蔡培力，孫家富，張 松

（遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧 鞍山 114051）

蓄熱式鋼包烘烤器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔡培力，孫家富，張 松

（遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧 鞍山 114051）

針對(duì)早期鋼包烘烤器能耗高、烘烤溫度低、烘烤質(zhì)量差等問題，設(shè)計(jì)了基于高風(fēng)溫燃燒技術(shù)的蓄熱式鋼包烘烤器控制系統(tǒng)。采用PLC控制的空氣單預(yù)熱蓄熱式鋼包烘烤器結(jié)構(gòu)，分析了機(jī)械傳動(dòng)與控制系統(tǒng)原理，提出了基于智能積分型時(shí)間比例控溫算法的鋼包烘烤器控溫策略。根據(jù)控溫誤差及誤差變化率，優(yōu)化不同的積分速度系數(shù)，整定最佳的導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間比值、積分時(shí)間和最佳高、低過沖量抑制值，使系統(tǒng)能有效克服快速升溫造成的上過沖量及快速降溫造成的下過沖量。通過控制煤氣流量和蓄熱式燒嘴的定時(shí)切換，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼包溫度的自動(dòng)控制。通過鞍鋼2150車間的應(yīng)用結(jié)果表明，蓄熱體可預(yù)熱助燃空氣達(dá)1 000℃以上，排煙溫度可降至150℃左右，燃燒器火焰穩(wěn)定，污染物和NOx排放量少，控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，烘烤時(shí)間短，控溫精準(zhǔn)，鋼包內(nèi)溫度場(chǎng)均勻，節(jié)能效果明顯。

蓄熱式燃燒；鋼包烘烤器；時(shí)間比例控制；智能積分；積分速度系數(shù)；過沖量；PLC

0 引言

近年來，我國鋼鐵行業(yè)連鑄合格鋼坯產(chǎn)量占鋼總產(chǎn)量的百分比不斷上升。作為連鑄生產(chǎn)過程使用的中間鋼包（以下簡稱鋼包），對(duì)保證連鑄質(zhì)量及產(chǎn)量起著十分重要的作用。鋼包在使用前由于自身溫度較低，直接盛裝鋼水會(huì)降低鋼包內(nèi)襯的壽命，影響鋼水在鋼包內(nèi)的狀態(tài)及連鑄質(zhì)量，因此要將鋼包加熱到一定溫度后才可以使用。早期使用的套筒式和金屬自預(yù)熱式鋼包烘烤器，其能耗較高、烘烤時(shí)間長、溫度低且均勻性差，烘烤過程排煙損失的熱量占燃燒總熱量的70%～80%，熱效率低于60%［1］。20世紀(jì)九十年代，由于耐高溫陶瓷行業(yè)的發(fā)展，陶瓷蓄熱體燃燒器的研究進(jìn)展加快，使其廣泛應(yīng)用成為可能。本文基于陶瓷蓄熱體燃燒器，設(shè)計(jì)了高風(fēng)溫蓄熱式鋼包烘烤器控制系統(tǒng)，并使用在鞍鋼二煉鋼2150車間鋼包在線、離線控溫過程中。該系統(tǒng)將助燃空氣預(yù)熱到1 000℃以上［2-3］，提高了燃燒溫度和煙氣余熱回收效率，排放的煙氣溫度下降至150℃左右，減少了污染物和NOx排放量［4-5］，使烘烤火焰更加穩(wěn)定、鋼包溫度更加均勻。

1 控制系統(tǒng)原理

鋼包烘烤器用于新包及周轉(zhuǎn)中間包的烘烤。新砌筑的鋼包內(nèi)襯需要均勻慢速脫去水分，因此采用煤氣不預(yù)熱、空氣不預(yù)熱的烘烤方式；周轉(zhuǎn)包可以快速加熱，因此采用煤氣不預(yù)熱、空氣預(yù)熱的烘烤方式。這兩種烘烤方式都可保證穩(wěn)定燃燒。鋼包烘烤器燃燒介質(zhì)通常為高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、天然氣及混合煤氣等，烘烤器燃燒形式為蓄熱式燃燒和直接燃燒，結(jié)構(gòu)形式有立式和臥式兩種。

立式結(jié)構(gòu)蓄熱式鋼包烘烤器控制系統(tǒng)由蓄熱式燃燒器、塔吊式升降卷揚(yáng)系統(tǒng)、PLC、智能儀表及上位機(jī)組態(tài)軟件監(jiān)控系統(tǒng)組成，完成鋼包烘烤的控制過程。

