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摘 要：在当下钢铁生产企业转型改革的大背景下，钢铁企业需要向有科学理论依据、精确控制、高效节约、清洁环保的生产模式转变。宣钢通过实施二高线自动上料和燃烧系统升级改造项目，提高了二高线加热炉烧钢效率和质量、降低能耗和氧化烧损率，大幅提高加热炉效率。同时烟气排放符合环保要求，符合现代工业精确控制、高效节约、清洁环保的可持续发展理念，创造了良好的社會效益。
关键词：自动上料 加热炉 燃烧控制
中图分类号：TG307 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）02（a）-0116-02
1 立项背景
宣钢二高线现有的加热炉自动化系统生产使用已近10年时间。其控制系统与现在主流加热炉自动化控制系统水平均有较大差距。主要表现在：控制水平不高，操作繁琐，操作员劳动强度很大。装钢端台架、装料辊道、剔钢动作、装钢动作、推钢动作，完全依靠人员熟练程度一步步手工操作。燃烧部分自动化程度也较低，由于阀门数量多均需要人工手动调节，导致操作员调节不及时，不能稳定燃烧，无法对温度场进行稳定的控制。能耗极高，且环保指标不合格。
为了改善现状，解决这一难题，我们决定通过对目前加热炉进行基础自动化的优化改造，实现炉区燃烧自动控制，以减轻人员劳动强度、提高加热炉区烧钢效率和质量、降低能耗和氧化烧损率，同时烟气排放符合环保要求，大幅提高加热炉效率。
2 总体思路
目前二线加热炉出炉侧依靠人工确认出炉侧空钢位，以及装炉端有钢位，已实现半自动连续出钢。在实际生产中，操作员劳动强度相对较小，可以继续沿用现有控制系统，不用进行过多改造。
二线加热炉装钢段每台设备，装钢端台架、装料辊道、剔钢动作、装钢动作、推钢动作，完全依靠人员熟练程度一步步手工操作。自动化程度较低，操作繁琐，操作员劳动强度过大。因此，装钢作为本次改造的重点之一。
装钢要实现自动定位，必须保证传动响应迅速，而原来的手动模式下，入炉辊道变频器给定斜坡器的上升下降时间为10s之长，导致入炉定位无法准确定位。但是如果将此时间设置过短，du/dt过快会导致变频器报超压故障。应找到一个既能满足定位快速响应的要求又能保证变频器不报故障的平衡点。
现有的加热炉自动化系统生产使用已近10年时间，其控制系统与现在主流加热炉自动化控制系统水平均有较大差距。燃烧部分自动化程度也较低，由于阀门数量多均需要人工手动调节，导致操作员调节不及时，不能稳定燃烧，无法对温度场进行稳定的控制。我们决定通过采用双交叉限幅的方法对温度进行控制，双交叉限幅实际上是以燃气流量为目标PID内环，温度为目标PID外环的串级控制。而内环的燃气流量控制则又与当前空气流量的放缩量互相交叉选择的一种控制方法。其特点是：空气和燃气的混合始终围绕理论空燃比的参照螺旋交叉稳步上升或下降，达到充分的燃烧效果。
3 技术方案
3.1 解决方案和控制特点
当前加热炉燃烧系统基础自动化的主流控制方法为双交叉限幅的方法。控制方式则是按照升温曲线模拟的多段线升温保温控制模式。
（1）双交叉限幅的方法实际上是以燃气流量为目标PID内环，温度为目标PID外环的串级控制。而内环的燃气流量控制则又与当前空气流量的放缩量互相交叉选择的一种控制方法。其特点是：空气和燃气的混合始终围绕理论空燃比的参照螺旋交叉稳步上升或下降，达到充分的燃烧效果。
（2）多段升温曲线控制模式则是升温过程按照工艺人员经验设定好的温度/时间模拟多段线逐步升温;这种简化的曲线在基础自动化实际应用中效果很好。
3.2 改造方案所需增加功能
3.2.1 控制方式
