一、研究的背景與問題
軋鋼生產(chǎn)是鋼鐵業(yè)生產(chǎn)過程中的主要環(huán)節(jié)，加熱爐是軋鋼生產(chǎn)線關(guān)鍵設(shè)備之一，也是主要耗能設(shè)備，占據(jù)整個軋鋼生產(chǎn)環(huán)節(jié)總能耗的56%以上，每噸鋼坯排碳量約為12～24kg（CO2）。隨著現(xiàn)代化軋機(jī)生產(chǎn)線向大型、連續(xù)、高效、高精度和低污染方向的發(fā)展，對坯料的加熱過程控制提出了更高的要求，要求以盡可能少的燃料消耗，使加熱爐內(nèi)的鋼坯加熱質(zhì)量滿足工藝要求。
冶金行業(yè)加熱爐內(nèi)熱物理環(huán)境復(fù)雜，長期以來，傳統(tǒng)的冶金行業(yè)加熱爐缺乏有效監(jiān)測手段，無法實時獲取爐內(nèi)鋼坯溫度和爐氣成分，無法實現(xiàn)加熱過程的精準(zhǔn)控制。加熱爐溫度控制依賴于爐膛熱電偶，控制的是爐氣溫度而不是爐內(nèi)鋼坯溫度，加熱爐供給過剩的熱量、燃燒供給過?？諝?，采取“過熱、過氧”工藝來保證鋼坯溫度滿足后續(xù)軋制需求及燃料充分燃燒，由此會產(chǎn)生大量能源浪費及鋼材的氧化燒損，一家年產(chǎn)量達(dá)到千萬噸級的鋼鐵企業(yè)，每年因加熱爐采用“過熱、過氧”工藝造成的損失高達(dá)數(shù)億元人民幣。全行業(yè)內(nèi)每年因此造成的能源浪費達(dá)到數(shù)十億元人民幣。
二、技術(shù)解決方案
冶金加熱爐的優(yōu)化控制關(guān)鍵在于精確的燃燒控制和穩(wěn)定的爐溫控制。爐內(nèi)鋼坯溫度預(yù)測和準(zhǔn)確的空燃比是控制的關(guān)鍵。2006年起，馬鋼與安徽大學(xué)合作，基于冶金工業(yè)爐窯實際生產(chǎn)中的技術(shù)需求，開展了包括復(fù)雜熱環(huán)境下的光電檢測技術(shù)、熱能工程、自動化控制、機(jī)械設(shè)計制造等多學(xué)科交叉研究。
馬鞍山鋼鐵股份有限公司與安徽大學(xué)合作團(tuán)隊在一系列關(guān)鍵技術(shù)和實現(xiàn)方法上取得了突破，研發(fā)了在大型工業(yè)爐復(fù)雜熱物理環(huán)境下基于光電檢測技術(shù)的爐內(nèi)工件表面溫度全視場監(jiān)測及爐膛氣分在線分析系統(tǒng)，實現(xiàn)了加熱爐內(nèi)工件溫度和爐內(nèi)CO、O2濃度的實時測量。并在此基礎(chǔ)上將所獲得的關(guān)鍵物理參量作為控制參量，自主研發(fā)了“加熱爐燃燒效能在線智能監(jiān)測與優(yōu)化控制系統(tǒng)”，該系統(tǒng)以爐內(nèi)工件溫度參數(shù)建立溫控模型，以爐膛氣分檢測參數(shù)建立空燃比最優(yōu)控制模型，實現(xiàn)大型工業(yè)爐窯燃燒效能的最優(yōu)化控制。
圖1冶金加熱爐優(yōu)化控制流程圖
系統(tǒng)在冶金加熱爐控制流程如圖1所示，加熱爐工作參數(shù)與過程信息由測溫和氣體探測系統(tǒng)獲得，輸送至二級模型及控制系統(tǒng)實現(xiàn)加熱爐動態(tài)優(yōu)化閉環(huán)控制。
三、主要技術(shù)內(nèi)容與創(chuàng)新
1、基于比色測溫技術(shù)，自主研發(fā)了復(fù)雜熱物理環(huán)境下爐內(nèi)工件表面溫度全視場實時監(jiān)測系統(tǒng)
