【導(dǎo)讀】畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū)

　　

【正文】 ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 自校正控制算法；楊宗山、陸宗武以熱平衡原理為理論基礎(chǔ)，建立加熱爐的機(jī)理數(shù)學(xué)模型，直接以加熱爐各段燃料消耗為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)加熱爐各段燃料的最小化，并且根據(jù)所得模型，按照爐內(nèi)加熱耗能最小的原則，實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)遞階計(jì)算機(jī)控制。雖然加熱爐數(shù)學(xué)模型目前己取得了一些研究成果，但還有許多的工作可做，如何有效地把加熱爐的工藝特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)形成一種工藝模型，并利用機(jī)理模型和熱平衡計(jì)算來(lái)修正該模型將成為今后數(shù)學(xué)模型的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。在加熱爐模型化研究的同時(shí)，計(jì)算機(jī)控制應(yīng)用也日趨廣泛 ，提出了新的控制策略，控制水平有所提高，甚至有的加熱爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)部分實(shí)現(xiàn)了以數(shù)學(xué)模型為主導(dǎo)的鋼坯溫度控制。例如萊鋼熱軋窄帶鋼步進(jìn)式加熱爐計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制系統(tǒng)中的熱工控制由直接數(shù)字控制 (DCC)和計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制 (SCC)兩級(jí)組成， DCC 級(jí)的燃燒控制實(shí)現(xiàn)了雙交叉限幅控制，并提出切除積分的點(diǎn)補(bǔ)充條件，改善了控制效果，同時(shí)以軟件的方式實(shí)現(xiàn)了煤氣熱值的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)估算，保證了空氣消耗系數(shù)隨熱值同步變化， SCC 級(jí)提出了考慮二維效應(yīng)的一維平板模型，提高了模擬的精度，并以段法的離線分析解決了總括熱吸收率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償問(wèn)題，還建立 了金屬氧化燒損模型，對(duì)金屬氧化燒損量進(jìn)行在線實(shí)時(shí)跟蹤計(jì)算，有利于降低氧化燒損，實(shí)現(xiàn)了加熱爐的優(yōu)化控制；秦皇島首鋼板材有限公司加熱爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，避開(kāi)許多難以檢測(cè)的物理量及建立精確數(shù)學(xué)模型的困難，而直接根據(jù)系統(tǒng)中易于檢測(cè)的溫度、壓力、流量等三種物理量，采用智能控制技術(shù)設(shè)計(jì)了智能控制器，進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)，實(shí)現(xiàn)了加熱爐的智能和優(yōu)化控制，爐子的單耗從 ，氧化燒損從 %下降到 %.浙江大學(xué)的梁軍將智能控制的思想和方法與自校正控制技術(shù)相結(jié)合，提出了一個(gè)基于知識(shí)和在線辨 識(shí)機(jī)制的加熱爐混合智能控制系統(tǒng)，還在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研制開(kāi)發(fā)成功了一套軋鋼加熱爐計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)“ FURNCUN”，并己應(yīng)用在多個(gè)軋鋼廠的加熱爐中?？