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【摘 要】 本文主要探讨如何对环形加热炉的加热过程进行优化控制。首先简要介绍环形加热炉的构造及工艺流程，然后根据笔者日常积累的工作经验，重点分析目前我国钢铁生产行业环形加热炉在加热过程中存在的问题，并针对其问题提出优化加热过程的相应策略。
【关键词】 环形加热炉；加热过程；优化控制策略
前言
环形加热炉是生产无缝钢管的重要设备，其加热过程中的氧化烧结和能耗不仅直接关系到无缝钢管的生产成本，而且加热质量也严重影响到无缝钢管的生产质量。在当前全球能源紧张、钢铁行业竞争日益激烈的背景下，探讨如何优化环形加热炉的加热过程，对于提高钢铁产品质量和降低生产能耗都意义重大，而且对于促进我国钢铁行业的发展、提高钢铁企业的国际市场竞争力具有非常重要的推动作用。
一、环形加热炉概述
1.1环形加热炉构造
环形加热炉由固定炉墙、炉顶构成的环形隧道和可旋转的炉底所组成，属于
连续加热炉的一种。炉底由双层非紧固连接的钢架构成，其中，上层钢架主要用于承载炉底耐火材料，而下层钢架则用来转动炉底，主要依靠传动设备和支承辊及定心辊来达到这个目的。
1.2环形加热炉工艺流程
环形加热炉的加热流程主要分为四个阶段，即隔热回收、预热、加热以及均热，其中，加热和均热分别都有3段。热回收阶段主要是利用逆时针流向烟道的高温烟气对进入炉内的管坯进行预热，然后随着炉底顺时针转动，管坯依次进入预热段、加热Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段进行逐步加热，这个加热过程主要通过空、煤气双蓄热的蓄热式燃烧技术来实现；经过加热段之后管坯依次进入三个均热段，这一阶段的燃料主要是天然气，采用的是常规燃烧方式。
二、环形加热炉加热过程存在的主要问题
由于无缝钢管有合金钢和不锈钢等较多钢种，而且这些加热的钢种规格、批量都有很大差异，因此对加热炉燃烧控制条件和炉温要求较高，但是从目前来看，我国钢铁冶炼行业的环形加热炉基本都是依靠操作人员的经验来控制加热炉内钢坯的温度。这种方法不仅能耗较大，而且炉温控制精度较低，对于复杂多变的炉内加热过程不能很好掌控。总体而言，在传统操作方法下环形加热炉加热过程存在以下问题：
2.1炉温波动较大
对环形加热炉的炉膛温度控制要求非常高，对于不同材质的钢坯必须按照不同的升温曲线进行钢坯烘烤，炉温过高或者过低，都将影响轧制工艺的质量，而且过高的温度还会使钢的机械性能下降，极易产生加工裂纹。传统依靠人工经验的操作方法，对于主要影响温度变化的燃料流量和空气流量并不能实现实时控制，只能在进入炉膛之初设置好相应比例，但是对于加热过程中不断变化着的燃料流量和空气流量却无从把握，这就使得整个加热过程炉内温度波动较大。当空气过剩时，加热钢坯受到过剩空气的氧化，影响钢坯质量；而燃料过剩则又会浪费能源，造成环境污染。
2.2燃料流量控制不准确
环形加热炉在加热过程中，燃料流量是否控制得当，也严重影响到燃烧过程是否达到最佳状态。如果空气流量过小，空气过剩系数小于1.0，燃料将不能得到充分燃烧，热效率降低，而且由此产生的浓烟容易污染环境；反之，燃烧过程中参入的空气过多，将会使加热过程中钢坯表面容易过氧化，而且多余的空气被加热后也会随着废气一同流失，热效率随之降低。传统的加热炉操作方法只能依靠检测烟囱烟气中的含氧量来调节控制回路中的空气量大小，以此达到对燃料流量的控制的目的，这种方法具有很大滞后性，实际上这时候的燃料量早已发生变化，这种滞后的控制方法无法使炉内燃料达到最佳燃烧状态，大大降低了热效率，不是造成严重的环境污染，就是造成钢坯过氧损坏。