國內(nèi)首次創(chuàng)新性地采用雙光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)開展了比色測溫機(jī)理及其在加熱爐復(fù)雜熱物理環(huán)境下的適應(yīng)性研究。項目組在比色測溫雙波長的選擇及濾光片最小帶寬的計算、比色測溫誤差修正和實際工況環(huán)境下溫度測量精度提升等方面均取得突破，并利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)，智能識別爐內(nèi)工件類型。實現(xiàn)了爐內(nèi)工件實時在線的全視場溫度測量。為實現(xiàn)本項目目標(biāo)提供了裝備技術(shù)支撐。
（1）雙光路雙CCD的圖像測溫探頭。2006年，項目組研發(fā)了基于彩色和近紅外雙CCD的圖像測溫探頭，創(chuàng)新的雙光路的設(shè)計將工業(yè)電視和比色法紅外測溫技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)了技術(shù)和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。一套探頭即可實現(xiàn)爐膛內(nèi)部工況監(jiān)視和對監(jiān)視區(qū)域內(nèi)的加熱工件的溫度測量。
2008年，項目組把測溫系統(tǒng)的彩色和近紅外模式升級為雙近紅外模式，避免可見與紅外雙波長切換，系統(tǒng)更加穩(wěn)定，可應(yīng)用于動目標(biāo)監(jiān)測。2018年項目組依據(jù)黑體輻射原理，將采集的紅外灰度圖像升級為基于溫度本征還原的彩色圖像。
圖2雙光路雙CCD探頭
（2）國內(nèi)首次提出雙波長比色測溫的波長選擇方法。在雙波長比色測溫中，波長的選擇非常重要。項目組在國內(nèi)首次提出紅外波長的選擇依據(jù)以及相應(yīng)的計算方法，提升了測溫的靈敏度和線性度，發(fā)展與完善了比色測溫的理論與技術(shù)。
（3）基于機(jī)器視覺的爐內(nèi)待測工件（鋼坯、爐管等）識別技術(shù)。在紅外探測器監(jiān)測鋼坯溫度過程中，由于爐內(nèi)除鋼坯外，還有其他背景物體，如爐墻、出料口、火嘴、步進(jìn)梁等，如圖3示。項目組基于機(jī)器視覺開發(fā)出爐內(nèi)待測工件識別技術(shù)。該技術(shù)用爐內(nèi)無工件狀態(tài)為匹配模板，采用二維最大類間方差（OTSU）閾值法，能夠準(zhǔn)確勾勒出了工件所在區(qū)域，避免了爐壁背景的干擾，進(jìn)而得到待測工件的溫度。
圖3加熱爐內(nèi)環(huán)境及爐內(nèi)鋼坯識別結(jié)果
（4）針對環(huán)境輻射和系統(tǒng)誤差的溫度校驗修正方法。爐膛火焰、氣體組分、粉塵及工件表面平滑度，會影響工件的紅外輻射特性。項目組通過不同普朗克定律計算不同環(huán)境和物體的溫度、發(fā)射率及輻射波長下的環(huán)溫比率，進(jìn)行溫度校驗，并通過設(shè)置光學(xué)參數(shù)、濾波、插值修正等方法控制系統(tǒng)誤差，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，相對測量精度達(dá)到0.5%。
（5）爐內(nèi)工件溫度全視場實時監(jiān)測技術(shù)。項目組利用紅外熱輻射、CCD檢測、比色測溫、圖像處理等多種技術(shù)，開發(fā)了爐內(nèi)工件溫度全視場實時監(jiān)測技術(shù)。該技術(shù)能自動識別爐內(nèi)工件，并測出其表面溫度分布，具有檢測速度快、監(jiān)測精確度高、檢測范圍大等特點，可對工件表面溫度進(jìn)行全視場檢測，并能對高溫爐膛內(nèi)工況進(jìn)行實時監(jiān)視。該技術(shù)解決了爐內(nèi)工件溫度全面動態(tài)實時檢測的技術(shù)難題，如圖4所示。