傊?，我國(guó)的理論研究雖已趕上國(guó)際水平，但與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，差距仍然不小。為了提高我國(guó)加熱爐控制的水平，還有大量的工作有待于進(jìn)一步開(kāi)展。 近年來(lái)，國(guó)外人工智能和發(fā)展的實(shí)用化，特別是模糊控制和專家系統(tǒng)取得成功，已用于加熱爐控制中，如日本川崎鋼鐵的加熱爐控制系統(tǒng)。 隨著我國(guó)絕大部分地區(qū)開(kāi)始普及使用天然氣燃料技術(shù)和工業(yè)爐的日趨成熟，很多鋼鐵 廠都開(kāi)始改造和新建燃天然氣加熱爐。 燃?xì)饧訜釥t相對(duì)于燃煤和燃油加熱爐有很明顯的優(yōu)勢(shì)，所以在有氣源的地方 現(xiàn)行設(shè)計(jì)的加熱爐，可以考慮使用天然氣加熱爐 。 （ 1） 品質(zhì)優(yōu)勢(shì)： 天然氣的潔凈優(yōu)勢(shì)可以將對(duì)排放物對(duì)環(huán)境的影響降到最低。有了這種優(yōu)勢(shì)，加熱爐尾氣可以直接排入廠房?jī)?nèi)而不至于影響車間生產(chǎn)環(huán)境。 （ 2） 結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)：天然氣 加熱爐 不需要依賴煙囪的抽力就能運(yùn)行，只需要有高出爐頂 2 米左右的鐵煙囪即可。這樣一來(lái)既可以節(jié)省煙道和煙囪投資，又可以使?fàn)t子安 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明 書(shū) 共 62 頁(yè) 第 18 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝時(shí)不受煙道位置的限制，工藝流程布置更合理。 （ 3） 節(jié)能優(yōu)勢(shì)：天然氣加熱爐頂?shù)亩绦焽韬苋菀字瞥蔁峤粨Q器，將燃燒所需 要的助燃風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱，從而提高熱效率。 天然氣是一種清潔能源，具有熱值高、燃燒穩(wěn)定、設(shè)備簡(jiǎn)易、便于控制以及污染小等優(yōu)點(diǎn)。爐用燃料的選擇對(duì)組織爐內(nèi)火焰的合理、穩(wěn)定、高效燃燒起著決定性的作用，所以火焰爐的最佳燃料是氣體燃料，特別是高熱值的天然氣、戊烷合成氣、混合煤氣等。鑒于天然氣的種種優(yōu)勢(shì)，天然氣富裕的地方開(kāi)始以天然氣代替其他燃料作為加熱爐燃料。下面將介紹天然氣的一些特性。 天然氣為天然的氣體燃料，其成分大部分為碳?xì)?化合物，天然氣燃料內(nèi)含有大量低碳?xì)浜透咛細(xì)浠衔?，如甲烷?CH4）、乙烷 (C2H4)、丙烷 (C3H8)、高碳?xì)浠衔?(CnHm)。等，各組分的量都是用體積百分?jǐn)?shù)表示。天然氣的成分根據(jù)產(chǎn)地不同有一定的差別，即天然氣內(nèi)含的碳?xì)浠衔锏捏w積百分?jǐn)?shù)有所差異。 天然氣相對(duì)密度為 ，低位發(fā)熱值為 3532KJ/m3，理論空氣耗量為 。黑度值：不發(fā)亮火焰 ～ ，微弱發(fā)亮火焰 ，發(fā)亮火焰 ?；鹧嫒紵俣葹?～。天然氣不僅是優(yōu)質(zhì)的原料，也是寶貴的化工原料。作為氣體燃料具有熱值高、熱值比煤氣 （ 6070KJ/m3）、焦?fàn)t煤氣 (14650KJ/m3)，更高，質(zhì)量穩(wěn)定、設(shè)備簡(jiǎn)易、便于控制以及價(jià)格經(jīng)濟(jì)和減少污染等優(yōu)點(diǎn) [12]。 天然氣是以甲烷為主的烷烴類氣體。天然氣在大氣中的燃燒是擴(kuò)散式燃燒，燃燒過(guò)程是天然氣與空氣混合 — 著火燃燒。其中混合是燃燒過(guò)程的關(guān)鍵?；旌闲ЧQ于以下幾個(gè)因素：（ 1）兩氣流的溫度，（ 2）兩氣流的質(zhì)量，（ 3）兩氣流的相對(duì)速度，（ 4）兩氣流的相交角度。