基于节能降耗的钢包智能烘烤研究与实践.pdf
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1、2024.3,4(2)|专题:交通用钢与冶金智能化基于节能降耗的钢包智能烘烤研究与实践吴帅1,王子贤1,许亮2,孙世强2,张超杰1,张立强1(1.安徽工业大学冶金工程学院,安徽 马鞍山,243000;2.马钢集团安徽长江钢铁有限公司,安徽 马鞍山,243100)摘要:针对某厂一号 110 吨钢包烘烤器的传统运行问题,特别是在使用中低热值煤气时出现的点火困难、管道压力波动导致的脱火和熄灭问题,以及在烘烤过程中只能依赖人工经验去调节煤气流量,存在滞后现象,导致钢包烘烤不够或钢包过烧,前者影响钢水出钢温降,后者影响钢包寿命,并造成了煤气能耗浪费。本文依托某厂钢包烘烤工艺,加装高精度检测设备,提出一种
2、基于钢包烘烤的自动控制系统,该系统利用 PID 控制原理和闭环控制策略自动调整阀门开度大小,减小当前流量和给定流量之间的差值。系统通过建立与 MySQL 数据库的通讯连接,自动读取钢包烘烤热平衡计算模型煤气和空气流量数据,实现实时数据远程跟踪和报警联动。现场工业试验数据表明,本系统在自动模式下平均升温速率较原手动模式提升 45.3%,并且累计消耗煤气流量降低了 10.9%,达到预期目标。关键词:钢包烘烤;自动控制;煤气流量;数据库;热平衡计算模型Research and practice of intelligent ladle baking based on energy saving an
3、d consumption reductionWU Shuai1,WANG Zixian1,XU Liang2,SUN Shiqiang2,ZHANG Chaojie1,ZHANG Liqiang1(1.School of Metallurgical Engineering,Anhui University of Technology,Maanshan 243000,China;2.Ma Steel Group Anhui Changjiang Iron and Steel Co.,Ltd.,Maanshan 243100,China)Abstract:The No.1 110 t ladle
4、 roaster in a factory has many traditional operation problems,such as the difficulty of ignition when using medium and low calorific value gas,the problem of deflagration and extinguishing caused by pipeline pressure fluctuation,and the fact that the gas flow can only be adjusted by manual experienc
5、e in the baking process.The lag phenomenon leads to insufficient ladle baking or overburning of ladle.The former problem affects the temperature drop of molten steel,while the latter affects the service life of ladle,and leads to the waste of gas energy consumption.Based on the ladle baking process
6、of a factory,this paper proposes an automatic control system based on ladle baking by adding high-precision detection equipment.The system uses PID control principle and closed-loop control strategy to automatically adjust the valve opening size and reduce the difference between the current flow and
7、 the given flow.The system automatically reads the gas and air flow data of the ladle baking heat balance calculation model by establishing a communication connection with the 中图分类号:TF345.1 文献标志码:A 文章编号:2097-017X(2024)02-0014-07DOI:10.3969/j.issn.2097-017X.2024.02.004收稿日期:2024-01-26基金项目:国家自然科学基金资助项目