圖4全視場測溫技術(shù)
系統(tǒng)可實時測量爐內(nèi)鋼坯溫度，同時加熱爐內(nèi)紅外熱像以溫度偽彩模式在工業(yè)電視及工控機(jī)上顯示，溫度變化曲線在屏幕圖表實時顯示。如圖5所示。
圖5鋼坯溫度實時檢測功能
2、國內(nèi)首次研發(fā)復(fù)雜熱物理環(huán)境下爐內(nèi)多組分氣在線分析系統(tǒng)
項目組基于TDLAS技術(shù)，在國內(nèi)首次研發(fā)復(fù)雜熱物理環(huán)境下加熱爐多組分氣分在線分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)實時測量加熱爐內(nèi)CO、O2濃度，評估燃燒狀態(tài)，為低氧燃燒控制提供控制參量。
（1）可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)TDLAS?？烧{(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)TDLAS（TunableDiode Laser AbsorptionSpectroscopy）：激光穿過氣體介質(zhì)后，其強度變化遵循Lambert-Beer定律，通過測量透射光信號進(jìn)行對光路經(jīng)濃度的反演。是一種高靈敏、高分辨、快速響應(yīng)的痕量氣體檢測技術(shù)。
本系統(tǒng)采用波長調(diào)制吸收光譜TDLAS技術(shù)，基本組成如圖6所示，三角波和正弦波疊加作為激光器的調(diào)制驅(qū)動信號，激光經(jīng)過吸收區(qū)域之后由光電探測器探測通過鎖相放大器，獲得二次諧波信號。并進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合分析，從而計算出被測氣體濃度。
圖6 系統(tǒng)示意圖
（2）創(chuàng)新的角反射式氣體檢測方法。傳統(tǒng)對射式氣體測量設(shè)備在復(fù)雜熱物理高溫環(huán)境下，對射式機(jī)械結(jié)構(gòu)變形，光路發(fā)生改變，導(dǎo)致氣體測量不穩(wěn)定。項目組創(chuàng)新性地設(shè)計了收發(fā)同側(cè)的角反射式氣體檢測方法，利用角反射鏡實現(xiàn)了收發(fā)同側(cè)的光學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)，提升了系統(tǒng)光路的穩(wěn)定性。角反射鏡的光學(xué)結(jié)構(gòu)，使得氣體吸收光程增加一倍，提升了氣體檢測極限和檢測靈敏度。系統(tǒng)具有非接觸、高響應(yīng)、實時高穩(wěn)定特點，氣體檢測系統(tǒng)如圖7所示。
圖7 基于TDLAS技術(shù)的爐內(nèi)多組分氣分在線分析系統(tǒng)
（3）單光路多組分氣體同時檢測。傳統(tǒng)的氣體檢測如氧化鋯、激光氣體分析儀都只能測量一種氣體。加熱爐爐內(nèi)氣體成分復(fù)雜，單一氣體檢測無法滿足加熱爐燃燒狀態(tài)的監(jiān)測和燃燒優(yōu)化控制。項目組利用分時掃描的波長調(diào)制光譜技術(shù)和同一光路多種波段激光收發(fā)同側(cè)的探測方式，利用單鎖相板解調(diào)雙路探測器的高頻信號實現(xiàn)激光路徑內(nèi)多組分氣體濃度同時探測。一套裝置測量多種氣體測量，簡化儀器安裝，節(jié)省了成本。
3、國內(nèi)首次研發(fā)基于爐內(nèi)工件表面溫度實時監(jiān)測及爐膛氣分在線分析的智能燃燒優(yōu)化控制技術(shù)
