熱連軋產(chǎn)線綠色高效低碳轉(zhuǎn)型技術(shù)研究與應(yīng)用

關(guān)鍵詞：定綠色制造模型；協(xié)同效率；低碳技術(shù)

0 引言

對(duì)鋼鐵企業(yè)來(lái)說(shuō)低成本是企業(yè)立于不敗之地的法寶，而綠色高效低碳轉(zhuǎn)型與成本呈反比關(guān)系，在投入不變和質(zhì)量穩(wěn)定的前提下，研究綠色高效低碳轉(zhuǎn)型技術(shù)對(duì)企業(yè)的生存發(fā)展至關(guān)重要。

目前研究聚焦產(chǎn)能預(yù)測(cè)模型和生產(chǎn)能力評(píng)估的系統(tǒng)性研究有兩個(gè)方面，張志超等建立了產(chǎn)能回歸模型，對(duì)產(chǎn)能進(jìn)行預(yù)測(cè)和影響分析，并以此制定出合理的目標(biāo)產(chǎn)能，確定完成產(chǎn)能的前提條件，為提高產(chǎn)能發(fā)揮效率提供參考和指導(dǎo)；董鵬等從企業(yè)內(nèi)部工作流程出發(fā)，對(duì)整個(gè)制造過(guò)程的生產(chǎn)能力做了系統(tǒng)分析，提出了一套生產(chǎn)能力評(píng)估、平衡、提升的完整評(píng)估方案。綠色高效低碳轉(zhuǎn)型關(guān)鍵技術(shù)綜合性、系統(tǒng)性較強(qiáng)，涉及多專業(yè)合作、多部門協(xié)同，關(guān)于30%以上幅度的效率提升工業(yè)實(shí)踐尚未見相關(guān)報(bào)道。

本文以某廠兩條熱連軋產(chǎn)線為研究對(duì)象，從綠色制造模型、協(xié)同效率、低碳技術(shù)三大領(lǐng)域入手進(jìn)行了介紹，以期為同行提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1綠色制造模型的研究與應(yīng)用

熱連軋產(chǎn)線綠色制造模型研發(fā)思路，以集成的、并行的方式設(shè)計(jì)帶鋼熱軋生命周期全過(guò)程，涵蓋質(zhì)量、成本、用戶要求、環(huán)境影響、資源消耗狀況等，構(gòu)建了軋制批量計(jì)劃模型、加熱爐裝爐調(diào)度模型、加熱爐計(jì)劃編制模型、加熱過(guò)程在線控制模型、軋制節(jié)奏模型，實(shí)現(xiàn)熱軋全過(guò)程的智能聯(lián)動(dòng)控制與動(dòng)態(tài)優(yōu)化，達(dá)到生產(chǎn)制造高質(zhì)量、高效率、低成本、低污染的目的。熱連軋產(chǎn)線綠色制造模型見圖1。

1.1 軋制批量計(jì)劃模型

軋制批量計(jì)劃模型減少板坯達(dá)到軋制溫度后在爐內(nèi)保溫能耗，從而減少加熱爐能耗。

軋制批量計(jì)劃求解算法編碼與解碼，為了方便螞蟻尋優(yōu)和遺傳運(yùn)算操作，采用自然數(shù)編碼方式，利用具有唯一性的板坯號(hào)來(lái)代表板坯，板坯號(hào)相當(dāng)于TSP中的城市代號(hào)，多個(gè)板坯號(hào)串行起來(lái)組成解的編碼；在一個(gè)單元計(jì)劃首尾加入零號(hào)板坯形成閉合回路，零號(hào)板坯與其他板坯之間的距離也為零（懲罰值為零）；采用串行策略生產(chǎn)多個(gè)單元計(jì)劃。解碼時(shí)依據(jù)先后順序確定批量計(jì)劃中的單元計(jì)劃數(shù)和單元計(jì)劃板坯軋制順序，解碼過(guò)程將編碼還原為批量計(jì)劃，批量計(jì)劃中單元計(jì)劃數(shù)有等于解碼中0的個(gè)數(shù)減去1，單元計(jì)劃板坯的軋制順序按照編碼中非零數(shù)從左到右排序，如圖1（a）所示。

