轧钢加热炉板坯加热控制方法及系统

摘要

本发明公开了一种轧钢加热炉板坯加热控制方法，所述加热控制方法包括以下步骤：S1、检测加热炉内板坯的实时温度场；S2、通过对比工艺规定和所检测的实时温度场，控制所述板坯的在炉位置的燃烧装置的工作参数。同时还公开了一种根据上述的加热控制方法进行加热的轧钢加热炉板坯加热控制系统。通过上述技术方案，根据板坯的实时温度场控制对该板坯进行加热的燃烧装置的燃烧参数，从而实现对不同入炉温度的板坯进行精确加热，可提高板坯出炉目标温度的控制精度，同时还能降低能耗和氧化烧损。

说明书

技术领域

本发明涉及金属加工技术领域，具体地，涉及一种轧钢加热炉板坯加热 控制方法及系统。

背景技术

加热炉是轧钢生产企业的主要耗能设备，占全厂工序能耗的70～75％， 降低轧钢加热炉煤气消耗，提高炉温及板坯加热控制精度，节约能源，减少 氧化烧损将成为加热炉控制的核心技术。而国内外冶金界日益推广应用的连 板坯热送热装技术，是一项具有降低热轧加热炉燃耗、减少板坯氧化烧损和 提高热轧产量，给企业带来了巨大经济效益的技术。但该技术实施后，由于 不可能实现100％的热装，不可避免会遇到冷一热混装的局面。若在一批冷 坯后接着热装板坯，由于按冷装加热制度进行加热，紧接冷装坯的热装板坯 也是按冷装加热制度进行加热的，不仅不能充分发挥热装板坯的节能潜力， 而且会导致热装板坯氧化烧损增加，还可能会导致热板坯加热温度接近炉 温，使其表面氧化铁皮熔化，出现过热过烧现象的发生。若在一批热装坯后 接着装冷板坯，按热装加热制度进行加热，而紧接热装坯的冷板坯也是按热 装加热制度进行加热，这样可能会导致冷板坯加热不足。人们通常感觉热装 可以节能，缩短生产周期，提高加热炉产量、减少氧化烧损等。但是如果生 产组织不好，不但不会得到预期的效果，反而影响加热质量、增加氧化烧损。 目前不同板坯热装温度加热采用的方法有两类，第一类是：不同板坯热装加 热预留空位。当入炉板坯温度为500℃时，预留一个空位，600℃时，预留2 个空位，700℃时，预留3个空位等。第二类是：不论入炉板坯温度高低， 都按冷坯加热要求装炉，冷坯和热坯之间不预留空格，冷、热混装板坯加热 过程炉温控制值低于操作规程规定的加热冷坯时的炉温控制值而高于加热 热坯时的炉温控制值，板坯在加热炉各段温度控制和出钢温度把握，通常靠 操作工根据加热时间、炉温和经验判断。

上述第一类板坯加热控制方式，受空位、热装温度、空、煤气流量波动、 轧钢生产节奏随机变化等原因影响，空位处炉温高于操作规程规定的温度， 不但操作工对板坯的加热过程难以准确控制，而且空位处加热炉纵横梁温度 高，严重影响加热炉生产使用寿命。实际生产操作过程往往不理想，控制效 果不佳。

上述第二类板坯加热控制方式，由于冷、热板坯或不同入炉温度的板坯 在一起加热，既不能按冷坯，也不能按某一温度的热装板坯加热，操作工对 冷、热不同温度装炉的板坯既要考虑到冷装又要考虑到热装进行加热。因而， 冷坯加热出炉板坯温度往往低于目标控制温度，而热坯与冷坯正好相反。出 炉板坯断面温差加大，影响轧钢工艺板形控制精度，同时加热炉烧损增加， 煤气单耗上升。

发明内容

本发明的目的是提供一种轧钢加热炉板坯加热控制方法，该方法根据板 坯的实时温度场控制所述板坯的在炉位置的燃烧装置的工作参数，可提高板 坯出炉目标温度的控制精度，同时还能降低能耗和氧化烧损。