氣路循環(huán)系統(tǒng)由鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、換向電磁閥及換向閥組成。引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速，通過換向閥對(duì)引風(fēng)和鼓風(fēng)氣流換向，實(shí)現(xiàn)燒嘴工作狀態(tài)切換；換向閥切換過程和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由PLC控制。

通過壓力變送器、孔板、流量變送器、熱電偶及溫度變送器，實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)壓力、風(fēng)量及鋼包溫度等參數(shù)的在線實(shí)時(shí)檢測(cè)。

系統(tǒng)工作時(shí)，根據(jù)工藝要求自動(dòng)執(zhí)行事先存放在PLC內(nèi)部的工藝曲線程序，煤氣閥的開度由工藝曲線的設(shè)定溫度決定。燃燒器主要由兩個(gè)蓄熱式長焰燒嘴組成，開關(guān)電磁閥和換向閥控制燒嘴交替工作。當(dāng)左側(cè)燒嘴燃燒時(shí)，右側(cè)燒嘴排煙，燃燒產(chǎn)生的煙氣流經(jīng)右側(cè)燒嘴的蓄熱體后排出。煙氣經(jīng)過低溫蓄熱體時(shí)，由于熱交換作用，使蓄熱體溫度升高，煙氣溫度降低。經(jīng)過30 s左右，換向閥受控?fù)Q向，使左側(cè)燒嘴排煙，右側(cè)燒嘴燃燒。當(dāng)燒嘴所需的助燃空氣流經(jīng)高溫蓄熱體時(shí)，便產(chǎn)生了熱交換，使助燃空氣溫度升高，蓄熱體溫度降低，煙氣經(jīng)左側(cè)燒嘴的蓄熱體后排出，加熱左側(cè)燒嘴的蓄熱體，使煙氣溫度降低。在燒嘴工作過程中，煤氣與高溫空氣邊混合邊燃燒?；旌线^程由于爐內(nèi)煙氣占比較大，致使氧氣和煤氣濃度下降，煤氣燃燒充分，煙氣排放的有害成分及NOx濃度大大降低，排放溫度可降低至150℃左右，這是非蓄熱式燃燒技術(shù)所不能實(shí)現(xiàn)的?？刂葡到y(tǒng)定時(shí)切換，兩個(gè)燒嘴交替工作，執(zhí)行PLC內(nèi)部指定的工藝曲線程序，完成鋼包溫度程序控制。

2 鋼包控溫策略

被加熱的鋼包內(nèi)襯是用高溫陶瓷耐火材料噴涂或砌筑而成的，可避免鋼包金屬外殼承受高溫鋼水侵?jǐn)_而熔損。由于耐火材料的能差，爐襯內(nèi)外溫差較大時(shí)極易使耐火材料變形，甚至炸裂脫落，因此加熱鋼包一定要按照給定的升溫制度進(jìn)行。特別是當(dāng)鋼包溫度較低時(shí)，必須嚴(yán)格按照設(shè)定的工藝曲線加熱，確保鋼包的使用壽命和加熱質(zhì)量。而當(dāng)鋼包溫度在500℃以上時(shí)，可直接快速加熱到使用溫度。根據(jù)鋼包耐火材料的特性以及現(xiàn)場(chǎng)工藝要求制定加熱工藝曲線，并通過PLC編程完成鋼包內(nèi)襯的控溫加熱過程。

鋼包烘烤器加熱工藝曲線如圖1所示。

圖1 鋼包烘烤器加熱工藝曲線Fig.1 Heating process cure of the ladle roaster

鞍鋼第二煉鋼廠I型鋼包烘烤器控溫系統(tǒng)（簡稱I型烘烤器）采用時(shí)間比例積分控溫方法，與常規(guī)PID方法相比，在一定程度上提高了控溫的響應(yīng)速度。但該方法超調(diào)量大，限制了響應(yīng)速度的再提高，簡單的上、下過沖量抑制方法對(duì)于改善控溫精度、縮短控溫響應(yīng)時(shí)間的作用有限。

為提高控溫指標(biāo)，設(shè)計(jì)了基于智能積分型時(shí)間比例控溫模型的II型烘烤器控制系統(tǒng)，改進(jìn)了I型烘烤器的控溫算法?？販啬Ｐ腿缦拢?/p>

