熱處理爐加熱系統(tǒng)與鋼板性能的控制優(yōu)化

1、熱處理爐加熱系統(tǒng)與鋼板性能的控制優(yōu)化【摘 要】本文在簡(jiǎn)要介紹目前熱處理爐的兩種加熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，就其對(duì)鋼板性能的影響進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比與分析，建立鋼板性能反饋系統(tǒng)，為提高鋼板性能合格率、保證鋼板加熱質(zhì)量提供了新的思路。【關(guān)鍵詞】熱處理爐 加熱模型 性能反饋系統(tǒng)1.前言目前國(guó)內(nèi)輥底式熱處理爐主要有兩種加熱形式：明火加熱和輻射加熱。南鋼1#熱處理爐于2007年底建成投產(chǎn)，為輥底式無(wú)氧化熱處理爐，通過(guò)輻射對(duì)鋼板進(jìn)行加熱；2#熱處理爐投產(chǎn)于2009年10月份，為輥底式明火熱處理爐，燒嘴噴出火焰直接加熱鋼板。雖然兩座熱處理爐在加熱系統(tǒng)控制上有許多相似點(diǎn)，但是在具體的溫度控制、燃燒控制等方面又有差別，這與工

2、藝條件及所生產(chǎn)鋼板的性能要求有關(guān)。為全面了解熱處理爐的加熱系統(tǒng)及溫控原理，提高工藝命中率及鋼板的性能，就必須對(duì)加熱系統(tǒng)和溫控模型進(jìn)行詳細(xì)的分析。2.溫度控制輻射管式熱處理爐的加熱系統(tǒng)由20個(gè)溫控區(qū)組成，這20個(gè)加熱區(qū)依次分為上下加熱區(qū)，由231根（162根對(duì)稱安裝和69根交錯(cuò)安裝）輻射管來(lái)供熱，熱處理爐溫度控制范圍為600980。明火熱處理爐共分為13個(gè)供熱段，長(zhǎng)度方向、上下供熱單獨(dú)控制，共26個(gè)溫度控制區(qū)，分別對(duì)爐溫進(jìn)行自動(dòng)控制，熱處理溫度范圍270800。188個(gè)自身預(yù)熱式燒嘴分布在爐底輥的上部和下部，根據(jù)各區(qū)段的熱負(fù)荷不同，配置的燒嘴數(shù)量和功率也各不同，以滿足各種工藝要求，從而確保鋼板性

3、能。兩座熱處理爐的溫度控制都采用PID控制方式，即比例、積分、微分控制，具體路徑為：溫控區(qū)熱電偶的實(shí)測(cè)值經(jīng)過(guò)線性化的傳感器傳給PLC，PID控制器將實(shí)測(cè)值與設(shè)定值比較，并將這一差異轉(zhuǎn)換成燒嘴脈沖式循環(huán)開(kāi)閉的頻率。1#熱處理爐有兩種溫度設(shè)定模式，HMI設(shè)定模式，數(shù)學(xué)模型設(shè)定模式；2#熱處理爐有三種溫度設(shè)定模式，即自動(dòng)模式、半自動(dòng)模式和手動(dòng)模式。2.1 自動(dòng)模式自動(dòng)模式與數(shù)學(xué)模型設(shè)定模式相同，即只要人工輸入鋼板的目標(biāo)溫度，二級(jí)就會(huì)自動(dòng)調(diào)用數(shù)學(xué)模型，根據(jù)模型設(shè)定各個(gè)加熱區(qū)的溫度，并且根據(jù)熱電偶反饋的溫度實(shí)時(shí)調(diào)整模型，穩(wěn)定爐內(nèi)工況和保證鋼板加熱質(zhì)量；但是由于所有數(shù)據(jù)均由熱電偶反饋，因此精確的控制就要求