为了实现上述目的，本发明提供一种轧钢加热炉板坯加热控制方法，其 包括以下步骤：

S1、检测加热炉内板坯的实时温度场；

S2、通过对比工艺规定和所检测的实时温度场，控制所述板坯的在炉位 置的燃烧装置的工作参数。

优选地，步骤S1包括：

S101、测量板坯的入炉温度；

S102、检测所述板坯的装炉信号，记录所述板坯的入炉时间；

S103、跟踪所述板坯的在炉位置；

S104、根据入炉温度、加热时间和在炉位置的炉温计算出所述板坯的实 时温度场。

优选地，步骤S1中每N分钟刷新一次所述板坯的在炉位置和实时温度 场，其中1≤N≤3。

优选地，步骤S2中所述燃烧参数包括燃烧时间和火焰长度。

本发明还提供一种轧钢加热炉板坯加热控制系统，所述加热控制系统包 括用于检测板坯的实时温度场的检测单元、用于在所述加热炉中对板坯进行 加热的燃烧装置和接收所述检测单元的信号并控制所述燃烧装置的控制单 元。

优选地，检测单元包括用于检测板坯的入炉温度的第一检测装置、用于 检测所述板坯的装炉信号的第二检测装置和用于跟踪所述板坯的在炉位置 的第三检测装置。

优选地，所述第一检测装置是测温仪表，所述第二检测装置是感应传感 器，所述第三检测装置是检测带动所述板坯前进的步进梁的步进信息的光电 编码器。

优选地，所述测温仪表为红外测温仪，并且／或者所述感应传感器为激 光感应传感器。

优选地，所述控制单元发射时序脉冲来控制所述板坯的在炉位置的燃烧 装置的工作参数。

优选地，所述燃烧装置为烧嘴。

通过上述技术方案，根据板坯的实时温度场控制对该板坯进行加热的燃 烧装置的燃烧参数，从而实现对不同入炉温度的板坯进行精确加热，可提高 板坯出炉目标温度的控制精度，缩短板坯在炉加热时间，降低加热炉煤气消 耗，减少板坯氧化烧损。本发明的方案可使板坯加热炉煤气单耗下降到 1.06GJ／t，氧化烧损降到0.65％，出炉板坯的上、下表面温差≤10℃，沿板坯 长度方向上中间与两端的表面温差≤20℃，出炉目标温度控制精度在±10℃ 内的板坯达98％以上，板坯加热质量稳定可靠。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与 下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在 附图中：

图1是本发明轧钢加热炉的结构示意图；

图2是本发明轧钢加热炉板坯加热控制系统结构框图。

附图标记说明

图中，1：第一板坯；2：第二板坯；3：第三板坯；4：步进梁；5：热 回收段；6：预热段；7：第一加热段；8：第二加热段；9：均热段；10：烧 嘴。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是， 此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发 明。

如图1所示，加热炉包括由热回收段5、预热段6、第一加热段7、第二 加热段8和均热段9共同组成的加热控制区域。板坯从装钢端的热回收段5 装入，放置于加热炉的步进梁4上，步进梁4带动板坯向加热炉的出钢方向 步进，经由热回收段5、预热段6、第一加热段7、第二加热段8和均热段9 加热后出炉轧制。

本发明提供一种轧钢加热炉板坯加热控制方法，包括以下步骤：

S1、检测加热炉内板坯的实时温度场；

S2、通过对比工艺规定和所检测的实时温度场，控制所述板坯的在炉位 置的燃烧装置的工作参数。

通过上述技术方案，根据板坯的实时温度场控制对该板坯进行加热的燃 烧装置的燃烧参数，从而实现对不同入炉温度的板坯进行精确加热，使板坯 的出炉温度均匀，同时还使板坯加热炉煤气单耗和氧化烧损下降。

其中，工艺规定可以是指板坯所在炉段的操作规程规定的炉温，也可以 指板坯的目标温度。燃烧参数包括燃烧时间和火焰长度。而步骤S1中板坯 的实时温度场通过以下步骤得到：

