劉春燕，楊 州，周亮文，孟維芬 ，許 亮

（1萊鋼能源環(huán)保部，2萊鋼電子公司，3萊鋼型鋼廠，山東萊蕪 271104）

引言

軋材生產(chǎn)線中煤氣消耗占總生產(chǎn)成本的40%～65%，軋材燃耗的高低直接影響市場競爭力，在鋼鐵市場激烈競爭的大環(huán)境下，如何分析出降低燃耗的主要因素和調(diào)控方向，深挖內(nèi)潛降低鋼材的生產(chǎn)運行成本迫在眉睫。

1 軋鋼加熱爐燃耗高且原因分析滯后

2015年1～12月，萊鋼大H型鋼、中寬帶、寬厚板、620熱帶、特鋼老區(qū)軋線等軋鋼加熱爐煤氣消耗變化較大，且影響成本較多，其中大H型鋼、中寬帶兩條軋線2015年影響成本高達3400多萬元。2015年大H型鋼、中寬帶生產(chǎn)線能源成本比例見圖1。

圖1 大H型鋼、中寬帶生產(chǎn)線能源成本比例示意

目前，國內(nèi)外鋼鐵行業(yè)對軋材生產(chǎn)線加熱爐燃耗的日常分析，主要是針對加熱爐本體運行進行分析,或者是做階段性熱平衡，影響加熱爐燃耗的因素有很多：生產(chǎn)負(fù)荷率、鋼坯熱送熱裝率、助燃空氣預(yù)熱溫度、排煙溫度、空燃比、出鋼溫度變化等，但諸多影響因素變化到底影響燃耗多少，常規(guī)的分析費時費力，準(zhǔn)確性、時效性差，不能有效反應(yīng)影響燃耗的真實問題。因此對加熱爐相關(guān)聯(lián)的運行數(shù)據(jù)集成并對燃耗影響機理研究,形成一種模塊化軋線熱量在線分析模型是非常必要的。根據(jù)軋線燃耗影響比重、現(xiàn)場檢測設(shè)備以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)惹闆r，大H型鋼生產(chǎn)線計量檢測基礎(chǔ)條件相對較好，因此，首先在大H型鋼生產(chǎn)線進行了試點研發(fā)。

2 主要研究內(nèi)容

為突破軋線燃耗升高的迷茫與困擾，萊鋼特設(shè)立了軋線燃耗在線分析研發(fā)項目，該項目首先運用“問題樹”精益管理方法，分別對加熱爐燃耗相關(guān)的關(guān)聯(lián)因子進行識別分析；充分利用大數(shù)據(jù)傳輸、信息集成系統(tǒng)，按照熱流向分布及熱平衡原理，從生產(chǎn)組織、設(shè)備管理和熱工操作等三大方面，對軋鋼加熱爐生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)因子，進行系統(tǒng)性、流程性、動態(tài)性的測算分析研究，主要研究內(nèi)容如下：

2.1 分析關(guān)聯(lián)因子及研究測算模型

2.1.1 生產(chǎn)組織方面

（1）分析確定關(guān)聯(lián)因子

梳理分析從煉鋼連鑄坯到軋材入庫生產(chǎn)過程，對與大H型鋼加熱爐燃耗有關(guān)的熱因素進行識別、篩查，確定了連鑄坯產(chǎn)量、熱送坯量、加熱爐入爐坯量、熱裝坯量、熱裝溫度、軋制完工量、合格入庫量等主要關(guān)聯(lián)因子。

（2）研究生產(chǎn)組織相關(guān)測算模型

根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷率及變化，結(jié)合對應(yīng)各時段的鋼坯有效熱情況，研究測算分析出生產(chǎn)負(fù)荷率影響燃耗情況以及與燃耗的變化趨勢關(guān)系，生產(chǎn)負(fù)荷率與燃耗的關(guān)系示意見圖2。