三、环形加热炉加热过程优化控制策略
3.1优化炉温控制系统，确保炉温平稳变化
首先，在炉温检测系统内，每个加热段设置2支热电偶，一支用于随时自动监测炉膛温度，一支用于参与调解温度。另外，每个加热段设置空燃流量检测仪表，并且该仪表可以计算出流量瞬间比值，比如涡街流量计。当天然气压力突然下降到报警联锁值时，设置的程序要有自动关闭天然气切断阀的功能。而且操作人员接到报警信号后，要立即将调解系统打到手动状态，并且需要去现场关闭烧嘴，待确认压力恢复后，再手动打开切断阀。
其次，在炉温调节系统中，每段设置两个调节阀，分别调节空气流量和燃料流量，在确保设定空燃比的基础上，通过调节阀来调节该段助燃空气和煤气流量相互限幅而又交替上升或者下降，从而使加热炉膛内各個燃烧段的温度值始终保持设定的温度值，使炉温曲线最优化，炉温平稳变化而不超调。
3.1严格控制空气-燃气比，确保最佳燃烧状态
空气-燃气比是确保炉温的重要因素，同时也是控制燃料流量和保持管道含氧量的关键所在。如图2所示，空气-燃气比的优化控制，首先需要将燃料流量和含氧量调节器的输出经过一种运算，将运算结果作为空气流量调节的设定值，来调节空气流量的大小。当炉出口温度出现波动时，炉出口温度调节器的输出将发生变化，于是改变了燃料流量控制回路的设定值，使得燃料流量发生变化，使炉出口温度保持在规定范围内。与此同时，由于燃料流量与氧含量调节器的输出经过运算作为空气流量调节器的设定值，尽管在燃料流量变化的瞬间，由于氧含量测量的滞后，还没有检测到烟气中氧含量的变化，但燃料流量的变化改变了空气调节器的设定值，从而相应地改变空气流量的大小，达到了空气流量随燃料流量变化而及时成比例变化的目的。
其次，由于空气流量的变化会引起炉膛压力的变化，因此可以直接将空气流量设定为炉膛压力调节回路的设定值之一，这样一来，当空气流量发生改变时，炉膛压力调节回路的设定跟着改变，能及时调整烟道挡板的角度，稳定炉膛压力和温度，确保加热过程稳定运行，既不会造成钢坯过氧损坏，也不会因燃料过量导致能源浪费和环境污染。
3.3辅助运用多变量控制器
由于环形加热炉的整个加热过程是复杂多变的，因此笔者认为还可以引进DCS等多变量控制器，来辅助控制加热过程。加热炉的所有被控变量无外乎出口温度、炉膛压力以及烟气中的含氧量等，而控制变量则包含加热介质流量、燃料流量以及空气流量等。在引入的多变量控制器中，应预先设定好各个被控变量和控制变量之间的运算关系，并且划分出相应的等级，对各个变量赋予加权值。当一个扰动出现时，多变量控制器就会根据预先设定好的运算控制方案来协调各个被控变量和控制变量，平衡各个控制指标，使整个加热过程得到优化控制，确保炉温稳定，燃烧最佳。
图2空气-燃气比控制方案
四、小结
随着工业的不断进步，钢铁冶金行业对加热设备的要求越来越高，不仅要求能耗低、环保，而且对钢坯加热质量的要求也越来越高，以满足后续钢铁加工的需要。伴随科技技术的不断进步，环形加热炉的加热过程将会有更多的优化控制策略，需要我们进一步的探索和研究。本文所提出的三点优化策略，仅仅起到抛砖引玉的作用，期待更多的专业技术人才参与到该课题的研究中，为我国钢铁冶金行业研制出更先进的加热控制方案，以最低的能耗，生产出加热质量更高的钢铁产品。
参考文献：
[1]陶军，王云川，张东平，王萍，张涛.加热炉加热过程优化控制系统的研究与应用[J].冶金能源，2006，01：55-58.