S101、测量板坯的入炉温度；

S102、检测所述板坯的装炉信号，记录所述板坯的入炉时间；

S103、跟踪所述板坯的在炉位置；

S104、根据入炉温度、加热时间和在炉位置的炉温计算出所述板坯的实 时温度场。

其中，加热时间为该板坯在加热炉不同炉温的各炉段内经历的时间，由 带动该板坯前进的步进梁的步进信息可以确定，步进梁的步进信息包括该板 坯从入炉开始到到达各位置的时间和在该位置停留的时间。而在炉位置的炉 温是指该板坯所处位置的加热炉炉段的炉温。通过板坯的入炉温度、该板坯 的加热时间和各在炉位置的炉温可以累积计算得到板坯的实时温度场。

控制单元计算板坯实时温度场的工作原理为：根据已知条件板坯的在炉 位置的炉温T_f、板坯的热物性参数(导热系数λ、比热c、密度p)、炉膛对 板坯的综合传热系数运用一维导热数学模型求解未知的板坯温度场T(x) (0≤x≤h，h为板坯厚度)。其中板坯内部传热的数学描述为：

$\mathrm{\rho c}=\frac{\partial T}{\partial \tau }=\frac{\partial }{\partial x}\left(\lambda \left(T\right)\frac{\partial T}{\partial x}\right)---\left(1\right)$

板坯表面(其温度设为T_b)与炉膛的传热数学描述为：

(σ为常数)(2)

其中，在本发明中上式中的T_b为板坯的进入某一炉段的初始温度(此 温度可由控制单元提取板坯在前一炉段末尾的表面温度得到)，而在加热炉 的热回收段板坯的初始温度T_b即为板坯的入炉温度。将板坯沿厚度方向划 分为n层，每层取一控制点的温度代表这一层的温度T_i(1≤i≤n)，将式(1) 和式(2)联立离散化处理，得一组n个方程n个待解板坯温度的线性方程组， 解这个方程组即可得到板坯经历加热时间τ加热后的实时温度场T(x)(0≤x ≤h，h为板坯厚度)。

为了精确地监控板坯的实时温度场，以便于精确控制该板坯的在炉位置 的燃烧装置的工作参数，步骤S1中每N分钟刷新一次所述板坯的在炉位置 和实时温度场，其中1≤N≤3。

如图2所示，本发明还提供根据上述的加热控制方法进行加热的轧钢加 热炉板坯加热控制系统，其包括用于检测板坯的实时温度场的检测单元、用 于在加热炉中对板坯进行加热的燃烧装置和接收所述检测单元的信号并控 制所述燃烧装置的控制单元。加热炉中设有多对燃烧装置，分布于步进梁两 侧，对放置于步进梁上的各个板坯进行加热，板坯在不同的在炉位置对应由 不同的燃烧装置进行加热。

具体地，控制单元将检测单元检测到的板坯的实时温度场与工艺规定的 温度进行对比后，通过发射时序脉冲来控制板坯在炉位置的燃烧装置的工作 参数，此工作参数包括燃烧时间和火焰长度，从而使每块板坯的出炉温度均 匀的同时还能降低能耗和氧化烧损。燃烧装置可以为烧嘴。控制单元可以控 制加热炉不同位置每对烧嘴的燃烧时间，并通过热负荷的大小调整烧嘴的火 焰长度，实现对加热炉内不同入炉温度的板坯进行高效、节能的加热控制。

其中，检测单元包括用于检测板坯的入炉温度的第一检测装置、用于检 测所述板坯的装炉信号的第二检测装置和用于跟踪所述板坯的在炉位置的 第三检测装置。第一检测装置可以是测温仪表，可优选为红外测温仪。第二 检测装置可以是感应传感器，可优选为激光感应传感器。第三检测装置可以 是检测带动所述板坯前进的步进梁的步进信息的光电编码器。光电编码器是 一种通过光电转换将电动机输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字 量的传感器，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机 的转速。步进梁的步进由加热炉出口的轧钢速度决定，而步进梁的步进信息 由步进电动机的转速、前进和停留的时间和步进电动机输出轴旋转角度所对 应的步进梁移动的距离换算而来。