自动操作：自动操作是系统在正常工作时的主要操作方式，用此种操作方式操作时，操作位置显示自动位置，各设备将按预先设定好的联锁关系自动启动或停止，操作工在操作室内进行操作或监视。
HMI手动操作：HMI手动操作功能，主要用于燃烧、汽化控制的临时人工干预。操作显示手动操作位置，操作人员在操作室内能直接操作各设备的运行，并监视其运行情况。
通常，手动操作使用于下列情况：（1）设备调试或试运转;（2）事故处理。
操作台手动操作：操作台手动操作，主要用于装出钢顺序控制的工艺临时操作，并通过现场或摄像头监视实物运行状况。
通常，操作台手动使用与下列情况：（1）设备调试或使运转;（2）事故处理;（3）其它。
3.2.2 工艺改造控制功能
（1）装钢部分改造。
针对目前的生产情况，上料台架可能出现两根钢坯同时掉落的情况，这种特殊的情况无法依靠检测设备进行自动检测。这是本次改造基础自动化的一个盲区，因此装钢时，不能实现无人值守全自动装钢。但在人员实时监控的状态下，可实现全自动装钢。一旦发生落双钢的问题，需人工将操作台旋钮切换至手动进行操作干预，问题解决后即可继续全自动装钢。
上料台架端部设置一个冷检，用于监测钢坯。当没有钢坯时，台架自动向前运钢，直到监测有钢，台架停止。待上料辊道条件允许送钢，台架步进一周期。
若测长辊道无钢，则上料辊道启动，测长辊道启动，将钢坯运送至测长辊道进行测长。钢坯运至测长辊道后辊道自动停止，程序自动判定钢坯长度是否可以装钢，如钢坯不合格，会在HMI画面上报警（或设置声光报警），需操作人员确定后，人工剔除方可装钢。测长辊道需增加两个冷检和一台编码器。 测长辊道上的钢坯合格后，满足装钢条件便可自动装钢，定位根据测长辊道的测量的长度进行自动定位，不再撞击炉内的侧挡板。定位完成，推钢机自动推钢，推钢机回到位，装钢完成，步进梁可以向出炉侧送钢。
自动装钢与步进梁设有连锁。炉门口需增加一台冷检用于确定是否装钢完成，上料辊道和测长辊道之间也需增加一台冷检用于检测钢坯是否脱离上料辊道。
炉门、升降挡板、受料架需要增加10个接近开关用于检测升降到位信号。
（2）出钢部分改造。
保留原有出钢操作台功能，优化程序，并将原有的出炉操作台HMI进行升级，减少人员操作量。出钢实现自动水除磷需要增加一台热检。
（3）燃烧基础自动化控制部分改造。
加热炉分为6段燃烧控制，一个燃烧控制区都设置3个软件控制器。燃烧控制中，炉体上的各段空煤气调节阀的控制是重点。如下图阀门的操作面板。
各段操作如图，每段控制为一个小面板，在实际生产中，操作员可根据需要进行空气、燃气、温度进行设定，所有调节阀将自动进行PID闭环调节，达到并保持所需生产要求。
以目前老旧设备的运行情况，燃烧自动控制的可以满足目标温度±10℃范围。因此，对涉及燃烧控制的设备和工艺参数有所要求，以满足达到控制温度±5℃的范围。
（4）汽化冷却。
汽化冷却部分沿用目前生产控制系统，主管道增加流量监测，实现流量与柴油泵启停连锁。
4 实施效果
该项目实施后，实现了炉区燃烧调节阀的自动控制，减轻了人员劳动强度。提高了加热炉区烧钢效率和质量、降低能耗和氧化烧损率，同时烟气排放符合环保要求，大幅提高加热炉效率。实现温度闭环控制，精度在±5℃。2017上半年消耗高炉煤气折合标煤单耗達到38.65kg标煤/t，比去年同期降低6.82kg标煤/t。实现装钢端台架、装料辊道、剔钢动作、装钢动作、推钢动作的全自动控制，降低了操作工劳动强度。实现了钢坯测长功能，及时判定钢坯长度是否合格，避免超长钢坯入炉。实现了钢坯自动入炉定位功能，避免了对缓冲挡板的冲撞，延长了缓冲挡板的寿命。
参考文献
[1] 向海晟.轧钢加热炉分段燃烧优化控制系统实践[J].科技风，2018（30）：153.