圖2 生產(chǎn)負(fù)荷率與燃耗的關(guān)系示意

研究鋼坯熱裝率、熱裝溫度對燃耗的貢獻及量化影響趨勢。根據(jù)不同熱裝溫度下的鋼坯熱焓和不同熱裝率編制了熱裝坯帶入熱量和熱裝變化影響燃耗的測算方法。

2.1.2 設(shè)備管理方面

（1）分析確定關(guān)聯(lián)因子

分別對大H型鋼加熱爐有關(guān)設(shè)備熱流向運行方面的關(guān)聯(lián)因子進行識別、篩查，確定了汽化冷卻系統(tǒng)的蒸汽量、蒸汽壓力、冷卻水、空氣預(yù)熱系統(tǒng)的空氣量、空氣溫度、爐體散熱系統(tǒng)的爐頂、爐墻溫度等主要關(guān)聯(lián)因子。

（2）研究設(shè)備管理相關(guān)測算模型

根據(jù)蒸汽量、溫度等分別測算出了汽化冷卻蒸汽和冷卻水帶走的熱量和影響變化。

根據(jù)空氣預(yù)熱溫度、預(yù)熱溫度要求、空氣量變化，測算分析出空氣預(yù)熱溫度、空氣量對加熱爐燃耗的貢獻以及量化影響趨勢，同時測算出空氣換熱器熱效率。

根據(jù)加熱爐體各區(qū)域的面積、溫度、溫度要求，測算出了爐頂、爐墻等爐體散熱系統(tǒng)帶出的熱量及溫度變化對燃耗的影響。

2.1.3 熱工操作方面

（1）分析確定關(guān)聯(lián)因子

分別對與加熱爐燃耗在熱工運行操作方面有關(guān)因素進行識別、篩查，確定了加熱爐出鋼溫度、煙氣體積量、排煙溫度、煙氣中殘氧量、空氣量、煤氣量、混合煤氣混前高、焦、轉(zhuǎn)爐煤氣量、煤氣熱值等主要關(guān)聯(lián)因子。

（2）研究熱工操作相關(guān)測算模型

測算出加熱爐在不同出鋼溫度情況下的鋼坯帶出熱量、加熱鋼坯的有效熱以及出鋼溫度變化對燃耗的影響。對入爐空氣量、煤氣量、煤氣熱值、殘氧量、排煙溫度等參數(shù)，從正、反兩方面研究測算出了程序化各種狀態(tài)下的空燃比、空氣過剩系數(shù)、煙氣量、經(jīng)濟空燃比以及對燃耗的量化影響趨勢。

分別測算出了各種情況下的出爐煙氣量及帶出的熱量，以及排煙帶走的熱量。煙氣帶出熱考慮了煙氣殘氧儀測試正常與不正常兩種情況。通過對各種煙氣量測算及熱量測算情況，分析測算出了鋼坯氧化燒損放熱、帶出熱以及對燃耗的影響變化。

2.2 對關(guān)聯(lián)大數(shù)據(jù)信息化集成并建立模塊化在線分析平臺

2.2.1 搭建軋鋼加熱爐熱量分析系統(tǒng)平臺

根據(jù)加熱爐熱量分析測算模型，搭建軋鋼加熱爐能源管理軟硬件平臺，平臺基于Microsoft Visual Studio編程軟件建立客戶端系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫兼容Oracle及SQL Server主流管理軟件，實現(xiàn)基于應(yīng)用層、邏輯層、數(shù)據(jù)層三層架構(gòu)的軟件產(chǎn)品。在此基礎(chǔ)上將軟件系統(tǒng)劃分為后臺數(shù)據(jù)處理層、中間業(yè)務(wù)邏輯處理層、前臺業(yè)務(wù)邏輯處理層和表現(xiàn)層，保證數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)表現(xiàn)之間的完美鏈接。

2.2.2 關(guān)聯(lián)因子支撐系統(tǒng)接口

根據(jù)功能設(shè)計，加熱爐能源管理模塊與能源網(wǎng)、MES、PLC、ERP、加熱爐二級等多套系統(tǒng)或設(shè)備進行數(shù)據(jù)通訊接口，自動獲取數(shù)據(jù)，減少人工整理、輸入的誤差，提高支撐數(shù)據(jù)的正確性，為燃耗分析的正確性提供有力保障。

