗平均降低65.36 kJ/kg；產(chǎn)量在170 t/h下，單耗平均降低68.68 kJ/kg；產(chǎn)量在190 t/h下，單耗平均降低71.13 kJ/kg；產(chǎn)量在210 t/h下，單耗平均降低73.86 kJ/kg；產(chǎn)量在230 t/h下，單耗平均降低77.669 kJ/kg；產(chǎn)量在250 t/h下，單耗平均降低79.28 kJ/kg；產(chǎn)量在270 t/h下，單耗平均降低80.44 kJ/kg?？梢?jiàn)產(chǎn)量越大，裝鋼溫度每增加100℃，單耗的降低也越大。從1#加熱爐的計(jì)算結(jié)果看，裝鋼溫度每提高100℃，爐子的單耗降低7%～8%。隨著裝鋼溫度的提高，爐子的經(jīng)濟(jì)工作區(qū)向高產(chǎn)量方向移動(dòng)，并且爐子的最佳單耗逐漸降低。

由圖3可見(jiàn)：在常溫裝鋼條件下，單耗隨著生產(chǎn)率的不斷提高也呈先下降后增加趨勢(shì)，在加熱爐產(chǎn)量為210 t/h，爐子單耗最低，且對(duì)應(yīng)著最佳熱負(fù)荷，產(chǎn)量在190～230 t/h為爐子的經(jīng)濟(jì)工作區(qū)；當(dāng)鋼坯入爐溫度提高100℃，單耗在產(chǎn)量為210 t/h時(shí)最低；入爐溫度為200，300℃，單耗在產(chǎn)量230 t/h時(shí)最低；入爐溫度為400，500℃，單耗在產(chǎn)量250 t/h時(shí)最低。與1#加熱爐在不同裝鋼溫度下的優(yōu)化類似，隨著裝鋼溫度的增加，爐子的單耗逐漸降低，并且隨著裝鋼溫度的增加，爐子的經(jīng)濟(jì)熱負(fù)荷向高產(chǎn)量方向移動(dòng)。其變化趨勢(shì)與1#加熱爐完全相同。經(jīng)計(jì)算，2#加熱爐在不同產(chǎn)量時(shí)，裝鋼溫度每提高100℃，單耗降低7%～8%。

圖1 1#加熱爐鋼溫測(cè)試與仿真模型計(jì)算結(jié)果Fig.1 Steel temperature test compared with the steeltemperature simulation model of the No.1 furnace

圖2 1#加熱爐SPHC鋼種在常溫與不同裝鋼溫度下優(yōu)化后單耗與產(chǎn)量的關(guān)系Fig.2 SPHC steel at room temperature and different steel temperature after optimization of the relationship between consumption and production in the No.1 furnace

圖3 2#加熱爐SPHC鋼種在常溫及不同裝鋼溫度下優(yōu)化后的單耗和產(chǎn)量的關(guān)系Fig.3 SPHC steel at room temperature and different steel temperature after optimization of the relationship between consumption and production in the No.2 furnace

比較圖2～4可看出，由于1#，2#加熱爐為常規(guī)供熱方式的加熱爐，3#加熱爐為蓄熱式加熱爐，3#加熱爐在常溫及不同裝鋼溫度情況下，隨著裝鋼溫度的提高，單耗的降低隨產(chǎn)量變化的趨勢(shì)有所不同，當(dāng)達(dá)到經(jīng)濟(jì)區(qū)后，隨著產(chǎn)量的增加，鋼坯入爐溫度越高，單位熱耗隨之增加，并逐漸偏離經(jīng)濟(jì)點(diǎn)越遠(yuǎn)，這一變化規(guī)律與多點(diǎn)供熱加熱爐的熱工特性[8]十分吻合。

2.2 裝鋼溫度對(duì)優(yōu)化后單耗的影響

圖5～7為3座加熱爐在同一生產(chǎn)率條件下，單耗隨裝鋼溫度的變化曲線。從圖5，6可看出，7組曲線分別在同一產(chǎn)量下，隨著熱裝溫度的提高，單耗的下降幾乎呈直線趨勢(shì)。低溫裝鋼時(shí)，產(chǎn)量變化對(duì)單耗的變化影響小，高溫裝鋼時(shí)產(chǎn)量對(duì)單耗的變化影響大。但隨著生產(chǎn)率的提高，單耗降低總體越來(lái)越少。圖7是3#蓄熱式爐產(chǎn)量在熱裝溫度改變時(shí)的變化趨勢(shì)，與圖5，6顯示的趨勢(shì)略有不同。低溫裝鋼時(shí)，產(chǎn)量變化對(duì)單耗的影響較大，而高溫裝鋼時(shí)，產(chǎn)量變化對(duì)單耗降低的影響越來(lái)越小。

圖4 3#加熱爐Q235B鋼種在常溫及不同裝鋼溫度下優(yōu)化后的單耗和產(chǎn)量的關(guān)系Fig.4 Q235B steel at room temperature and different steel temperature after optimization of the relationship between consumption and production in the No.3 furnace

圖5 1#加熱爐SPHC鋼種不同產(chǎn)量下單耗隨裝鋼溫度的變化關(guān)系Fig.5 SPHC steel consumption change along with the steel temperature under different production of the No.1 furnace

圖6 2#加熱爐SPHC鋼種不同產(chǎn)量下單耗隨裝鋼溫度的變化關(guān)系Fig.6 SPHC steel consumption change along with the steel temperature under different production of the No.2 furnace

圖7 3#加熱爐Q235B鋼種不同產(chǎn)量下單耗隨裝鋼溫度的變化關(guān)系Fig.7 Q235B steel consumption change along with the steel temperature under different production of the No.3 furnace

3 結(jié) 論

1)加熱爐離線優(yōu)化模型，準(zhǔn)確地預(yù)示了不同結(jié)構(gòu)形式熱軋加熱爐在不同熱裝溫度下?tīng)t內(nèi)鋼坯的加熱狀況、加熱策略和加熱爐在不同產(chǎn)量下的能耗水平，為熱軋加熱爐熱裝節(jié)能提供了科學(xué)的操作依據(jù)。

2)通過(guò)計(jì)算分析得出，常規(guī)的連續(xù)式加熱爐與蓄熱式加熱爐，就產(chǎn)量變化和熱裝溫度變化時(shí)，加熱爐單耗變化的不同規(guī)律，因此2種結(jié)構(gòu)形式的加熱爐在熱裝節(jié)能方面必須采取不同的操作策略。

3)獲得了不同鋼種在不同熱裝溫度下的優(yōu)化溫度制度，為加熱爐的科學(xué)操作提供理論了參考依據(jù)，為加熱爐的節(jié)能減排提供了合理的操作制度。

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