[2] 潘富强.加热炉燃控系统优化及应用[J].福建冶金，2018，47（5）：34-36.
[3] 戴骏.钢加热炉燃烧自动化系统改造[J].中国高新区，2017（18）：31.
关键词：自动上料 加热炉 燃烧控制
中图分类号：TG307 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）02（a）-0116-02
1 立项背景
宣钢二高线现有的加热炉自动化系统生产使用已近10年时间。其控制系统与现在主流加热炉自动化控制系统水平均有较大差距。主要表现在：控制水平不高，操作繁琐，操作员劳动强度很大。装钢端台架、装料辊道、剔钢动作、装钢动作、推钢动作，完全依靠人员熟练程度一步步手工操作。燃烧部分自动化程度也较低，由于阀门数量多均需要人工手动调节，导致操作员调节不及时，不能稳定燃烧，无法对温度场进行稳定的控制。能耗极高，且环保指标不合格。
为了改善现状，解决这一难题，我们决定通过对目前加热炉进行基础自动化的优化改造，实现炉区燃烧自动控制，以减轻人员劳动强度、提高加热炉区烧钢效率和质量、降低能耗和氧化烧损率，同时烟气排放符合环保要求，大幅提高加热炉效率。
2 总体思路
目前二线加热炉出炉侧依靠人工确认出炉侧空钢位，以及装炉端有钢位，已实现半自动连续出钢。在实际生产中，操作员劳动强度相对较小，可以继续沿用现有控制系统，不用进行过多改造。
二线加热炉装钢段每台设备，装钢端台架、装料辊道、剔钢动作、装钢动作、推钢动作，完全依靠人员熟练程度一步步手工操作。自动化程度较低，操作繁琐，操作员劳动强度过大。因此，装钢作为本次改造的重点之一。
装钢要实现自动定位，必须保证传动响应迅速，而原来的手动模式下，入炉辊道变频器给定斜坡器的上升下降时间为10s之长，导致入炉定位无法准确定位。但是如果将此时间设置过短，du/dt过快会导致变频器报超压故障。应找到一个既能满足定位快速响应的要求又能保证变频器不报故障的平衡点。
现有的加热炉自动化系统生产使用已近10年时间，其控制系统与现在主流加热炉自动化控制系统水平均有较大差距。燃烧部分自动化程度也较低，由于阀门数量多均需要人工手动调节，导致操作员调节不及时，不能稳定燃烧，无法对温度场进行稳定的控制。我们决定通过采用双交叉限幅的方法对温度进行控制，双交叉限幅实际上是以燃气流量为目标PID内环，温度为目标PID外环的串级控制。而内环的燃气流量控制则又与当前空气流量的放缩量互相交叉选择的一种控制方法。其特点是：空气和燃气的混合始终围绕理论空燃比的参照螺旋交叉稳步上升或下降，达到充分的燃烧效果。
3 技术方案
3.1 解决方案和控制特点
当前加热炉燃烧系统基础自动化的主流控制方法为双交叉限幅的方法。控制方式则是按照升温曲线模拟的多段线升温保温控制模式。
（1）双交叉限幅的方法实际上是以燃气流量为目标PID内环，温度为目标PID外环的串级控制。而内环的燃气流量控制则又与当前空气流量的放缩量互相交叉选择的一种控制方法。其特点是：空气和燃气的混合始终围绕理论空燃比的参照螺旋交叉稳步上升或下降，达到充分的燃烧效果。
（2）多段升温曲线控制模式则是升温过程按照工艺人员经验设定好的温度/时间模拟多段线逐步升温;这种简化的曲线在基础自动化实际应用中效果很好。
3.2 改造方案所需增加功能
3.2.1 控制方式
自动操作：自动操作是系统在正常工作时的主要操作方式，用此种操作方式操作时，操作位置显示自动位置，各设备将按预先设定好的联锁关系自动启动或停止，操作工在操作室内进行操作或监视。
HMI手动操作：HMI手动操作功能，主要用于燃烧、汽化控制的临时人工干预。操作显示手动操作位置，操作人员在操作室内能直接操作各设备的运行，并监视其运行情况。