1.2 加熱爐裝爐調(diào)度模型

加熱爐裝爐調(diào)度模型最小化熱軋機(jī)等待板坯的時(shí)間，可以有效提高熱軋機(jī)軋制效率。

加熱爐裝爐調(diào)度編碼示例，用一個(gè)n×M矩陣表示板坯選擇加熱爐裝爐（n為軋制板坯數(shù)，M為加熱爐數(shù)），矩陣位置（i，1）表示按照軋制順序軋制的板坯的板坯號(hào)，（i，j）中j＞1時(shí)表示板坯是否選擇j+1號(hào)加熱爐加熱，（i，j）中j＞1時(shí)，（i，j）取值為0或者1，0表示不被選擇，1表示被選擇。例如[24 0 1 0…0]表示24號(hào)板坯選擇的裝爐爐號(hào)為2，解碼過(guò)程相當(dāng)于對(duì)編碼進(jìn)行翻譯的過(guò)程，例如圖71編碼所示，38號(hào)板坯選擇2號(hào)加熱爐裝爐，80號(hào)板坯選擇1號(hào)加熱爐裝爐，57號(hào)板坯選擇3號(hào)加熱爐裝爐等等，如圖1（b）所示。

1.3 加熱爐計(jì)劃編制模型

加熱爐計(jì)劃編制模型最小化相鄰板坯間的裝爐溫差，可以提高板坯的加熱質(zhì)量。

加熱爐計(jì)劃編制優(yōu)化算法螞蟻尋優(yōu)路徑示意，螞蟻從單元計(jì)劃中的第一塊軋制板坯出發(fā)，為其選擇加熱爐裝爐，然后接著為下一塊板坯依據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則選擇加熱爐裝爐，以此類推，直到螞蟻為所有板坯都選擇加熱爐。圖1（c）所示為38號(hào)板坯節(jié)點(diǎn)選擇2號(hào)加熱爐節(jié)點(diǎn)，接著依據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則80號(hào)板坯節(jié)點(diǎn)選擇1號(hào)加熱爐節(jié)點(diǎn)，同樣步驟，為57號(hào)板坯節(jié)點(diǎn)選擇3號(hào)加熱爐節(jié)點(diǎn)，直到為板坯節(jié)點(diǎn)都選擇對(duì)應(yīng)的加熱爐節(jié)點(diǎn)。

1.4 加熱過(guò)程在線控制模型

加熱過(guò)程在線控制模型控制不同規(guī)格、不同鋼種、不同產(chǎn)量、不同爐溫制度下鋼坯的溫度場(chǎng)變化規(guī)律，對(duì)帶鋼質(zhì)量和成本控制至關(guān)重要。加熱過(guò)程在線控制模型見式（1）。

（1）

式中：ρ為鋼坯的密度，kg/m3；cp為鋼坯的比熱，J/（kg·℃）；T為鋼坯的溫度，℃；t為時(shí)間，s；λ為鋼坯的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）。

1.5 軋制節(jié)奏模型

軋制節(jié)奏模型提升了加熱-粗軋-精軋-層流-卷取五個(gè)工位的邏輯聯(lián)鎖效率，軋制能力大幅提升。

軋制節(jié)奏模型，對(duì)于每一塊板坯都要計(jì)算它在軋線的運(yùn)行時(shí)間，并以前一塊板坯的運(yùn)行時(shí)間來(lái)計(jì)算時(shí)間間隔，時(shí)間間隔要參考軋制厚度、溫度等約束變量，對(duì)每塊板坯都按照這樣的方式計(jì)算。首先確定整個(gè)軋線上的關(guān)鍵點(diǎn)：HMD1-SP、SP-R1、R1-R2、R2-FM、RM-FM；其次根據(jù)頭尾流動(dòng)時(shí)間，計(jì)算前后兩塊材料在這些瓶頸點(diǎn)的頭尾時(shí)間間隔；最后按自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)的方式對(duì)實(shí)時(shí)的設(shè)定值進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，根據(jù)各級(jí)變量對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的變化，不斷利用實(shí)時(shí)信息對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行修正，以提高其預(yù)測(cè)的智能化，使時(shí)間值通過(guò)獲得補(bǔ)償來(lái)提高預(yù)測(cè)精度，并利用置信度區(qū)間來(lái)確定其誤差范圍，進(jìn)一步改善預(yù)測(cè)精度。軋制節(jié)奏模型如圖2所示。