式中：e為誤差；ec為誤差變化率；ki為積分速度系數(shù)［6］；u為控制輸出量；u0為最小控制輸出量；ti為積分時(shí)間；I為智能積分量；Pb為時(shí)間比例值。

且：

式中：Th為控制量接通時(shí)間；Tk為控制量斷開時(shí)間。

系統(tǒng)響應(yīng)及智能積分曲線如圖2所示。圖2（a）和圖2（b）說明誤差與系統(tǒng)輸出的變化趨勢(shì)一致。

圖2 系統(tǒng)響應(yīng)及智能積分曲線Fig.2 System response and intelligent integral cures

通常，控制器對(duì)誤差的積分是按照一定的數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)的，其作用是減少或消除系統(tǒng)輸出的穩(wěn)態(tài)誤差，但在使用中存在下列缺點(diǎn)。

①積分作用沒有針對(duì)性，沒有真正體現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)的操作人員的控制思想。不管對(duì)象特性如何，只要誤差存在，積分就一直進(jìn)行。這就導(dǎo)致積分飽和，形成較大的超調(diào)，使響應(yīng)過程時(shí)間變長，這就破壞了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

②最佳控制作用的飽和積分量及分離誤差帶與控制對(duì)象特性密切相關(guān)，積分時(shí)間等參數(shù)選擇不當(dāng)極易導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩［7-8］。

為克服上述缺點(diǎn)，在控制過程的不同階段，采取如圖2（c）所示的智能積分策略，可以有效提高控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。首先，在圖2（c）所示的（0，a）、（b，c）和（d，e）時(shí)間區(qū)間，實(shí)際溫度向設(shè)定溫度靠近時(shí)，可以取消控制器中的積分作用［9］，在比例作用等控制下，借助控溫的慣性向穩(wěn)態(tài)過渡。其次，應(yīng)區(qū)別對(duì)待（a，b）、（c，d）和（e，f）這三個(gè)時(shí)間區(qū)間的積分速度，（a，b）、（e，f）時(shí)間區(qū)間由于誤差和誤差變化率都大于 0，為防止過大的高過沖量，應(yīng)采用大的反向積分速度系數(shù)壓制超調(diào)量，使輸出量快速下降至穩(wěn)態(tài)值，而（c，d）時(shí)間區(qū)間由于誤差和誤差變化率皆小于0，采用較小的積分速度系數(shù)，就可以使輸出量快速達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，且不易出現(xiàn)超調(diào)。

在實(shí)際應(yīng)用中，為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的控溫指標(biāo)，采用動(dòng)態(tài)參數(shù)整定方法確定控溫模型中的參數(shù)，使系統(tǒng)按照最佳時(shí)間比例值、積分時(shí)間值及正反向積分速度系數(shù)值運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)較理想的高、低過沖量抑制效果。該方法能夠防止快速升溫造成的上過沖及快速降溫造成的下過沖，確?？販厮俣瓤臁⒕雀?、無超調(diào)。

3 傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的蓄熱式鋼包烘烤器機(jī)械傳動(dòng)裝置采用立式結(jié)構(gòu)［10］。烘烤器機(jī)架采用液壓式塔吊型設(shè)計(jì)，框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布均勻，抗彎、抗折性能好，穩(wěn)定可靠。

鋼包蓋頂部安裝有換向閥、蓄熱式燒嘴、引風(fēng)機(jī)和測(cè)溫?zé)犭娕嫉妊b置。燃燒介質(zhì)從機(jī)架側(cè)面向上通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接到換向閥，并進(jìn)入到蓄熱式燃燒器。助燃空氣由高壓風(fēng)機(jī)提供，從機(jī)架的另一側(cè)通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接到換向閥，并輸送至安裝在罐蓋頂部的蓄熱式燃燒器內(nèi)，與燃燒介質(zhì)進(jìn)行混合，實(shí)現(xiàn)高溫燃燒。

鋼包烘烤器傳動(dòng)系統(tǒng)原理如圖3所示。PLC控制電動(dòng)液壓推桿系統(tǒng)改變鋼包蓋仰角的大小，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)和點(diǎn)動(dòng)操作。卷揚(yáng)系統(tǒng)配有滑輪組和減荷、減速機(jī)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了電氣、機(jī)械雙重限位保護(hù)系統(tǒng)。鋼包頂蓋開啟方便，最大控制仰角可達(dá)85°左右，便于天車吊運(yùn)作業(yè)。烘烤器采用亞高速燒嘴供熱，具有燃燒速度和火焰出口速度快、剛度好、調(diào)節(jié)比寬、控制容易等特性。燒嘴火焰流可直接沖入鋼包底部，強(qiáng)化了與鋼包內(nèi)襯的對(duì)流傳熱，滿足鋼包大、中、小火均勻升溫的要求。烘烤過程符合升溫速度要求，約為20 min。