擴(kuò)散式燃燒時(shí)，天然氣與空氣兩氣流的情況是：沒(méi)有經(jīng)過(guò)預(yù)熱，體積差大（ 1 份天然氣燃燒約需 10 份空氣），密度差較 大 (天然氣與空氣的密度差為～ :1)，相對(duì)速度和交角小，相遇時(shí)無(wú)渦流。所以單純的擴(kuò)散燃燒混合不良，燃燒不完全，火焰軟而長(zhǎng)。天然氣火焰噴出速度小、動(dòng)量小，難以克服火焰空間的高溫浮力，必然會(huì)向上飄。美國(guó)產(chǎn)的天然氣含有 16%左右的 C2H4，火焰亮度比中國(guó)、俄羅斯及西歐產(chǎn)的天然氣火焰亮度更高。德國(guó)和俄羅斯均在研究天然氣燃燒過(guò)程自增碳的方法提高火焰亮度。 表 中給出了 CH CO和 H2的主要特性。 H2的燃燒反應(yīng)機(jī)理是典型的支鏈反應(yīng)，主要的基本反應(yīng)是自由原子和自由基的反應(yīng)，幾乎每一個(gè)環(huán)節(jié)都發(fā)生鏈的支化 。這種連鎖反應(yīng)的反應(yīng)速度隨時(shí)間變化的一個(gè)重要特征是反應(yīng)的初期有一個(gè)“感應(yīng)期”。 CO的燃燒反應(yīng)也具有像那樣的支鏈反應(yīng)特征，實(shí)踐證明， CO 只有在有水存在的情況下才可能開(kāi)始快速的燃燒反應(yīng)，因有水參加，這是一個(gè)復(fù)雜的連鎖反應(yīng)。一定濃度的水有利于 CO的燃燒反應(yīng)，但水分過(guò)多，則會(huì)因降低燃燒溫度而減慢反應(yīng)速度。 CH4的燃燒機(jī)理比 H2和 CO 復(fù)雜，它在較低溫度下就開(kāi)始反應(yīng)，溫度區(qū)域不同，反應(yīng)機(jī)理也不 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明 書(shū) 共 62 頁(yè) 第 19 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 同。 CH4在低溫（ 900K）下反應(yīng)機(jī)理的特點(diǎn)是生成中間產(chǎn)物 HCHO，由它又生成新的活化中心。高溫下 CH4的燃燒反應(yīng)除了氧化物的連 鎖反應(yīng)外，還伴隨著 CH4的分解。在相同的條件（如相同的空氣系數(shù)、相同的可燃混合物預(yù)熱溫度）下， H2的火焰?zhèn)鞑ニ俣冗h(yuǎn)大于的 CO 和 CH4的，當(dāng) n= 時(shí)， H2的 uL=164cm/s， CO 的 uL=28cm/s,CH4的uL=32cm/s。若將可燃混合物預(yù)熱至 200℃，那么 H2的 uL=600cm/s， CO 的 uL= 100cm/s，CH4的 uL=60cm/s。 [13] 表 CH CO、 H2的主要特性 表 天然氣加熱爐的應(yīng)用實(shí)例 用戶名稱 類型 產(chǎn)量 投產(chǎn)時(shí)間 天津天鐵軋二制鋼 推鋼加熱爐 60t 2021 寶雞橋梁設(shè)備廠 鍛造爐 2t/爐 2021 天津大沽化工廠 燒堿爐 18t/爐 2021 長(zhǎng)城特鋼一分廠 雙步進(jìn)底式加熱爐 2021 寶鈦集團(tuán)寬厚板材料公司 推鋼式加熱爐 40 t/h 2021 本章介紹了加熱爐的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的節(jié)能理論：“三高一低”理論及連續(xù)式加熱爐的發(fā)展趨勢(shì)，即向大型化、自動(dòng)化步進(jìn)式爐發(fā)展。詳細(xì)的介紹了步進(jìn)爐的步進(jìn)原理和加熱工藝，步進(jìn)式爐的節(jié)能方向也作為重點(diǎn)給予了介紹說(shuō)明。此外，還對(duì)天然氣的性質(zhì)和天然 氣加熱爐的優(yōu)勢(shì)做了介紹。 步進(jìn)式加熱爐較推鋼式加熱爐具有各種明顯的優(yōu)越性，在將來(lái)設(shè)計(jì)的連續(xù)式軋鋼加熱爐中爐型大多選擇用步進(jìn)式的。