宽厚板热处理炉的脉冲燃烧控制改进

李 阳 张欣萌

（中国冶金科工集团公司南方〈武汉〉自动化有限公司，中国武汉430223）

0 引言

我国的热处理自动化技术的发展与应用始于20 世纪50 年代初期。 经过30 年的改革开放，我国的工业得到突飞猛进的发展，但发展的制约瓶颈日益显现，主要体现在粗放的发展模式和能源及原材料供给不足的矛盾。 我国能源的紧张与短缺已成定局，严重影响了经济的发展，节能是中国能源战略和政策的核心。

1 用于热处理炉的燃烧控制方法

目前国内的工业炉无论是蓄热式换向燃烧或连续常规燃烧控制，多为比例调节形式，即通过控制燃料、助燃空气流量的大小使炉内的温度、燃烧气氛达到工艺要求。 由于这种控制方式往往受燃料流量的调节范围和测量等环节制约， 故目前大多数工业炉的控制效果不佳，主要表现为能耗偏高。

随着工业炉的不断改进，脉冲式燃烧控制技术在国内外得到一定程度的应用，取得了良好效果。 脉冲燃烧在这方面比传统比例燃烧具有很大优势，其恒定的空／燃比使燃烧效率保持稳定和最优状态，燃气和空气流量可通过压力调整预先设定，烧嘴一旦工作，就处于满负荷状态，保证烧嘴燃烧时的燃气出口速度不变。当烧嘴在满负荷工作时，燃气流速、火焰形状、热效率均可达到最佳状态，炉内不会有过剩的空气和燃气，有效地降低了燃料消耗，减少了氮氧化物的排放。

对于采用脉冲燃烧的热处理炉加热控制，方法是采用对炉膛温度的控制去间接控制烧钢，以产生工艺特性合格的钢坯。 其炉膛温度由热电偶测得， 在控制方法上采用经典的PI 或PID 调节以恒定各段工艺温度设定值，PID 调节的输出值作为脉冲控制序列的输入值， 最终通过脉冲控制确定烧嘴的开关时间和序列顺序。

2 现存的控制方法的不足

宽厚板热处理炉由加热区域和均热区域组成，每个区域又可分为若干个温控段，出炉侧位于均热区，温度设定为钢坯出炉的目标温度；装炉侧为加热区，设定温度由加热工艺决定。

炉内没有装钢的情况下，PID 温度控制很容易把各温控段温度调节到设定温度，但是一旦进钢，由于刚进入加热区域的冷钢坯温度很低，与炉内温度相差过大，宽厚板的体积又很大，因此会导致热电偶测得的温度大幅度下降，此时的PID 温度调节系统会由于实际温度比设定温度低太多而全力供热调温。此时生产有两种情况：一种，是生产节奏较慢，钢与钢之间的距离较大，这种情况下，一旦前面的钢坯离开，温度具有大时滞性，即使PID 控制器的输出很小，温度也会急剧上升。这种短时间温度波动会给PID 温度调节带来困难， 产生较大的超调量。而热处理炉的保温性能很好，接下来即使不继续加热也很难降温。因而等下块钢坯进入此区的时候，已经是在远高于工艺设定温度开始加热了，造成了很大的能源浪费；另一种情况，是生产节奏较快，钢与钢之间距离较小，这样的连续进冷钢坯会导致此区温度一直远低于设定温度， 为了使热电偶测得的温度和设定温度一样，PID 温控系统会全力供热。 由于电偶测温和设定温度的巨大差距，这种情况下的供热已经没有了良好的精度，无论钢坯的宽厚，都几乎会同样持续全力供热，每块钢坯没有吸收的多余热量或被炉膛吸收或被炉气带走，浪费了能源。

3 用于宽厚板热处理上的脉冲燃烧改进

把脉冲控制方法进行改进，温度的控制不是全部采取PID 脉冲控制，而是再进行划分。

其中一部分不变， 在钢坯与炉温的温差相对稳定的均热段采取PID 脉冲控制。 而另一部分，即在加热段进行控制区分：一是，在此区域的某一温控段没有钢的时候，用PID 调节进行控制，以保证下一块钢到来时此温控段的工艺温度精确。二是，当有钢坯进入此区域时（可由炉内物料跟踪得知），切出PID 控制，引入热能的模糊控制，即在原PID 控温保持炉温的功率输出基础上再加上此区域钢坯所要额外吸收热的功率。以保持此钢坯走过该温控段，热量供给平衡，该温控段温度基本不变。如下图所示，在加热段，如果钢坯进入该温控段后系统仍维持原供热，则当钢坯走过后，此温控段温度会由于被钢坯带走一部分而下降（图1（a）所示）；而用PID 调节进行温控，由上面的分析可知，大幅度的温度变化又都进行几乎同样的大幅度输出调整，使系统无法进行准确的温度控制，而导致大的超调（如图1（b）所示），使供热过多，炉温升高，浪费能源；改进后控制会在维持原炉温的基础上，额外把钢坯的吸收的热进行补充，按钢坯的吸热去供热，以抵消钢坯带走的温度降低（图1（c）所示）。 钢坯走后，再切换到PID 脉冲进行温控，恒定此温控段温度。

图1

其中各段能量供给规则可以通过下面方法得出：

每个钢种由工艺制定各温控区经验工艺温度。 调试阶段，在某一钢种进入温控段时进行控温，以使该钢坯通过此温控段后，此段温度基本恒定，此时记录试验钢坯的规格和速度。 设该钢坯长、宽、高为a1,b1,c1 该温控段长为L1，钢坯速度为V1，通过时间为t1,其间烧嘴供热为Q1，易知此种钢坯在该温控段单位时间单位长度所需供热约为P=Q1V1/a1b1c1L1t1，即该钢种的所需标准单位额定功率，然后把此温控段的此钢种单位额定功率、设定温度，钢种等信息都记录到模糊控制的规则中，并在工程调试阶段以此方法去完善模糊控制的规格表格，按此规则表格定义的输出功率进行模糊脉冲温度控制。 试生产过程中用高温辐射计测得的出钢温度去不断修正各加热段的单位额定功率和设定温度，使模糊控制规格表具有自学习校正的功能。 如设出钢目标温度为T，实测近三块钢的出钢温度分别为T1，T2,T3，某加热区温控段经验工艺设定温度为TE，单位额定功率为P,则钢坯的较目标温度的温差为ΔT＝k1(T-T1)+ k2(T-T2) + k3(T-T3),其中系数k 为0～1 之间的常数，值与钢坯出炉的顺序与可信度有关，且k1+k2+k3＝1, 规则修正为TE′＝TE+αΔT，P′＝βTE′P/TE，其中α、β 为固定常数，可在调试时给出。

4 结论

经测试， 这种脉冲控制方法相比较传统的PID 脉冲控制方法，由于按钢坯的体积和钢种特性的吸热进行加热段的控制， 所以精度更好，超调可控制在10 度以内，因此可使节能大于1%。用出钢温度去自校正模糊规则，可在很短的生产周期使制定的规则更为合理，解决了出炉钢坯达不到目标温度的问题。

［1］张斌全,编著.燃烧理论基础[M].航空航天大学出版社,1990.

［2］周伟国,秦朝蔡.燃气脉冲燃烧技术[M].同济大学出版社,1998.