8、(51874001)。第一作者简介:吴 帅(1998),男,硕士研究生。研究方向:冶金过程智能制造、冶金工业大数据。通讯作者简介:张立强(1977),男,博士,教授。研究方向:连铸坯智能定重技术与装备、冶金过程智能制造及大数据应用。14基于节能降耗的钢包智能烘烤研究与实践 吴帅 等MySQL database,and realizes real-time data remote tracking and alarm linkage.The field industrial test data show that the average heating rate of the automatic
9、 mode of the system is 45.3%higher than that of the original manual mode,and the cumulative consumption of gas flow is reduced by 10.9%,which achieves the expected goal.Key words:ladle baking;automatic control;gas flux;database;heat balance calculation model引 言钢包是冶金工业中的重要设备,其状态对钢水温度的稳定性具有重要的影响。在填充钢水
10、之前,钢包烘烤是一个非常重要的工作过程1-2。钢包烘烤后,钢包内衬的温度会直接影响钢液的质量和钢包的使用寿命3。因为当高温的钢水倾入钢包时,如果钢包内衬的耐火保温材料的温度未达到预设要求,直接将钢水液注入钢包中,钢包的工作层和底部受到热冲击,造成钢包的工作层和耐火材料的损坏,从而缩短了钢包的使用寿命4。钢包在不同工序间运转过程中,钢包包衬蓄热和其他热损失导致钢液温度降低,不能保证浇注时钢水的温度从而影响钢液的质量。为了排除包衬水分,提高包衬的温度,减少钢水在运输过程中的温降,增加钢包使用寿命,因此需要在出钢之前对钢包内衬进行烘烤5-6。钢包烘烤过程的优化和自动化对于钢铁企业节能降耗、提高生产效
11、率和质量具有重要意义。自动化系统不仅能够减少人工工作量,而且能够更加准确地监控和控制整个烘烤过程。目前,PLC 控制技术被广泛应用于工业控制领域,其中包括钢铁行业的钢包烘烤设备。为了实现节能降耗和技术升级,国内众多专家学者以不同钢厂钢包烘烤设备为研究对象,不断探索和实践 PLC控制技术在钢包烘烤器中的应用。刘玉梅等7设计了 PLC 控制的双蓄热式钢包烘烤器,在唐山淞汀钢厂应用后结果表明,煤气消耗量显著降低,烘烤效果明显改善;钱斌斌等8将烘烤器的控温过程通过PID 控制方法,使钢包温度符合最佳升温过程,应用结果表明节能量显著提高;温嘉禾9使用参数自整定模糊 PID 控制器来设计温度主控制器,通过
12、交叉限幅来调节煤气流量和空气流量,能够实现对钢包的稳定烘烤;蔡培力等10通过控制主煤气流量和蓄热式烧嘴的定时切换,实现对钢包温度的自动控制。本文根据某厂现有的钢包烘烤工艺、设备结构特点以及煤气类型,通过新增红外温度检测仪、流量检测仪以及压力检测仪等高精度检测设备,基于PID 控制原理和闭环控制策略,提出一种基于钢包烘烤的自动控制系统。该系统能够在自动烘烤模式下,自动读取热平衡计算模型给定的煤气流量和空气流量数据,自动调节煤气和空气调节阀开度,以减小流量给定值和实际值的差值。同时建立冶金数据库实现数据远程跟踪和报警联动。该系统一方面能够调节钢包烘烤过程煤气流量和空气流量,达到了节约燃气的目的,又
13、能提高烘烤效率;另一方面减少人工手动干预,避免烘烤不足或过烧情况,延长钢包使用寿命11。1钢包烘烤过程基本原理钢 包 烘 烤 是 炼 钢 生 产 工 序 中 的 主 要 环 节 之一12-13,烘烤装置的性能和烘烤制度对钢包烘烤过程升温速率、内衬寿命以及减小出钢过程温降具有重要影响。不同的钢包烘烤时间和温度通常根据具体的工艺要求而变化,依据现场烘烤工艺制度,通过调整煤气流量和空气流量大小,将钢包预热到所需温度,并在所需温度下保持一段时间,确保钢包内衬温度均匀分布。钢包烘烤是一个集热对流、热传导、热辐射为一体的综合传热过程,钢包的热量损失主要是通过包壁的热损失,耐火材料种类和厚度的不同在蓄热和散
14、热方面存在显著差异。钢包底部耐材通常需要良好的稳定性来承受较高的温度和后期来自钢水的静态压力,钢包包壁耐材则需要耐侵蚀的材料来保护内壁。钢包在烘烤过程中,底部与外界空气接触面积较小,如果散热过慢则会影响耐材使用寿命。钢包包壁外壳与空气接触面积较大,侧壁耐材则需要保持一定的蓄热能力,避免能量损失过大导致钢包内衬温度下降过快,影响后续钢水的温度。钢包烘烤过程原理示意图如图 1所示。煤气和空气分别通过管道进入烧嘴后充分混合进入燃烧室,经点火器点火后燃烧产生的高温火焰和烟气通过热辐射、热对流和热传导作用对钢包内壁及内衬加热,燃烧产生的高温烟气通过包盖和包沿之间的缝隙逸出至外界环境中。随着烘烤过程的推进
15、,煤气燃烧产生的瞬时热量和散失的热量差距逐渐减小,直至进入稳态 阶 段 两 者 达 到 平 衡,钢 包 内 衬 温 度 分 布 基 本 15均匀。钢包烘烤过程能量输入为燃烧化学热、预热空气和燃料带入的物理热量。燃烧产生化学热Q1(单位:kJ/h)为14:Q1=BQd(1)式 中 B为 单 位 时 间 内 所 消 耗 的 燃 料 量,单 位:m3/h;Qd为燃料的低发热值,单位:kJ/m3。预 热 燃 料 所 带 入 的 物 理 热 量Q2(单 位:kJ/h)为:Q2=BCr(tr-t0)(2)式中 Cr为燃料的平均比热容,单位:kJ/(m3);tr为预热后燃料的平均温度,单位:;t0为环境温度