2.2.3 實現(xiàn)程序模塊的數(shù)據(jù)集成及在線分析功能

（1）建立了能源信號模塊，實現(xiàn)加熱爐能耗分析關(guān)聯(lián)因子的數(shù)據(jù)集成、分類配置、查詢功能。

（2）建立了實績信息管理模塊，實現(xiàn)了生產(chǎn)組織、設(shè)備管理、熱工操作等實績信息的采集與模型計算功能，并形成班報報表。

（3）建立加熱爐在線分析模塊，分別實現(xiàn)了按照班（8 h）為每一個測算區(qū)間入爐坯燃耗主要影響因素等分析模型。

（4）建立了加熱爐動態(tài)運行優(yōu)控模塊，動態(tài)反饋優(yōu)化調(diào)整空燃比、爐壓等參數(shù)達到經(jīng)濟運行區(qū)間。

3 主要研究成果及應(yīng)用情況

該研發(fā)項目充分利用大數(shù)據(jù)傳輸、信息集成系統(tǒng)，按照熱流向分布及熱平衡原理，從生產(chǎn)組織、設(shè)備管理和熱工操作等三大方面，對軋鋼加熱爐生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)因子，進行系統(tǒng)性、流程性、動態(tài)性的測算分析研究，形成了一種動態(tài)分析軋線燃耗影響機理的模塊化應(yīng)用工具。研發(fā)主要技術(shù)成果及效益效果如下：

3.1 主要創(chuàng)新技術(shù)成果

3.1.1 研究實現(xiàn)了動態(tài)量化軋線燃耗的主要影響因素和影響比例

（1）實現(xiàn)了加熱爐燃耗主要影響因素的動態(tài)量化分析，按班次為周期，以數(shù)據(jù)格式、餅狀圖示意對各主要影響因素進行量化并明析各因素影響比例，便于更好的把握改善重點。入爐坯燃耗主要影響因素及影響比例詳見圖3、圖4。

圖3 入爐坯燃耗主要影響因素

圖4 入爐坯燃耗主要影響比例

（2）實現(xiàn)加熱爐燃耗能耗橋分析功能

實現(xiàn)了加熱爐燃耗各影響因素能耗橋量化，直觀明了的顯示出與理想燃耗的差距，明確改善方向。加熱爐燃耗分析能耗橋詳見圖5。

圖5 加熱爐燃耗分析能耗橋

3.1.2 實現(xiàn)加熱爐運行動態(tài)優(yōu)化監(jiān)控

實時動態(tài)管控（每分鐘刷新一次），根據(jù)入爐空氣、煤氣量、煤氣配比以及煙氣殘氧等實時數(shù)據(jù)，以及與理想數(shù)據(jù)的對比監(jiān)控，動態(tài)分析加熱爐在線運行控制的合理性，反饋優(yōu)化調(diào)整空燃比等數(shù)據(jù)，可在線降低煤氣消耗。大H型鋼加熱爐動態(tài)運行情況詳見圖6。

圖6 大H型鋼加熱爐動態(tài)運行情況

3.1.3 軋線燃耗影響機理動態(tài)分析模型

軋線燃耗影響機理動態(tài)分析模型是一種動態(tài)分析軋線燃耗影響機理的模塊化應(yīng)用工具，該分析模型在大H型鋼生產(chǎn)線得到成功試點開發(fā)，為降低該生產(chǎn)線的煤氣消耗和實現(xiàn)智能制造工廠發(fā)揮了重要技術(shù)支撐，下一步可在萊鋼或其它鋼鐵廠軋鋼生產(chǎn)線進行推廣應(yīng)用。