4、熱電偶反應(yīng)迅速、精確度高、鋼板跟蹤信號(hào)準(zhǔn)確；而且爐況（包括加熱能力、溫度均勻性等）變化、新鋼種的生產(chǎn)都需要及時(shí)對(duì)模型進(jìn)行修正。一旦維護(hù)不好，反而對(duì)鋼板的加熱質(zhì)量起到反作用。2.2 半自動(dòng)設(shè)定模式半自動(dòng)與HMI設(shè)定模式相同，即根據(jù)需要的目標(biāo)溫度手動(dòng)設(shè)定各個(gè)加熱區(qū)的溫度，二級(jí)不參與爐溫控制。此模式方法簡(jiǎn)便，容易操作，但由于缺乏反饋環(huán)節(jié)和自學(xué)習(xí)功能，所以，鋼板的加熱質(zhì)量不容易穩(wěn)定控制。2.3 手動(dòng)模式手動(dòng)模式為人工設(shè)定燒嘴輸出百分比達(dá)到控制爐溫的目的，這是最直接的溫度控制方式，但是由于各區(qū)加熱能力不同，且隨著煤氣熱值、燃燒介質(zhì)混合情況的不同，爐溫不容易控制，因此，一般只在調(diào)試過(guò)程中采用。3.燃燒控制

5、兩座熱處理爐的燒嘴都采用脈沖循環(huán)點(diǎn)火式，即基于各區(qū)所需要的熱量，來(lái)調(diào)整燒嘴工作的數(shù)量和燃燒的時(shí)間，不是一個(gè)區(qū)內(nèi)所有的燒嘴在同一時(shí)間內(nèi)都關(guān)閉或點(diǎn)燃，而是所有燒嘴均按照需要的頻率進(jìn)行“on/off”循環(huán)。這種控制方式提高了加熱效率并保證了爐子和鋼板的溫度均勻性。1#爐的溫差、燒嘴輸出為“不同步”關(guān)系，2#爐的溫差、燒嘴輸出為“同步”關(guān)系，看似完全不同的兩種方式卻有異曲同工之美。為了便于分析、理解，定義以下概念。平衡狀態(tài)：設(shè)定爐溫與實(shí)際爐溫相等，輸出為0的狀態(tài)溫差：設(shè)定爐溫與實(shí)際爐溫的差值3.1 不同步控制如圖1所示，從平衡狀態(tài)開(kāi)始，冷鋼板入爐，實(shí)際爐溫降低，溫差逐漸大，功率輸出逐漸從0%到A，實(shí)際

6、爐溫不斷升高，此時(shí)設(shè)定溫度與實(shí)際溫度相同，溫差為0；緊接著，輸出從A降到0%，在這段過(guò)程中，爐溫繼續(xù)升高，設(shè)定爐溫小于實(shí)際爐溫，溫差變?yōu)樨?fù)方向最大值；然后輸出從0%逐漸降低，即輸出為負(fù)值，助燃風(fēng)吹掃輻射管，爐溫開(kāi)始降低，直到設(shè)定溫度與實(shí)際溫度偏差為零。圖1 溫差-輸出不同步從圖上可以看出，溫差曲線與燒嘴輸出不同步，燒嘴輸出較溫差落后。這造成了BC段能源的浪費(fèi)，而且燒嘴頻繁開(kāi)啟容易造成燃?xì)夂椭伎諝忾y門(mén)使用壽命的縮短。但由于輻射管爐的熱量輻射較慢，升溫或降溫的速率均受到影響，為保證鋼板的加熱質(zhì)量與溫度均勻性，燒嘴輸出肯定較溫差滯后。3.2 同步控制如圖2所示，從平衡狀態(tài)起，冷鋼板入爐，實(shí)際爐溫低

7、于設(shè)定爐溫，輸出為正；隨著溫度偏差增大，輸出增大，溫差變?。粚?shí)際爐溫升高，溫差變小，燒嘴輸出減少，直至為0。圖2 溫差-輸出同步從圖上可以看出，同步控制方法不會(huì)出現(xiàn)實(shí)際溫度超過(guò)設(shè)定爐溫的情況，因此不會(huì)造成能源的浪費(fèi)和設(shè)備的損耗。但此種控制方法僅適用于明火加熱。4.爐溫設(shè)定曲線由于兩座熱處理爐設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不同，可處理鋼板的溫度不同，導(dǎo)致?tīng)t溫設(shè)定曲線有一定的差異性。4.1 1#爐熱處理模式下的溫度曲線爐溫的設(shè)定模型依據(jù)熱處理工藝的不同而不同。（1）對(duì)奧氏體化的加熱工藝而言，16區(qū)的溫度低于目標(biāo)加熱溫度。通常1區(qū)、2區(qū)溫度設(shè)定為750，3區(qū)、4區(qū)的溫度為800，5區(qū)、6區(qū)溫度設(shè)定為850，其它區(qū)域?yàn)殇摪?/p>

