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[摘 要]加热炉是轧钢生产线上的重要设备之一，也是钢铁工业中的耗能大户，因此提高加热炉的加热效率，降低能耗，对整个钢铁工业的节能具有重要的意义。但由于加热炉是一个典型的复杂工业被控对象，其间包括热力学的、化学的和物理的各种过程，它具有多变量、时变、非线性、强祸合、大惯性和纯滞后等特点，而且炉内钢温分布不能直接测量、外界扰动因素多，加热过程受多种生产工艺因素的制约。
[关键词]步进梁；加热炉；节能
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）04-0371-01
引言
步进梁式加热炉在能够满足粗轧机轧制工艺要求的前提下，尽可能的降低钢坯的出炉温度，尽可能以粗轧机要求的最低温度出钢；尽量缩短钢坯在高温段的停留时间，根据钢坯脱碳随钢坯温度变化的规律，要求在500一600℃之间要缓慢加热，使得钢坯能够均匀加热，在600℃以上要实现快速加热，尽量缩短钢坯在高温区域的停留时间，以减少钢坯脱碳和降低加热炉能耗。
1 加热炉现状
目前国内钢铁企业大多采用步进式加热炉，因此下面结合国内某钢铁厂的步进式加热炉来简要介绍一下步进式加热炉的工艺。该加热炉沿着炉长方向分为预热段、加热I段、加热Ⅱ段和均热段，其中预热段的长度比较长，主要是为了充分利用烟气的热量来预热钢坯，以提高燃料的利用率。为了将钢坯加热到规定的目标温度，加热炉以冷发生炉煤气为燃料，通过加热I段、加热Ⅱ段和均热段对钢坯进行加热。在进行炉温控制的时候，预热段内没有设置烧嘴不参与控制，加热I段、加热Ⅱ段和均热段各段的上下区域都设有烧嘴，因此可将加热炉分为6个控制区域进行控制。
加热炉的热工制度主要包括温度制度、燃料燃烧制度和炉压制度等。在热连轧生产线上，加热炉应该在保证向粗轧机提供符合轧制工艺要求的温度分布的钢坯的同时，尽可能的降低加热炉的能耗和钢坯的损耗，因此，目前普遍采用低温出钢的方法对钢坯进行加热。通过这种方式不仅可以降低加热炉的加热能耗，而且对于延长加热炉的使用寿命、减少炉体的渣量和清渣操作都是很有利的。由于钢坯的成本较高，因此应在加热过程尽量減少钢坯的烧损和氧化铁皮以及防止脱碳等情况的发生就显得尤为重要。
2 存在问题分析
出于对降低生产成本、提高生产效率和产品质量的要求，对于加热炉的优化控制问题一直是国内外关注的热点问题。经过各国学者坚持不懈的研究，已经取得了丰硕的研究成果，其中的某些技术已经在实际生产中得到了很好的应用。但是应该说，目前的研究还不很成熟，很多控制技术还存在着很多不足，难以直接应用到实际的生产当中，因此要将成熟的控制技术应用到实践当中，还有很多路要走。加热炉的主要任务就是向粗轧机提供满足轧制工艺要求的钢坯，在此过程中要争取加热炉能耗最小，钢坯损耗最小。这是一个多目标的优化问题，到目前为止还没有得到很好的解决。
首先，由于钢坯在加热炉内加热时无法测得钢坯的表面温度和内部温度，因而不知道钢坯能否沿着最佳的温升曲线升温，而且目前对于钢坯温升过程的建模和预测方法还都不够完善，这些因素都导致了钢坯在升温过程中难以保证能耗最小。其次，与钢坯的最佳温升曲线相对应的加热炉的最优炉温分布曲线难以获得，以往考虑的优化目标比较简单，没有涵盖所有需要考虑的优化目标，因而导致最优炉温的设定有偏差。再次，目前加热炉炉温控制技术和加热炉燃烧控制技术还有待于提高，针对这种复杂系统，控制的精度和速度还不够。
3 钢坯温度曲线优化
3.1钢坯温升曲线优化的必要性