2 協(xié)同效率的研究與應(yīng)用

2.1 庫(kù)區(qū)效率提升

板坯上料效率提升：自主開發(fā)“倒垛統(tǒng)計(jì)畫面（YMHRNNS30）”，可以自定義查詢?nèi)我鈺r(shí)間內(nèi)的板坯倒垛率，消除人工統(tǒng)計(jì)帶來(lái)的誤差。煉鋼、熱軋、制造部聯(lián)合建立了“熱送熱裝”信息通報(bào)群，解決了信息不能及時(shí)傳達(dá)帶來(lái)的倒垛增加問(wèn)題。對(duì)操作計(jì)劃內(nèi)順序調(diào)整的人員進(jìn)行專項(xiàng)培訓(xùn)，設(shè)定勞動(dòng)競(jìng)賽和績(jī)效指標(biāo)，減少板坯倒垛率。

裝、抽料效率提升：重點(diǎn)針對(duì)上料輥道控制邏輯、加熱爐裝料端裝料邏輯進(jìn)行分析和優(yōu)化；加熱爐定位精度的優(yōu)化，保證裝鋼間隙精度；抽出端抽鋼邏輯優(yōu)化，提升抽鋼效率。

2.2 加熱效率提升

高效加熱技術(shù)：根據(jù)熱軋30個(gè)系列200余個(gè)品種的不同特性，重新定義加熱爐各區(qū)功能，大幅提高板坯一加段溫度，降低二加段及均熱段溫度，縮短板坯總在爐時(shí)間，開發(fā)了基于熱軋高效加熱的組織性能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了超低/低碳鋼、碳錳鋼、管線鋼等系列鋼種的批量熱送熱裝，軋制過(guò)程穩(wěn)定，表面質(zhì)量及產(chǎn)品性能優(yōu)良。

均勻加熱技術(shù)：通過(guò)對(duì)加熱爐內(nèi)板坯導(dǎo)熱、爐膛換熱、燃料燃燒等過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合全視場(chǎng)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的反饋信號(hào)和“黑匣子”的測(cè)試結(jié)果，運(yùn)用最小二乘法進(jìn)行全數(shù)據(jù)的函數(shù)擬合，解析了系統(tǒng)設(shè)備因子動(dòng)態(tài)調(diào)整的規(guī)律，構(gòu)建了板坯溫度自校正預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了加熱爐不同工況下板坯溫度的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。針對(duì)不同規(guī)格及軋制工藝的板坯，建立了各鋼種的BISRA碼，并根據(jù)BISRA碼將模型中熱傳導(dǎo)系數(shù)進(jìn)行精細(xì)分類；同時(shí)，增加了板坯入爐、出爐過(guò)程中冷風(fēng)吸入和溢氣等溫度影響因子，修正了板坯入爐、出爐溫度的預(yù)測(cè)模型，建立了基于閉環(huán)控制的自修正優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)不同品種規(guī)格板坯加熱智能控制，減少了人為干預(yù)。采用優(yōu)化后的二級(jí)計(jì)算模型指導(dǎo)燒鋼，板坯加熱質(zhì)量與穩(wěn)定性顯著提升，加熱溫度預(yù)測(cè)模型溫差由40℃下降到10℃以內(nèi)。

2.3 軋制效率提升

通過(guò)對(duì)軋制效率制約因素分析，開發(fā)粗軋—精軋—卷取高效協(xié)同控制技術(shù)。

針對(duì)粗軋軋制道次的問(wèn)題，全面梳理熱軋品種及規(guī)格，結(jié)合硬度組、寬度規(guī)格、溫度等方面對(duì)軋機(jī)扭矩和功率進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化，使“1+7”道次比率由30%下降到7%，大幅提高了粗軋的軋制節(jié)奏。

優(yōu)化粗軋及精軋的防撞邏輯及板坯的搬運(yùn)策略，使粗軋的進(jìn)鋼節(jié)奏由105 s下降到90 s，精軋的進(jìn)鋼間隙時(shí)間由30 s下降到20 s，實(shí)現(xiàn)了精軋兩塊鋼同時(shí)軋制。

針對(duì)卷取夾送輥預(yù)設(shè)過(guò)高及夾送輥壓尾時(shí)序的問(wèn)題，優(yōu)化夾送輥預(yù)設(shè)高度，重新設(shè)計(jì)夾送輥壓尾功能，優(yōu)化卸卷小車時(shí)序，鋼卷從卷取到松卷時(shí)間降低了22 s。