通常，手动操作使用于下列情况：（1）设备调试或试运转;（2）事故处理。
操作台手动操作：操作台手动操作，主要用于装出钢顺序控制的工艺临时操作，并通过现场或摄像头监视实物运行状况。
通常，操作台手动使用与下列情况：（1）设备调试或使运转;（2）事故处理;（3）其它。
3.2.2 工艺改造控制功能
（1）装钢部分改造。
针对目前的生产情况，上料台架可能出现两根钢坯同时掉落的情况，这种特殊的情况无法依靠检测设备进行自动检测。这是本次改造基础自动化的一个盲区，因此装钢时，不能实现无人值守全自动装钢。但在人员实时监控的状态下，可实现全自动装钢。一旦发生落双钢的问题，需人工将操作台旋钮切换至手动进行操作干预，问题解决后即可继续全自动装钢。
上料台架端部设置一个冷检，用于监测钢坯。当没有钢坯时，台架自动向前运钢，直到监测有钢，台架停止。待上料辊道条件允许送钢，台架步进一周期。
若测长辊道无钢，则上料辊道启动，测长辊道启动，将钢坯运送至测长辊道进行测长。钢坯运至测长辊道后辊道自动停止，程序自动判定钢坯长度是否可以装钢，如钢坯不合格，会在HMI画面上报警（或设置声光报警），需操作人员确定后，人工剔除方可装钢。测长辊道需增加两个冷检和一台编码器。 测长辊道上的钢坯合格后，满足装钢条件便可自动装钢，定位根据测长辊道的测量的长度进行自动定位，不再撞击炉内的侧挡板。定位完成，推钢机自动推钢，推钢机回到位，装钢完成，步进梁可以向出炉侧送钢。
自动装钢与步进梁设有连锁。炉门口需增加一台冷检用于确定是否装钢完成，上料辊道和测长辊道之间也需增加一台冷检用于检测钢坯是否脱离上料辊道。
炉门、升降挡板、受料架需要增加10个接近开关用于检测升降到位信号。
（2）出钢部分改造。
保留原有出钢操作台功能，优化程序，并将原有的出炉操作台HMI进行升级，减少人员操作量。出钢实现自动水除磷需要增加一台热检。
（3）燃烧基础自动化控制部分改造。
加热炉分为6段燃烧控制，一个燃烧控制区都设置3个软件控制器。燃烧控制中，炉体上的各段空煤气调节阀的控制是重点。如下图阀门的操作面板。
各段操作如图，每段控制为一个小面板，在实际生产中，操作员可根据需要进行空气、燃气、温度进行设定，所有调节阀将自动进行PID闭环调节，达到并保持所需生产要求。
以目前老旧设备的运行情况，燃烧自动控制的可以满足目标温度±10℃范围。因此，对涉及燃烧控制的设备和工艺参数有所要求，以满足达到控制温度±5℃的范围。
（4）汽化冷却。
汽化冷却部分沿用目前生产控制系统，主管道增加流量监测，实现流量与柴油泵启停连锁。
4 实施效果
该项目实施后，实现了炉区燃烧调节阀的自动控制，减轻了人员劳动强度。提高了加热炉区烧钢效率和质量、降低能耗和氧化烧损率，同时烟气排放符合环保要求，大幅提高加热炉效率。实现温度闭环控制，精度在±5℃。2017上半年消耗高炉煤气折合标煤单耗達到38.65kg标煤/t，比去年同期降低6.82kg标煤/t。实现装钢端台架、装料辊道、剔钢动作、装钢动作、推钢动作的全自动控制，降低了操作工劳动强度。实现了钢坯测长功能，及时判定钢坯长度是否合格，避免超长钢坯入炉。实现了钢坯自动入炉定位功能，避免了对缓冲挡板的冲撞，延长了缓冲挡板的寿命。
参考文献
[1] 向海晟.轧钢加热炉分段燃烧优化控制系统实践[J].科技风，2018（30）：153.
[2] 潘富强.加热炉燃控系统优化及应用[J].福建冶金，2018，47（5）：34-36.
[3] 戴骏.钢加热炉燃烧自动化系统改造[J].中国高新区，2017（18）：31.