控制单元参照加热控制系统的刷新周期对步进信息进行记录和存储，结 合激光感应传感器检测到的各板坯装炉信号，从而可以跟踪各不同入炉温度 的板坯的在炉位置，同时记录各板坯在不同的在炉位置的加热时间。控制单 元根据入炉温度、加热时间和在炉位置的炉温便可计算出各板坯的实时温度 场。

具体地，当某块板坯为冷装时，系统会根据相邻热装板坯携带的热量为 它补充较多的热量，使其该段加热区域板坯温度相一致，否则降低补充热量， 保持该加热区域板坯温度均衡。系统单独控制每对烧嘴，通过调节烧嘴的工 作时间即烧嘴的开关时间来实现区域温度调节。加热控制系统的煤气流量可 通过压力调整预先设定，烧嘴一旦工作，就处于满负荷状态，以保证烧嘴燃烧时 的燃气出口速度不变，同时可将煤气压力和风压一次性调整到合适值，在系 统投入运行后，只需保持这两个压力稳定即可。对压力进行测量和控制要比 流量简单得多，容易实现精确的全自动控制。生产实践证明，这种加热控制 系统降低了燃料消耗和板坯氧化烧损，提高了燃料利用率、板坯加热质量及 加热温度的均匀性。

以下通过具体的实施例来对本发明的轧钢加热炉板坯加热控制方法及 系统进行说明。

实施例1

加热炉生产时，第一板坯1由位于加热炉装钢端安装的红外测温仪测定 其表面温度，得到入炉温度为30℃传递给控制单元。装钢机将第一板坯1 装入加热炉的热回收段5。激光感应传感器检测到第一板坯1的装炉信号传 递给控制单元，同时光电传感器将步进梁的步进信息传递给控制单元，控制 单元对第一板坯1的在炉位置进行跟踪，并且结合入炉温度、加热时间和在 炉位置的炉温，每1min刷新计算第一板坯1的实时温度场。步进梁4带动 装入加热炉的第一板坯1，向加热炉的预热段6方向步进。当随后入炉温度 为500℃的第二板坯2装入加热炉时，控制单元同样每1min刷新计算第二 板坯2的实时温度场，步进梁4继续将装入加热炉内的各个板坯向加热炉出 钢方向步进。当入炉温度为700℃的第三板坯3装入加热炉时，控制单元同 样每1min刷新计算第三板坯3的实时温度场，步进梁4继续将装入炉内的 板坯向加热炉出钢方向步进。这样依次类推不同热装温度的板坯陆续装入加 热炉进行加热，直至到加热炉均热段均热后出钢轧制，这个过程不论热装温 度高低，各板坯之间的间隙保持不变。

加热的板坯钢种是Q235B，操作规程规定预热段6的炉温为900℃，第 一加热段7的炉温为1150℃，第二加热段8的炉温为1260℃，均热段9的 炉温为1230℃。由于加热炉的热回收段5没有安装烧嘴10，板坯在热回收 段5时控制单元只跟踪计算各板坯的实时温度场，不进行供热操作。当步进 梁4将板坯从热回收段5步进到预热段6时，控制单元依次跟踪计算第一板 坯1、第二板坯2、第三板坯3的实时温度场，并根据实时温度场控制各板 坯的在炉位置的烧嘴10的工作参数进行精确供热。计算结果表明，冷装的 第一板坯1与热装的入炉温度为500℃的第二板坯2相比，需要加热补充较 多的热量，热装的入炉温度为500℃的第二板坯2与热装的入炉温度为700 ℃的第三板坯3相比，也需要加热补充一定的热量，才能使第二板坯2与第 三板坯3温度趋于一致。控制单元1min刷新计算一次的各板坯的实时温度 场与各板坯的在炉位置，启动第一板坯1所在位置的烧嘴10以最大热负荷 供给第一板坯1供热。第二板坯2所在位置的烧嘴10供热负荷大幅降低， 只供少量燃料和一定量空气冷却烧嘴10。同样第三板坯3所在位置烧嘴10 供热负荷大幅降低，只供少量燃料和一定量空气冷却烧嘴10。各板坯在预热 段6的加热温度受加热规程规定的900℃炉温限制，达到这一加热温度，控 制单元自动降低烧嘴10的热负荷供给。随着各板坯继续向前步进，各板坯 依次经过第一加热段7和第二加热段8，其供热方式同预热段6相同。当各 板坯到达均热段9时，第一板坯1的实时温度场高于第二板坯2，第二板坯 2的实时温度场高于第三板坯3，第一板坯1、第二板坯2、第三板坯3从高 到低形成一个温度梯度，此处的各板坯的温度可以根据轧钢需要由加热控制 系统控制烧嘴的燃烧参数而得到。均热段9的供热负荷受加热规程规定的 1230℃炉温限制，控制单元跟踪计算各板坯的实时温度场到达这一温度时， 自动降低热负荷。各板坯最终经均热段9加热到工艺要求的温度，步进出炉 轧制。