[2]杨寅，张海燕，方蓉，姜泽毅.环形加热炉二级优化控制系统的应用[J].工业加热，2008，03：54-56.
【关键词】 环形加热炉；加热过程；优化控制策略
前言
环形加热炉是生产无缝钢管的重要设备，其加热过程中的氧化烧结和能耗不仅直接关系到无缝钢管的生产成本，而且加热质量也严重影响到无缝钢管的生产质量。在当前全球能源紧张、钢铁行业竞争日益激烈的背景下，探讨如何优化环形加热炉的加热过程，对于提高钢铁产品质量和降低生产能耗都意义重大，而且对于促进我国钢铁行业的发展、提高钢铁企业的国际市场竞争力具有非常重要的推动作用。
一、环形加热炉概述
1.1环形加热炉构造
环形加热炉由固定炉墙、炉顶构成的环形隧道和可旋转的炉底所组成，属于
连续加热炉的一种。炉底由双层非紧固连接的钢架构成，其中，上层钢架主要用于承载炉底耐火材料，而下层钢架则用来转动炉底，主要依靠传动设备和支承辊及定心辊来达到这个目的。
1.2环形加热炉工艺流程
环形加热炉的加热流程主要分为四个阶段，即隔热回收、预热、加热以及均热，其中，加热和均热分别都有3段。热回收阶段主要是利用逆时针流向烟道的高温烟气对进入炉内的管坯进行预热，然后随着炉底顺时针转动，管坯依次进入预热段、加热Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段进行逐步加热，这个加热过程主要通过空、煤气双蓄热的蓄热式燃烧技术来实现；经过加热段之后管坯依次进入三个均热段，这一阶段的燃料主要是天然气，采用的是常规燃烧方式。
二、环形加热炉加热过程存在的主要问题
由于无缝钢管有合金钢和不锈钢等较多钢种，而且这些加热的钢种规格、批量都有很大差异，因此对加热炉燃烧控制条件和炉温要求较高，但是从目前来看，我国钢铁冶炼行业的环形加热炉基本都是依靠操作人员的经验来控制加热炉内钢坯的温度。这种方法不仅能耗较大，而且炉温控制精度较低，对于复杂多变的炉内加热过程不能很好掌控。总体而言，在传统操作方法下环形加热炉加热过程存在以下问题：
2.1炉温波动较大
对环形加热炉的炉膛温度控制要求非常高，对于不同材质的钢坯必须按照不同的升温曲线进行钢坯烘烤，炉温过高或者过低，都将影响轧制工艺的质量，而且过高的温度还会使钢的机械性能下降，极易产生加工裂纹。传统依靠人工经验的操作方法，对于主要影响温度变化的燃料流量和空气流量并不能实现实时控制，只能在进入炉膛之初设置好相应比例，但是对于加热过程中不断变化着的燃料流量和空气流量却无从把握，这就使得整个加热过程炉内温度波动较大。当空气过剩时，加热钢坯受到过剩空气的氧化，影响钢坯质量；而燃料过剩则又会浪费能源，造成环境污染。
2.2燃料流量控制不准确
环形加热炉在加热过程中，燃料流量是否控制得当，也严重影响到燃烧过程是否达到最佳状态。如果空气流量过小，空气过剩系数小于1.0，燃料将不能得到充分燃烧，热效率降低，而且由此产生的浓烟容易污染环境；反之，燃烧过程中参入的空气过多，将会使加热过程中钢坯表面容易过氧化，而且多余的空气被加热后也会随着废气一同流失，热效率随之降低。传统的加热炉操作方法只能依靠检测烟囱烟气中的含氧量来调节控制回路中的空气量大小，以此达到对燃料流量的控制的目的，这种方法具有很大滞后性，实际上这时候的燃料量早已发生变化，这种滞后的控制方法无法使炉内燃料达到最佳燃烧状态，大大降低了热效率，不是造成严重的环境污染，就是造成钢坯过氧损坏。
三、环形加热炉加热过程优化控制策略