在加热过程中，加热炉需要按照粗轧机的要求向钢坯提供足够的热量以保证钢坯能够被加热到指定的温度范围。在这个过程中，加热炉是有其最优控制目标的，即在保证出炉时钢坯的表面温度和中心温度达到要求的同时，兼顾加热炉的燃料消耗最小、钢坯的氧化烧损最小等指标。对于钢坯的温升过程来说，每一块钢坯在理论上都唯一地对应着一条自己的最优温升曲线，只有钢坯的温度沿着这条温升曲线上升，才能保证钢坯的加热性能最好，钢坯消耗的热量最少。由于按照钢坯加热温度的上限烧钢，这样不仅导致了钢坯的氧化烧损严重，而且造成了加热炉的巨大能耗浪费，也使得加热炉的使用寿命缩短。随着钢铁生产国际化竞争的日益激烈，这种以牺牲加热能耗来换取钢铁产量的做法越来越不可取了，而以节能降耗，降低生产成本为目标的钢坯加热过程的优化控制技术已经成为了研究的热点，研究成果的取得必将对钢铁行业的发展产生重大影响。
3.2钢坯不同加热方式的比较
在确定钢坯的最佳温升过程的同时涉及到钢坯的几种不同的加热方式的选择问题。在加热炉的生产实践中，产生了三种不同的钢坯加热方式。如果按照第一种方式加热，钢坯在开始的预热阶段升温过于缓慢，随后在加热段加热炉不得不加大燃料消耗量，提高钢坯的升温速度，以保证钢坯在出炉时刻的温度能够达到轧制工艺要求的范围，因而致使钢坯在加热段的升温梯度过大，导致钢坯的表面温度和中心温度的温差比较大，钢坯加热不均匀，到钢坯出炉时刻钢坯仍然没有烧透，使得钢坯难以轧制。
如果按照均衡加热方式对钢坯进行加热就会取得比较好的效果。钢坯在预热段进行预热时，当钢坯的中心温度超过600℃以后，钢坯进入到塑性范围，此时的加热速度明显加快，钢坯表面的温度迅速上升到出炉时所要求的温度，经过均热段以后，钢坯的中心温度也基本上和钢坯的表面温度很接近，因而断面温差小，适合轧制，而且由于尽量减少了钢坯在高温区域停留的时间，钢坯的氧化烧损程度得到了尽可能地降低。由上述分析可见，第二种加热方式既考虑了加热初期的温度应力，又考虑了加热中期的加热速度和均热期钢坯温度的均匀性问题，兼顾了钢坯的加热质量和产量两方面的要求，同时由于加热炉的热能利用率较高，单位能耗低，因此在实际的生产过程中都采用均衡的加热方式。
4结论
轧制工艺要求加热炉能够提供出炉温度和温差合适的钢坯，而传统的燃烧控制或炉温控制是无法完成这一工艺任务的。为此，必须采用先进的建模和控制技术以对钢坯实际出炉温度和断面温差实施控制，并控制加热炉的加热节奏与轧机的轧制节奏相配合以最大限度地减少钢坯的在炉时间以及待热、待轧时间，达到进一步节能、降耗的目的。
参考文献
[1]何用梅编著.现代连续加热炉.北京：冶金工业出版社，1980.
[2]杨宗山译.轧钢加热基础知识.北京：冶金工业出版社，1981.
[关键词]步进梁；加热炉；节能
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）04-0371-01
引言
步进梁式加热炉在能够满足粗轧机轧制工艺要求的前提下，尽可能的降低钢坯的出炉温度，尽可能以粗轧机要求的最低温度出钢；尽量缩短钢坯在高温段的停留时间，根据钢坯脱碳随钢坯温度变化的规律，要求在500一600℃之间要缓慢加热，使得钢坯能够均匀加热，在600℃以上要实现快速加热，尽量缩短钢坯在高温区域的停留时间，以减少钢坯脱碳和降低加热炉能耗。
1 加热炉现状
目前国内钢铁企业大多采用步进式加热炉，因此下面结合国内某钢铁厂的步进式加热炉来简要介绍一下步进式加热炉的工艺。该加热炉沿着炉长方向分为预热段、加热I段、加热Ⅱ段和均热段，其中预热段的长度比较长，主要是为了充分利用烟气的热量来预热钢坯，以提高燃料的利用率。为了将钢坯加热到规定的目标温度，加热炉以冷发生炉煤气为燃料，通过加热I段、加热Ⅱ段和均热段对钢坯进行加热。在进行炉温控制的时候，预热段内没有设置烧嘴不参与控制，加热I段、加热Ⅱ段和均热段各段的上下区域都设有烧嘴，因此可将加热炉分为6个控制区域进行控制。
加热炉的热工制度主要包括温度制度、燃料燃烧制度和炉压制度等。在热连轧生产线上，加热炉应该在保证向粗轧机提供符合轧制工艺要求的温度分布的钢坯的同时，尽可能的降低加热炉的能耗和钢坯的损耗，因此，目前普遍采用低温出钢的方法对钢坯进行加热。通过这种方式不仅可以降低加热炉的加热能耗，而且对于延长加热炉的使用寿命、减少炉体的渣量和清渣操作都是很有利的。由于钢坯的成本较高，因此应在加热过程尽量減少钢坯的烧损和氧化铁皮以及防止脱碳等情况的发生就显得尤为重要。