2.4 運(yùn)輸效率提升

熱軋運(yùn)輸鏈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是制約高效制造的關(guān)鍵。熱軋運(yùn)輸鏈系統(tǒng)原工序是：鋼卷通過(guò)步進(jìn)梁運(yùn)送至快速鏈，經(jīng)過(guò)一系列步進(jìn)梁與旋轉(zhuǎn)臺(tái)、步進(jìn)梁與提升旋轉(zhuǎn)臺(tái)構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)入大鏈，每個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)成為制約運(yùn)輸鏈整體節(jié)奏的瓶頸。據(jù)此對(duì)步進(jìn)梁—旋轉(zhuǎn)臺(tái)—大鏈等每個(gè)環(huán)節(jié)的運(yùn)行控制邏輯進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化，主要包括：步進(jìn)梁?jiǎn)误w速度提升、0.1/0.2步進(jìn)梁邏輯優(yōu)化、TB1旋轉(zhuǎn)臺(tái)時(shí)序優(yōu)化、LTB1-WB7方向旋轉(zhuǎn)臺(tái)邏輯優(yōu)化、LTB2提升旋轉(zhuǎn)臺(tái)邏輯優(yōu)化、3#大鏈邏輯優(yōu)化、TB2旋轉(zhuǎn)臺(tái)邏輯優(yōu)化、WB5邏輯優(yōu)化，形成了運(yùn)輸鏈系統(tǒng)的高效運(yùn)輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)輸鏈廠內(nèi)流向極限節(jié)奏由130 s減少至106 s，運(yùn)輸鏈冷軋流向極限節(jié)奏由180 s減少至120 s。

通過(guò)兩年時(shí)間的實(shí)踐與應(yīng)用，年產(chǎn)能由730萬(wàn)噸提升至1022萬(wàn)噸以上，一年之內(nèi)生產(chǎn)效率提升突破24%，兩年提升幅度突破40%。

3 低碳技術(shù)的研究與應(yīng)用

3.1 無(wú)焰燃燒技術(shù)

無(wú)焰燃燒是一種溫和燃燒模式，與傳統(tǒng)燃燒有較大差別，傳統(tǒng)燃燒與無(wú)焰燃燒對(duì)比見圖3。傳統(tǒng)燃燒時(shí)進(jìn)入反應(yīng)區(qū)前反應(yīng)物的濃度高而溫度低，火焰見圖3（a）；而無(wú)焰燃燒時(shí)進(jìn)入反應(yīng)區(qū)前反應(yīng)物的濃度低而溫度高，無(wú)焰燃燒爐膛見圖3（b）。本文自主研發(fā)常溫?zé)o焰燃燒技術(shù)，加熱溫度均勻，爐內(nèi)輻射換熱效率較傳統(tǒng)燃燒方式高，燃燒過(guò)程噪音及氧化燒損低，不存在火焰鋒面和局部高溫區(qū)。常溫?zé)o焰燃燒技術(shù)突破常規(guī)無(wú)焰燃燒形成需要高溫預(yù)熱空氣的限制條件，提高了爐內(nèi)加熱溫度均勻性和換熱強(qiáng)度，降低爐窯NOx排放70%以上，最低可達(dá)到20 mg/m3，鋼坯同板溫差縮小5～9℃，平均溫度提高4～5℃。

3.2 強(qiáng)化傳熱技術(shù)

研制納米隔熱材料、輕質(zhì)高強(qiáng)澆注料、抗衰減高發(fā)射率紅外涂層和錨固釘熱障涂層四種新型節(jié)能材料，加強(qiáng)了爐襯隔熱保溫，減少了爐墻散熱損失，提高了爐壁內(nèi)襯溫度和發(fā)射率。相比常規(guī)耐材0.4左右發(fā)射率，黑體涂層材料高溫發(fā)射率提高達(dá)到0.93以上，增強(qiáng)了爐內(nèi)換熱強(qiáng)度。強(qiáng)化傳熱技術(shù)見圖4。

4 結(jié)論

1）構(gòu)建了由鑄軋工序生產(chǎn)計(jì)劃與動(dòng)態(tài)調(diào)度模型、熱軋加熱爐爐群優(yōu)化調(diào)度模型、鋼坯加熱過(guò)程在線控制模型、高效軋制模型組成的前后工序感知智能控制模型庫(kù)，實(shí)現(xiàn)熱軋全過(guò)程的智能聯(lián)動(dòng)控制與動(dòng)態(tài)優(yōu)化。

2）開發(fā)了庫(kù)區(qū)—加熱—軋制—運(yùn)輸高效協(xié)同控制技術(shù)，生產(chǎn)效率提升突破40%。

3）自主研發(fā)無(wú)焰燃燒技術(shù)和強(qiáng)化傳熱技術(shù)，在低碳技術(shù)領(lǐng)域取得重大突破。

本文摘自《金屬材料與冶金工程》2024年第6期