3.1优化炉温控制系统，确保炉温平稳变化
首先，在炉温检测系统内，每个加热段设置2支热电偶，一支用于随时自动监测炉膛温度，一支用于参与调解温度。另外，每个加热段设置空燃流量检测仪表，并且该仪表可以计算出流量瞬间比值，比如涡街流量计。当天然气压力突然下降到报警联锁值时，设置的程序要有自动关闭天然气切断阀的功能。而且操作人员接到报警信号后，要立即将调解系统打到手动状态，并且需要去现场关闭烧嘴，待确认压力恢复后，再手动打开切断阀。
其次，在炉温调节系统中，每段设置两个调节阀，分别调节空气流量和燃料流量，在确保设定空燃比的基础上，通过调节阀来调节该段助燃空气和煤气流量相互限幅而又交替上升或者下降，从而使加热炉膛内各個燃烧段的温度值始终保持设定的温度值，使炉温曲线最优化，炉温平稳变化而不超调。
3.1严格控制空气-燃气比，确保最佳燃烧状态
空气-燃气比是确保炉温的重要因素，同时也是控制燃料流量和保持管道含氧量的关键所在。如图2所示，空气-燃气比的优化控制，首先需要将燃料流量和含氧量调节器的输出经过一种运算，将运算结果作为空气流量调节的设定值，来调节空气流量的大小。当炉出口温度出现波动时，炉出口温度调节器的输出将发生变化，于是改变了燃料流量控制回路的设定值，使得燃料流量发生变化，使炉出口温度保持在规定范围内。与此同时，由于燃料流量与氧含量调节器的输出经过运算作为空气流量调节器的设定值，尽管在燃料流量变化的瞬间，由于氧含量测量的滞后，还没有检测到烟气中氧含量的变化，但燃料流量的变化改变了空气调节器的设定值，从而相应地改变空气流量的大小，达到了空气流量随燃料流量变化而及时成比例变化的目的。
其次，由于空气流量的变化会引起炉膛压力的变化，因此可以直接将空气流量设定为炉膛压力调节回路的设定值之一，这样一来，当空气流量发生改变时，炉膛压力调节回路的设定跟着改变，能及时调整烟道挡板的角度，稳定炉膛压力和温度，确保加热过程稳定运行，既不会造成钢坯过氧损坏，也不会因燃料过量导致能源浪费和环境污染。
3.3辅助运用多变量控制器
由于环形加热炉的整个加热过程是复杂多变的，因此笔者认为还可以引进DCS等多变量控制器，来辅助控制加热过程。加热炉的所有被控变量无外乎出口温度、炉膛压力以及烟气中的含氧量等，而控制变量则包含加热介质流量、燃料流量以及空气流量等。在引入的多变量控制器中，应预先设定好各个被控变量和控制变量之间的运算关系，并且划分出相应的等级，对各个变量赋予加权值。当一个扰动出现时，多变量控制器就会根据预先设定好的运算控制方案来协调各个被控变量和控制变量，平衡各个控制指标，使整个加热过程得到优化控制，确保炉温稳定，燃烧最佳。
图2空气-燃气比控制方案
四、小结
随着工业的不断进步，钢铁冶金行业对加热设备的要求越来越高，不仅要求能耗低、环保，而且对钢坯加热质量的要求也越来越高，以满足后续钢铁加工的需要。伴随科技技术的不断进步，环形加热炉的加热过程将会有更多的优化控制策略，需要我们进一步的探索和研究。本文所提出的三点优化策略，仅仅起到抛砖引玉的作用，期待更多的专业技术人才参与到该课题的研究中，为我国钢铁冶金行业研制出更先进的加热控制方案，以最低的能耗，生产出加热质量更高的钢铁产品。
参考文献：
[1]陶军，王云川，张东平，王萍，张涛.加热炉加热过程优化控制系统的研究与应用[J].冶金能源，2006，01：55-58.
[2]杨寅，张海燕，方蓉，姜泽毅.环形加热炉二级优化控制系统的应用[J].工业加热，2008，03：54-56.