天然氣加熱爐以其優(yōu)越的性能得到用戶的青睞， 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明 書(shū) 共 62 頁(yè) 第 20 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 經(jīng)過(guò)近 40年的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)比較成熟。 2 設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù) (1)．設(shè)計(jì)題目：年產(chǎn)量 190 萬(wàn) t的步進(jìn)式天然氣加熱爐 (2)．爐子工作時(shí)間：一年?duì)t子按照正常工作 320 天，檢修 45天 (3)．燃料的選擇 : 選用的天然氣成份（見(jiàn)表 ） 天然氣干成分表 （ %） 成分 種類 CH4 C2H6 C3H8 CO2 CO H2 N2 合計(jì) 天然氣 100 (4)．生產(chǎn)產(chǎn)品的規(guī)格 ①種類：優(yōu)質(zhì)碳素鋼（ 20 鋼）； ②尺寸： 180mm 180mm 12021mm； ③料坯的入爐溫度： t0=20℃； ④金屬加熱終了溫度： t 產(chǎn) =1150℃； ⑤金屬斷面溫差： 10t?? ℃； 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明 書(shū) 共 62 頁(yè) 第 21 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ⑥廢氣出爐溫度： t廢膛 =800℃。 設(shè)計(jì)方案 爐型的選擇 采用上下兩面加熱的步進(jìn)梁式加熱爐，平頂， 采用三段式爐型，爐子從裝料端至出料端沿爐長(zhǎng)方向分為不供熱的預(yù)熱段，加熱段和均熱段。加熱段之間、加熱段和均熱段之間均設(shè)有壓下裝置。均熱段上部采用平焰燒嘴加熱，其他供熱均采用側(cè)部條調(diào)焰燒嘴。其 優(yōu)點(diǎn)有： （ 1）允許加熱段有更高的爐溫，因而可提高爐子的單位生產(chǎn)率； （ 2） 因具有均熱段，料坯出爐時(shí)可獲得較均勻的加熱； （ 3） 在必要時(shí)三段爐型可按 兩段 制度操作； （ 4）傳熱效率高 ，溫度及爐壓分布均勻，爐膛空間小，爐頂形狀簡(jiǎn)單。 （ 5）爐型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，下部深度淺，熱效率高，操作條件好。 裝出料方式 端進(jìn)側(cè)出：由于本設(shè)計(jì)加熱的料坯的斷面尺寸小，長(zhǎng)度長(zhǎng)，進(jìn)料方式選擇端進(jìn)料比較好。基于本設(shè)計(jì)中料坯斷面尺寸小，且要求金屬加熱終了時(shí)斷面溫差小，也就是加熱質(zhì)量要求高，所以采用側(cè)出料較好。 供熱方式 本設(shè)計(jì)中加熱分配為：上加熱占 26%，上均熱占 14%，下加熱占 40%，下均熱占20%。設(shè) 四 個(gè)溫度控制段，即均熱段上下控制，加熱 段上下控制，各段具備靈活的調(diào)節(jié)能力。 這樣分配完 全根據(jù)工藝要求及產(chǎn)品要求而制定的，能使料坯良好的經(jīng)過(guò)加熱，加熱終了時(shí)斷面溫差很小。 燒嘴的布置與選型 均熱段上部及加熱Ⅱ段上部采用平焰燒嘴加熱，這樣可以降低爐膛的高度，爐頂形成一個(gè)溫度均勻的輻射面，使鋼坯均勻受熱；其他供采用爐側(cè)帶中心風(fēng)的地NOx 調(diào)焰燒嘴。 燒嘴完全根據(jù)加熱量的分配而進(jìn)行布置的。連續(xù)加熱爐加熱段爐溫較高，且我們要求爐溫均勻性較好，因此燒嘴燃燒火焰要有一定長(zhǎng)度和鋪展面。另外要求燃燒時(shí)火焰長(zhǎng)度可以調(diào)節(jié)，根據(jù)各種天然氣燒嘴的特性， 查《火焰爐設(shè)計(jì)計(jì)算參考資料》側(cè)燒嘴決定選用 TGWⅠ型半噴射式燒嘴；平焰燒嘴選用 TP8150 型。具體細(xì)節(jié)見(jiàn)表。 表 熱