实施例2

加热炉生产时，装钢机将入炉温度为700℃的第一板坯1装入加热炉的 热回收段5，接着将入炉温度为30℃的第二板坯2装入第一板坯1后面，第 二板坯2后面又装入入炉温度为500℃的第三板坯3。控制单元对装入加热 炉的各板坯实施跟踪，并3min刷新计算一次各板坯的实时温度场。步进梁 4将装入炉内的各板坯向加热炉出钢方向步进。这样依次类推不同温度冷、 热混装的板坯陆续装入加热炉进行加热，直至到加热炉均热段均热后出钢轧 制，这个过程不论热装温度高低，各板坯之间的间隙保持不变。

加热的板坯钢种是Q235B，操作规程规定预热段6的炉温为900℃，第 一加热段7的炉温为1150℃，第二加热段8的炉温为1260℃，均热段9的 炉温为1230℃。当步进梁4将各板坯从热回收段5步进到预热段6时，控制 单元依次跟踪计算第一板坯1、第二板坯2、第三板坯3的实时温度场。计 算结果表明，入炉温度为700℃的第一板坯1、入炉温度为30℃的板坯2和 入炉温度为500℃板坯3相比，第二板坯2需要加热补充较多的热量，接着 是第三板坯3，第一板坯1补充热量最少，这样才能使第一板坯1、第二板 坯2、第三板坯3的温度趋于一致。控制单元3min刷新计算一次的各板坯 的实时温度场与各板坯的在炉位置，启动第二板坯2所在位置的烧嘴10以 最大热负荷供给第二板坯2供热。第一板坯1所在位置的烧嘴10供热负荷 大幅降低，只供少量燃料和一定量空气冷却烧嘴10。同样第三板坯3所在位 置的烧嘴5供热负荷大幅降低，只供少量燃料和一定量空气冷却烧嘴10。各 板坯在预热段6的加热温度受加热规程规定的900℃炉温限制，达到这一加 热温度，控制单元自动降低烧嘴10的热负荷供给。随着各板坯继续向前步 进，各板坯依次经过第一加热段7和第二加热段8，其供热方式同预热段6 相同。当各板坯到达均热段9时，第一板坯1的实时温度场高于第二板坯2， 第二板坯2的实时温度场高于第三板坯3，第一板坯1、第二板坯2、第三板 坯3从高到低形成一个温度梯度，此处的各板坯的温度可以根据轧钢需要由 加热控制系统控制烧嘴的燃烧参数而得到。均热段9的供热负荷受加热规程 规定的1230℃炉温限制，控制单元跟踪计算各板坯的实时温度场到达这一温 度时，自动降低热负荷。各板坯最终经均热段9加热到工艺要求的温度，步 进出炉轧制。

实施例3

加热炉生产时，装钢机将入炉温度为500℃的第一板坯1装入加热炉的 热回收段5，接着将入炉温度为30℃的第二板坯2装入第一板坯1后面，第 二板坯2后面又装入入炉温度为700℃的第三板坯3。控制单元对装入加热 炉的各板坯实施跟踪，并2min刷新计算一次各板坯的实时温度场。步进梁 4将装入炉内的各板坯向加热炉出钢方向步进。这样依次类推不同温度冷、 热混装的板坯陆续装入加热炉进行加热，直至到加热炉均热段均热后出钢轧 制，这个过程不论热装温度高低，各板坯之间的间隙保持不变。