8、加熱的目標(biāo)溫度。（2）高溫回火與?；偷蜏鼗鼗鹎€不同，曲線前后爐溫相同，基本上是以加熱目標(biāo)溫度為設(shè)定溫度。這是因?yàn)檩椛涔艿臒崃髯銐蚋?，可以保持熱處理爐的溫度。4.2 2#爐熱處理模式下的溫度曲線4.2.1 低溫回火曲線前段的爐溫比后段高，這是因?yàn)榛鼗饻囟认鄳?yīng)較低，輸入的熱量不再受加熱能力限制，可以保持熱處理爐溫度。在入口段給予較高熱量，可以將鋼板更快加熱，在保證加熱質(zhì)量的前提下提高產(chǎn)量。圖3 低溫回火加熱曲線4.2.2 中溫回火、高溫回火的加熱曲線與1#爐不同，而是設(shè)定值較目標(biāo)值先低、后高、再平。由于鋼板在爐內(nèi)與爐氣的熱交換是一個(gè)緩慢的過(guò)程，前幾個(gè)加熱區(qū)的溫度沒(méi)有必要設(shè)定那么高，否則造成能源

9、的浪費(fèi)；為加快鋼板升溫速率，故在兩個(gè)區(qū)域設(shè)定爐溫高于目標(biāo)溫度。圖4 中溫回火加熱曲線圖5 高溫回火加熱曲線4.2.3 通過(guò)黑匣子試驗(yàn)以及鋼板的性能參數(shù)來(lái)修正加熱曲線。南鋼2#熱處理爐工藝溫度為650時(shí)鋼板的加熱溫度曲線與爐溫曲線見(jiàn)圖6。圖6 爐氣與鋼板溫度平均值隨加熱時(shí)間的變化由圖6看出，鋼板加熱曲線比較平滑，鋼板進(jìn)入保溫段后與爐氣溫度相同，加熱效果與鋼板性能比較理想，因此，此溫度點(diǎn)的加熱模型比較成功，否則得重新修正加熱模型以保證鋼板性能。5.鋼板性能反饋系統(tǒng)南鋼熱處理的生產(chǎn)工藝已經(jīng)基本成熟，特別是正火板性能合格率已高達(dá)99%，鑒于正火板工藝的成熟與穩(wěn)定，可以在整體資訊系統(tǒng)中建立正火板工藝性能系統(tǒng)（冶金規(guī)范與工藝規(guī)范同步協(xié)調(diào)的），將鋼板的熱軋態(tài)性能、熱處理工藝、熱處理后性能整理建立數(shù)據(jù)庫(kù)，并把熱處理后性能最好的鋼板的熱軋態(tài)性能、加熱模型調(diào)用出來(lái)組成鏈狀結(jié)構(gòu)。生產(chǎn)到相同鋼種、相同熱軋態(tài)性能的鋼板即可立即從二級(jí)調(diào)用成功的加熱模型，從而保證熱處理后性能；一旦出現(xiàn)性能波動(dòng)，就可以指導(dǎo)查找異常變化的原因并對(duì)模型及時(shí)修正。熱軋態(tài)性能檢測(cè)熱軋態(tài)性能沒(méi)有相近試驗(yàn)失敗溫度控制模型熱處理性能性能異常直接調(diào)用模型成功保存分析、修正、添加重新圖7 性能反饋系統(tǒng)示意圖由于重復(fù)處理會(huì)顯著增加生產(chǎn)成本，用性能反饋系統(tǒng)來(lái)提高熱處理的