傳統(tǒng)加熱爐溫度控制以熱電偶的點式測量作為參考，結(jié)合模型給出控制指令。由于爐膛環(huán)境多變、溫度不均，熱電偶無法獲取爐內(nèi)全視場溫度，導(dǎo)致控制不精細(xì)。因無法獲得高響應(yīng)的CO、O2信息，傳統(tǒng)加熱爐燃燒均采用“過氧”工藝，導(dǎo)致高損耗和高排放。項目組利用自主研制的測溫和氣體分析系統(tǒng)，獲取爐內(nèi)工件溫度和爐內(nèi)CO、O2濃度數(shù)據(jù)，并與模糊專家控制模型有效融合，開發(fā)了加熱爐效能監(jiān)測與燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)組成如圖8。
圖8控制系統(tǒng)組成
（1）基于爐內(nèi)工件表面溫度實時監(jiān)測的加熱爐爐溫優(yōu)化控制技術(shù)。項目組采用自主研發(fā)測溫系統(tǒng)獲取工件表面溫度分布，結(jié)合模糊控制或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制技術(shù)，建立在線控制模型，實現(xiàn)對加熱爐爐溫分布的優(yōu)化控制。該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于冶金行業(yè)加熱爐，對降低氧化燒損、提升產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)能降耗等有重要意義。
圖9加熱爐中 CO、O2和 NOx相互關(guān)系和低氧燃燒控制
（2）基于爐膛氣分在線分析的空燃比優(yōu)化控制技術(shù)。項目組利用自主研制的多組分氣體測量系統(tǒng)實現(xiàn)了低氧優(yōu)化燃燒控制，運用PID和遺傳控制算法，實現(xiàn)空燃比最優(yōu)控制，將爐中CO濃度控制在50～150ppm，O2控制在0.5%～1%，則爐內(nèi)燃料可達(dá)到化學(xué)方程式級別燃燒。從而減少了煙囪帶走的熱量，提升了燃燒效率，并且降低加熱爐氮氧化物的排放。
主要技術(shù)指標(biāo)：
四、應(yīng)用情況與效果
馬鋼與安徽大學(xué)聯(lián)合研制的“加熱爐燃燒效能在線智能監(jiān)測與優(yōu)化控制系統(tǒng)”，研發(fā)了復(fù)雜熱物理環(huán)境下“基于比色測溫技術(shù)的爐內(nèi)工件表面溫度全視場實時監(jiān)測系統(tǒng)”及“基于TDLAS技術(shù)的爐內(nèi)氣分在線分析系統(tǒng)”等兩種智能監(jiān)測產(chǎn)品，并在此兩項技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)出了“大型工業(yè)加熱爐優(yōu)化控制方法”，實現(xiàn)大型工業(yè)爐窯燃燒效能的最優(yōu)化控制。項目形成了一系列技術(shù)成果：獲授權(quán)發(fā)明專利4項，授權(quán)實用新型專利2項、授權(quán)軟件著作權(quán)3項，發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文32篇。近年來，該技術(shù)已在馬鋼、寶鋼、南鋼、邯鋼、攀鋼、石鋼、興澄特鋼、青島特鋼、寶鋼湛江、寶鋼韶關(guān)等十余家鋼鐵企業(yè)數(shù)十座加熱爐得以推廣使用。
在冶金行業(yè)，該技術(shù)的使用將改變加熱爐傳統(tǒng)的“過熱、過氧”工藝，從而大大降低加熱爐的燃?xì)庀?、減少廢氣排放量、減少鋼坯氧化燒損。為冶金行業(yè)實現(xiàn)智能加熱，提升智能制造水平奠定了基礎(chǔ)，對提升產(chǎn)品質(zhì)量及企業(yè)形象起到了積極作用。