2 存在问题分析
出于对降低生产成本、提高生产效率和产品质量的要求，对于加热炉的优化控制问题一直是国内外关注的热点问题。经过各国学者坚持不懈的研究，已经取得了丰硕的研究成果，其中的某些技术已经在实际生产中得到了很好的应用。但是应该说，目前的研究还不很成熟，很多控制技术还存在着很多不足，难以直接应用到实际的生产当中，因此要将成熟的控制技术应用到实践当中，还有很多路要走。加热炉的主要任务就是向粗轧机提供满足轧制工艺要求的钢坯，在此过程中要争取加热炉能耗最小，钢坯损耗最小。这是一个多目标的优化问题，到目前为止还没有得到很好的解决。
首先，由于钢坯在加热炉内加热时无法测得钢坯的表面温度和内部温度，因而不知道钢坯能否沿着最佳的温升曲线升温，而且目前对于钢坯温升过程的建模和预测方法还都不够完善，这些因素都导致了钢坯在升温过程中难以保证能耗最小。其次，与钢坯的最佳温升曲线相对应的加热炉的最优炉温分布曲线难以获得，以往考虑的优化目标比较简单，没有涵盖所有需要考虑的优化目标，因而导致最优炉温的设定有偏差。再次，目前加热炉炉温控制技术和加热炉燃烧控制技术还有待于提高，针对这种复杂系统，控制的精度和速度还不够。
3 钢坯温度曲线优化
3.1钢坯温升曲线优化的必要性
在加热过程中，加热炉需要按照粗轧机的要求向钢坯提供足够的热量以保证钢坯能够被加热到指定的温度范围。在这个过程中，加热炉是有其最优控制目标的，即在保证出炉时钢坯的表面温度和中心温度达到要求的同时，兼顾加热炉的燃料消耗最小、钢坯的氧化烧损最小等指标。对于钢坯的温升过程来说，每一块钢坯在理论上都唯一地对应着一条自己的最优温升曲线，只有钢坯的温度沿着这条温升曲线上升，才能保证钢坯的加热性能最好，钢坯消耗的热量最少。由于按照钢坯加热温度的上限烧钢，这样不仅导致了钢坯的氧化烧损严重，而且造成了加热炉的巨大能耗浪费，也使得加热炉的使用寿命缩短。随着钢铁生产国际化竞争的日益激烈，这种以牺牲加热能耗来换取钢铁产量的做法越来越不可取了，而以节能降耗，降低生产成本为目标的钢坯加热过程的优化控制技术已经成为了研究的热点，研究成果的取得必将对钢铁行业的发展产生重大影响。
3.2钢坯不同加热方式的比较
在确定钢坯的最佳温升过程的同时涉及到钢坯的几种不同的加热方式的选择问题。在加热炉的生产实践中，产生了三种不同的钢坯加热方式。如果按照第一种方式加热，钢坯在开始的预热阶段升温过于缓慢，随后在加热段加热炉不得不加大燃料消耗量，提高钢坯的升温速度，以保证钢坯在出炉时刻的温度能够达到轧制工艺要求的范围，因而致使钢坯在加热段的升温梯度过大，导致钢坯的表面温度和中心温度的温差比较大，钢坯加热不均匀，到钢坯出炉时刻钢坯仍然没有烧透，使得钢坯难以轧制。
如果按照均衡加热方式对钢坯进行加热就会取得比较好的效果。钢坯在预热段进行预热时，当钢坯的中心温度超过600℃以后，钢坯进入到塑性范围，此时的加热速度明显加快，钢坯表面的温度迅速上升到出炉时所要求的温度，经过均热段以后，钢坯的中心温度也基本上和钢坯的表面温度很接近，因而断面温差小，适合轧制，而且由于尽量减少了钢坯在高温区域停留的时间，钢坯的氧化烧损程度得到了尽可能地降低。由上述分析可见，第二种加热方式既考虑了加热初期的温度应力，又考虑了加热中期的加热速度和均热期钢坯温度的均匀性问题，兼顾了钢坯的加热质量和产量两方面的要求，同时由于加热炉的热能利用率较高，单位能耗低，因此在实际的生产过程中都采用均衡的加热方式。
4结论
轧制工艺要求加热炉能够提供出炉温度和温差合适的钢坯，而传统的燃烧控制或炉温控制是无法完成这一工艺任务的。为此，必须采用先进的建模和控制技术以对钢坯实际出炉温度和断面温差实施控制，并控制加热炉的加热节奏与轧机的轧制节奏相配合以最大限度地减少钢坯的在炉时间以及待热、待轧时间，达到进一步节能、降耗的目的。
参考文献
[1]何用梅编著.现代连续加热炉.北京：冶金工业出版社，1980.
[2]杨宗山译.轧钢加热基础知识.北京：冶金工业出版社，1981.