3.2 研發(fā)項目對癥施措，實時效果顯著

創(chuàng)建的軋線燃耗動態(tài)分析模型的研發(fā)項目，在萊鋼大H型鋼生產(chǎn)線上線運行，明確了降低燃耗的改善方向，實現(xiàn)了軋鋼加熱爐熱流向系統(tǒng)的程序化、流程化的在線分析和精益管控，對應(yīng)實施了一系列優(yōu)化改善措施，取得顯著效果。

3.2.1 主要實施優(yōu)化措施

（1）優(yōu)化軋鋼與加熱爐生產(chǎn)的匹配對應(yīng)，提高了生產(chǎn)作業(yè)率（提高率為9%），優(yōu)化煉鋼、加熱爐生產(chǎn)運行組織，提高鋼坯熱裝率（熱裝率由60%提高到70%以上），減少鋼坯熱損失，從而降低煤氣消耗。

（2）將加熱爐入爐側(cè)裝鋼溫度測點進行了改造，創(chuàng)新實施了入爐鋼坯稱重與入爐溫度測量的捆綁上傳，目前入爐的每一只鋼坯均實現(xiàn)測溫識別上傳，為實時掌握和提高鋼坯熱裝率提供了有力的技術(shù)支撐。

（3）為穩(wěn)定煤氣熱值，實施了混合煤氣并網(wǎng)改造，轉(zhuǎn)爐煤氣由并混合煤氣支管改為并混合煤氣總管，對于大H型鋼、中寬帶生產(chǎn)線，混合煤氣熱值趨于穩(wěn)定。

（4）編制混合煤氣熱值在線運控程序，為動態(tài)掌握型鋼混合煤氣熱值的實際運行及控制，組織編制了混合煤氣熱值在線運控程序，從技術(shù)上實現(xiàn)了混合煤氣熱值在線，為煤氣動態(tài)平衡調(diào)配和加熱爐的經(jīng)濟燒爐提供了技術(shù)支撐。

（5）完善了加熱爐煙氣殘氧分析，實現(xiàn)了加熱爐運行動態(tài)優(yōu)化監(jiān)控，可在線降低煤氣消耗。

（6）修復(fù)了出爐煙氣測溫算裝置，即有效保障了空氣換熱器的運控安全，又為監(jiān)控加熱爐、空氣換熱器熱效率發(fā)揮重要作用。

（7）針對空氣預(yù)熱溫度低問題，一方面合理控制空燃比，減少富余空氣帶入量，另一方面借加熱爐改造機會對熱風(fēng)管道進行了保溫包扎，空氣預(yù)熱溫度由400℃提高到430℃以上。

3.2.2 加熱爐燃耗降低顯著

通過創(chuàng)建該研發(fā)項目以來，大H型鋼加熱爐燃耗降低明顯，燃耗降低明顯，由 2016年的1.89GJ/t，2017年降為1.539 GJ/t材，2017年降低燃耗運行成本達1286萬元。

4 小結(jié)

通過對軋線燃耗動態(tài)分析模型的研究，開發(fā)的軋鋼加熱爐燃耗運行大數(shù)據(jù)信息集成系統(tǒng)，實現(xiàn)了加熱爐經(jīng)濟運行的有效監(jiān)控；開發(fā)的動態(tài)量化軋鋼加熱爐燃耗主要影響因素，實現(xiàn)了快速、準(zhǔn)確量化影響燃耗的主要因素和影響比例，明確了改善方向和改善重點；開發(fā)的加熱爐動態(tài)運行優(yōu)化監(jiān)控，可動態(tài)反饋優(yōu)化調(diào)整空燃比、爐壓等參數(shù)達到經(jīng)濟運行區(qū)間，可在線降低煤氣消耗；創(chuàng)新開發(fā)形成的“軋線燃耗影響機理動態(tài)分析模型”，實現(xiàn)了軋鋼加熱爐運行大數(shù)據(jù)集成與熱工原理的有機結(jié)合，為降低軋線燃耗和實現(xiàn)智能制造工廠發(fā)揮了重要技術(shù)支撐，具有較好的應(yīng)用前景和推廣價值。