圖3 系統(tǒng)原理圖Fig.3 Principle of the system

4 運(yùn)行特點(diǎn)

II型鋼包烘烤器在鞍鋼二煉鋼2150車間運(yùn)行結(jié)果表明，烘烤器控制系統(tǒng)滿足現(xiàn)場(chǎng)工作要求，具有以下特點(diǎn)。

①采用空氣預(yù)熱煤氣不預(yù)熱加熱方式，空氣預(yù)熱溫度大于1 000℃，污染物和NOx排放量少，節(jié)能效果顯著。

②鋼包內(nèi)襯溫度場(chǎng)均勻，無局部高溫點(diǎn)，延長了內(nèi)襯耐火材料的使用壽命。

③煤氣燃燒充分，排放溫度低。

④使用低熱值煤氣可獲得較高溫度的火焰，滿足鋼包烘烤要求。

⑤根據(jù)誤差及誤差變化率的極性，采用智能積分型時(shí)間比例控溫方法，改善了控溫質(zhì)量。

⑥適用于各種鋼包及鐵包等在線和離線烘烤。

5 結(jié)束語

本文介紹的蓄熱式鋼包烘烤器控制系統(tǒng)是針對(duì)鞍鋼第二煉鋼廠新砌筑的鋼包、周轉(zhuǎn)鋼包、鐵包等加熱的立式鋼包烘烤器，可在線或離線加熱鋼包內(nèi)襯。根據(jù)加熱對(duì)象工藝要求，設(shè)計(jì)了不同的控溫程序。控制系統(tǒng)采用PLC結(jié)構(gòu)，并與上位機(jī)構(gòu)成集散控制系統(tǒng)，具有報(bào)警及安全連鎖等一系列功能，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備安全可靠控制，保證了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高了系統(tǒng)的工作效率和管理水平。設(shè)計(jì)的II型鋼包烘烤器設(shè)備增加了操作功能。采用智能積分型時(shí)間比例控溫方法，使系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并且具有一定的穩(wěn)定裕量，降低了控溫的超調(diào)量，提高了加熱速度和控溫精度。系統(tǒng)能耗進(jìn)一步降低，污染物和NOx排放量減少，用戶反映良好。

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Design of the Control System for Regenerative Ladle Baking Machine

CAI Peili，SUN Jiafu，ZHANG Song
（College of Material and Metallurgy，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China）

To against the disadvantages of early ladle baking machines，e.g.，high energy consumption，low baking temperature，and poor baking quality，etc.，the control system for regenerative ladle baking machine is designed based on high blast temperature combustion technology.The structure of single air preheating regenerative ladle baking machine controlled by PLC is adopted，the principles of mechanical transmission and control system are analyzed，the temperature control strategy based on intelligent integral type time proportional temperature control algorithm for ladle baking is proposed.In accordance with the temperature control error and the directions of the error changing rate，different integral velocity coefficients are optimized，and the best ratio of on/off time，integration time，best high and low overshoot suppression values are tuned，to make the system effectively overcome the up and down overshooting values caused by rapid heating and cooling.By controlling the gas flow rate and timing switchover of the regenerative burner，the automatic temperature control of ladle is implemented.The results of application in Angang 2150 workshop show that the temperature of combustion-supporting air can be preheated to 1 000 ℃ by the regenerator，and the temperature of exhaust smoke can be reduced to 150 ℃；the burner flame is stable，the emissions of pollutants and NOx are small；the control system is working stably with short baking time，temperature control is precise，the temperature field in the ladle is even，and the effect of energy saving is obvious.

Regenerative combustion；Ladle roaster；Time proportional control；Intelligent integral；Integral velocity coefficient；Overshoot；PLC

TH39；TP205

A

10.16086／j.cnki.issn1000-0380.201711009

修改稿收到日期：2017-06-30

蔡培力（1958—），男，學(xué)士，教授，主要從事熱工過程自動(dòng)化的教學(xué)和科研工作。E-mail：caipeili@163.com。