16、,单位:C。预热空气所带入的物理热Q3(单位:kJ/h)为:Q3=BCk(tk-t0)(3)式中 为空气系数;Ck为空气平均比热容,单位:kJ/(m3;tk为预热后空气的平均温度,单位:。钢包烘烤过程能量输出主要为钢包内衬、外壳和包盖积蓄热、辐射散热、对流散热以及经缝隙逸出烟气热损失(假设煤气完全燃烧并简化计算)。钢 包 内 衬、外 壳 和 包 盖 积 蓄 热Q4(单 位:kJ/h)为:Q4=micit(tf-ts)(4)式中 m为钢包内衬、外壳及包盖各层材料质量,单位:kg;ci为m为钢包内衬、外壳及包盖各层材料比热容,单位:kJ/(kg );t 为烘烤时间,单位:h;tf为钢包烘烤结束时内
17、外壁平均温度,单位:;ts为钢包烘烤结束时内外壁平均温度,单位:。钢包外表面散热Q5(单位:kJ/h)为:Q5=qAi(5)式中 Ai为钢包和包盖外表面散热面积,单位:m2;q为 钢 包 和 包 盖 外 表 面 平 均 面 积 热 流 量,单 位:kJ/(m2h);经缝隙逸出气体显热Q6(单位:kJ/h)为:Q6=V(c1t1-c0t0)(6)式中 V为缝隙逸出气体量,单位:m3/h;c1为气体在环境温度至 t1之间的平均比热容,kJ/(m3 );c0为气体在环境温度下的平均比热容,kJ/(m3);t1为烟气温度,单位:;t0为环境温度,单位:。经缝隙辐射热损失Q7(单位:kJ/h)为:Q7=
18、5.67 3.6 A(t1+273100)4-(t0+273100)4(7)式中 A为缝隙面积,单位:m3;为单位时间内包盖开始时间,单位:h;为角系数。国内众多专家学者以能量输入为基础,以不同钢厂钢包烘烤工艺为对象,研究如何优化钢包烘烤制度以提高烘烤效率,减少能源消耗。卢厚杨等15通过数值模拟研究了一种耦合燃烧模拟和深度学习技术的钢包烘烤优化方法优化烘烤制度,应用后结果显示升温速率和燃烧效率有所提高。解养国等16利用全氧燃烧技术,通过提高理论燃烧温度、烟气辐射能力等原理,在应用实践后结果显示能够有效提升钢包烘烤效果。某厂 1 号 110 吨钢包烘烤设备为立式钢包烘烤设备,采用转炉煤气和高炉煤
19、气对钢包进行烘烤,燃料和空气均不预热,钢包烘烤过程能量输入为燃烧化学热。预热空气和燃料可以提高燃烧效率,在相同能量输出的情况下不预热空气和燃料则需要更多的燃料和更长的时间才能达到所需的烘烤温度。增加燃料消耗不仅导致成本增加,也会增加温室气体排放和其他环境污染。因此在不预热空气和燃料的工艺情况下,如何提升钢包烘烤过程自动化水平,并减少燃料的消耗,是钢包烘烤自动控制系统研究的关键。为了实现节省能源17,解决钢包传统运行问题,保护钢包内衬寿命、烘烤过程规范化以及减轻人工劳动负担,开发一个适合某厂工艺需求的自动化系统具有重要的现实意义。2钢包烘烤自动控制技术的研究2.1系统设计与建立钢包烘烤自动控制系
20、统的设计涉及多个关键步骤,旨在实现钢包烘烤过程的高效自动化和智能化18,以提升烘烤效率并节约能耗。钢包烘烤自动图 1钢包烘烤原理示意图Fig.1Ladle baking principle schematic diagram 16基于节能降耗的钢包智能烘烤研究与实践 吴帅 等控制系统整体框架示意图如图 2 所示,通过设计长明火系统、自动点火系统、包内温度检测等系统实现钢包烘烤过程数据跟踪以及报警联动。其中包内温度检测系统采用耐高温的红外温度检测仪,将红外温度检测仪耐火元件安装在包盖上,温度测量范围为 4501600,并通入气体至涡流冷却器对探头进行冷却,利用耐火棉包裹,实现对包内温度的监测记录
21、。煤气安全保障系统通过利用安装在现场的CO 浓度检测仪,当检测到周围环境 CO 浓度超出设定报警值后,系统自动切断煤气快切阀并发出声光报警,远程监控界面会自动弹窗警告。PLC 控制系统与热平衡计算模型建立通讯连接,自动读取煤气流量和空气流量数据。热平衡计算模型基于某厂钢包的实际结构参数、检测设备采集的数据、烘烤工艺以及钢包升温制度(目标温度和烘烤时间)而建立,该模型采用 Python语言编写,能够自动计算大、中和小火阶段的输出项,并根据热平衡(输入等于输出)和煤气类型(低位发热值)计算煤气流量。在自动烘烤模式下,该模型根据不同类型的钢包和煤气类型,在不同的升温阶段自动计算煤气流量。同时,系统根
22、据煤气流量和提前预设空气过剩系数自动确定相应空气流量,并自动将这些数据传输至 PLC控制系统。通过建立 MySQL 烘烤数据库以便存储钢包烘烤运行期间所产生的各类数据。该数据库可实时获取并保存关键信息,包括钢包温度、流量、压力、报警记录等,除了实时数据,数据库还具备历史数据追溯功能。历史数据表的主要目的是记录每个包次的关键烘烤数据,便于操作人员能够查询和统计分析过往包次的烘烤信息。远程数据监控减少了操作人员需要直接接触高温或潜在危险环境的需求,从而提高了工作场所的安全性。远程监控界面则是通过读取 MySQL 数据库中的烘烤实时数据来构建,并设置相应报警弹窗,能够远程提醒工人烘烤现场可能出现的问
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