步进式加热炉温度控制系统的设计与应用

刘大勇，魏 锋

南京钢铁联合有限公司中厚板卷厂，江苏 南京 210035

目前，钢铁已被广泛应用于机械、航空航天、国防等各个领域，它是每个国家国民经济的基础原料，在国民经济发展中占有相当重要的地位。另外，随着世界能源的日益消耗，人们对节能的日益关注，而加热炉的耗能占钢铁工业耗能的近1/4，是钢铁产业的耗能大户[1]。自70年代以来，各个钢铁企业为了节省能耗，都不断致力于加热炉的节能控制的研究，以便在保证钢铁质量的同时，降低能耗，提高加热炉的效率。传统的加热炉都是采用PID系统根据炉温偏差及煤气、空气实际流量来控制，但是由于煤气热值突然改变时，炉温变化比较慢，再加上步进式加热炉非线性、、大惯性、强耦合、大滞后等特点，采用PID控制方式效果就会较差。因此为了使加热炉燃烧过程普遍存在的温度控制精度差、钢坯温度波动严重、能耗高等问题得到有效解决，我们需要针对步进式加热炉设计新的温度控制系统，以提高能源的利用率。

1 步进式加热炉的结构

目前国内钢铁企业大多采用步进式加热炉，它的主要作用是通过结构上独立的上下运动和前后运动的移动粱和固定粱的反复上升、前进、下降的过程将钢坯一块一块加热后托出放置在炉子出料侧的辊道上，然后用辊道送往轧机进行轧制。步进式加热炉自装料端至出料端可以分为预热、加热和均热三段。为了提高炉内的传热效果，在加热段和均热段之间设有压下炉顶，在加热段、均热段的侧面炉墙的下部还有烧嘴，这样可以实现全部辐射。坯料进入到加热炉后，首先要经过预热段进行缓慢的升温，然后再进入加热段进行加热使钢坯的平均温度达到轧制温度，最后进入到均热段进行均热，使钢坯内外温度趋于一致。加热段是三段中最重要的一段，因为加热的程度直接决定炉口能否正常出钢和钢坯是否能被烧透[2]。为了使得均热段和加热段能迅速提温，在这两段中要根据实际生产情况配有足够的供热量。对步进式加热炉来说，最关键的是要严格控制好炉子的加热制度，把钢坯出炉时刻表面及断面温差控制在要求的范围内，保证热耗低、钢铁烧损少、炉体寿命长和加热质量好。加热炉的热工制度主要包括：温度制度和燃料燃烧制度等。另外，在加热段我们需要控制升温速度，这样可以避免温差过大，使钢坯产生热应力。

2 传统控制方法及存在的问题

步进式加热炉是用来对钢坯进行再加热的生产设备，它能够加热各种形状的钢坯，而且生产能力大，不会产生拱料、粘连，适合不同产量的钢材加热生产，但是随着计算机控制技术的普及，轧钢技术对加热设备的诸如加热温度的均匀性等要求也越来越高，各个大型企业都不断改进加热炉的工艺和设备。国际上对加热炉的优化控制开始于70年代，目前的步进式加热器的诸如自动化水平和燃料节能方面的许多问题还没有得到很好的解决。

1）传统的控制一般采用计算机集散控制系统将复杂的体统分解问单变量系统，这样就很难用一个集中的参数模型来精确描述。从而这使得过程机理反应过于复杂，加热过程的滞后，生产工艺指标不能直接控制和钢坯的表面温度不能直接测量等问题[3]；

2）传统温度控制主要是依靠操作人员的经验，没有温度闭环控制，这就使得可能因为操作人员的的疏忽不能准确地测量炉内钢坯的温度，更无法对炉内温度做出适当的调整，造成控制精确度的下降，使得钢坯无法达到要求的生产目标；

3）目前，在步进式加热器中主要采用多元回归和利用分布参数理论建立了数学模型的方法对钢坯在炉内的升温过程进行计算，但是这两种方法准确性都不高，计算工作量也比较大，不能连续全面地测量炉内钢坯的温度分布，这就在一定程度上降低了模型的准确性，因此必须研究一种合适有效的方法对炉内温度进行计算，提高刚坯的加热质量[4]。

3 步进式加热炉温度控制系统的设计

3.1 热炉炉温数据预处理

数据是进行建模工作的基础，当我们测量的设备和条件有限，在取得的一组数据中不可避免的会有一些不合格的数据，这些数据可能使得整体的优化效果下降，我们必须采取合适的手段将有用的数据提炼出来，这时就需要对数据进行预处理，剔除加热炉炉温测量中的有错误的数据，并对数据进行归一化处理。

3.2 基于阀门开度的模糊专家控制

目前设计的模糊专家智能控制技术能够运用模糊逻辑以及人类专家的知识对炉温进行实时、准确的控制，它主要由包括基本控制器、专家控制的数据库和自学习机构构成。这个系统能够通过获得的数据对控制系统的性能进行实时的检测，从而对控制对象实行有效的控制[5]。

3.3 温度自动控制系统的实现

这个系统主要由c语言编写具有完成温度的设定计算功能的一个二级系统和intouch编写的监视软件构成，它可以实现对历史数据的保存和预测温度的显示，利用数学模型对步进梁的步进时间和加热需要的温度进行设定，而且它还有预警的功能，这都能够使钢坯取得良好的加热效果[6]。

4 结论

本文针对步进式加热炉燃烧控制过程中出现的一些问题提出一些新的控制方法，但是随着世界钢铁企业之问的竞争日益激烈，钢铁行业对加热炉的控制要求必将越来越高，我们必须针对出现的问题采用更先进的控制技术对钢坯实际出炉温度和断面温差实施控制，在保证钢坯出炉温度和温差合适的同时，使其能耗最小。

[1]宋明刚，樊尚春.一种高精度温度控制的复合方法及其应用[J].北京航空航天大学学报，2001，27(5)：560-564.

[2]Kazuo aka，Tsuyoshi Hori.An Integrated A190mhm of Fuzzy Modeling and Contr01kr Design for Nonlinear Systems.Imemational Conference on Fuzzy Systems，2008，2：887-892.

[3]王继烈，范功友.轧钢加热炉计算机控制的现状与发展趋势，山东冶金，2005，17(2)：11-13.

[4]张东波，朱建林，黄辉先.用于加热炉的专家模糊温度控制器.机电工程，2002，19(1)：50-56.

[5]王中杰.步进式加热炉优化设定控制方法的研究[D].沈阳：东北大学自动化研究中心，2000.

[6]杨波，葛芦生.蓄热式加热炉的神经网络燃烧控制.安徽工业大学学报，2002，19(1)：50-57.