加热的板坯钢种是Q235B，操作规程规定预热段6的炉温为900℃，第 一加热段7的炉温为1150℃，第二加热段8的炉温为1260℃，均热段9的 炉温为1230℃。当步进梁4将各板坯从热回收段5步进到预热段6时，控制 单元依次跟踪计算第一板坯1、第二板坯2、第三板坯3的实时温度场。计 算结果表明，入炉温度为500℃的第一板坯1、入炉温度为30℃的板坯2和 入炉温度为700℃板坯3相比，第二板坯2需要加热补充较多的热量，接着 是第三板坯1，第一板坯3补充热量最少，这样才能使第一板坯1、第二板 坯2、第三板坯3的温度趋于一致。控制单元2min刷新计算一次的各板坯 的实时温度场与各板坯的在炉位置，启动第二板坯2所在位置的烧嘴10以 最大热负荷供给第二板坯2供热。第一板坯1所在位置的烧嘴10供热负荷 大幅降低，只供少量燃料和一定量空气冷却烧嘴10。同样第三板坯3所在位 置的烧嘴5供热负荷大幅降低，只供少量燃料和一定量空气冷却烧嘴10。各 板坯在预热段6的加热温度受加热规程规定的900℃炉温限制，达到这一加 热温度，控制单元自动降低烧嘴10的热负荷供给。随着各板坯继续向前步 进，各板坯依次经过第一加热段7和第二加热段8，其供热方式同预热段6 相同。当各板坯到达均热段9时，第一板坯1的实时温度场高于第二板坯2， 第二板坯2的实时温度场高于第三板坯3，第一板坯1、第二板坯2、第三板 坯3从高到低形成一个温度梯度，此处的各板坯的温度可以根据轧钢需要由 加热控制系统控制烧嘴的燃烧参数而得到。均热段9的供热负荷受加热规程 规定的1230℃炉温限制，控制单元跟踪计算各板坯的实时温度场到达这一温 度时，自动降低热负荷。各板坯最终经均热段9加热到工艺要求的温度，步 进出炉轧制。

对比例

加热炉生产时，装钢机将入炉温度为500℃的第一板坯1装入加热炉的 热回收段5，接着将入炉温度为30℃的第二板坯2装入第一板坯1后面，第 二板坯2后面又装入入炉温度为700℃的第三板坯3。采用现有技术中的冷 热混装板坯按冷装加热的方法进行加热。

加热的板坯钢种是Q235B，操作规程规定预热段6的炉温为900℃，第 一加热段7的炉温为1150℃，第二加热段8的炉温为1260℃，均热段9的 炉温为1230℃。操作工对冷、热不同温度装炉的板坯既要考虑到冷装又要考 虑到热装进行加热。因而，冷坯加热出炉板坯温度往往低于目标控制温度， 热坯与冷坯正好相反。在加热炉中各板坯若以入炉温度为30℃的前提进行加 热，在保证第二板坯2的出炉温度达到轧钢要求的基础上，第一板坯1和第 三板坯3因入炉温度远高于30℃，按此方法加热必然产生氧化烧损，同时也 不必要地消耗了大量煤气。

将本发明的加热控制方法与现有技术的加热方法进行比较分析，得到分 析结果如表1所示。

表1

从表1可知，实施例1-3加热的板坯的出炉温度均匀，同时板坯加热炉 煤气单耗相对于对比例最多下降到1.06GJ／t(实施例3)，氧化烧损相对于对 比例最多降到0.65％(实施例3)，出炉板坯的上、下表面温差≤10℃，沿板 坯长度方向上中间与两端的表面温差≤20℃，出炉目标温度控制精度在 ±10℃内的板坯达98％以上，板坯加热质量稳定可靠。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限 于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明 的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特 征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必 要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其 不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。