輻射管式熱處理爐加熱溫度控制及優(yōu)化分析

1、393輻射管式熱處理爐加熱溫度控制及優(yōu)化分析【摘要】在現(xiàn)場(chǎng)工藝參數(shù)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)輻射管溫度與實(shí)際加熱溫 度的相關(guān)關(guān)系、輻射管式熱處理爐加熱溫度的設(shè)定、加熱速度及控制模式的選擇進(jìn)行了定量的探討，為提高加熱質(zhì)量、優(yōu) 化溫度控制提供了參考依據(jù)?！娟P(guān)鍵詞】輻射管加熱 溫度控制優(yōu)化分析熱處理爐的溫度控制是由加熱系統(tǒng)完成的，加熱系統(tǒng)包括硬件（燃燒設(shè)備、計(jì) 量檢測(cè)儀器儀表及控制元器件等）和軟件（執(zhí)行控制程序及數(shù)學(xué)模型）。燃燒的質(zhì) 量直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量、能源消耗及產(chǎn)能的優(yōu)化。1. 溫度設(shè)定熱處理的加熱工藝控制主要是對(duì)加熱溫度，加熱速度，保溫時(shí)間和冷卻方式的 控制。而加熱溫度又分為淬火加熱溫度，正火加熱

2、溫度和回火加熱溫度（高溫回火 和低溫回火），冷卻方式又分為快速冷卻、氣霧冷卻、自然冷卻（在空氣中冷卻） 以及 堆垛緩冷”等。在實(shí)際生產(chǎn)中主要是設(shè)定爐溫控制模型，加熱曲線（加熱速 度），加熱溫度和保溫時(shí)間。而輻射管式熱處理爐內(nèi)的熱交換主要途徑是輻射和傳 導(dǎo)。在計(jì)算機(jī)HMI上的120區(qū)溫度PID控制界面，系統(tǒng)規(guī)定了三種溫度設(shè)定模 式，一是HMI設(shè)定模式，二是數(shù)學(xué)模型設(shè)定模式，三是目標(biāo)溫度設(shè)定模式，通常 使用的為HMI模式。爐溫的設(shè)定模型依據(jù)熱處理工藝的不同而不同。對(duì)于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°C，3區(qū)、4 區(qū)的溫度設(shè)定為80

3、0C，5區(qū)、6區(qū)溫度設(shè)定范圍是850C至工藝目標(biāo)溫度，并且以 一定的斜率升到加熱目標(biāo)溫度。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撸梢员３譅t子溫度。低溫回火曲線與奧氏體化溫度曲線不同，曲線前段的爐溫比后段 高，這是因?yàn)榛鼗饻囟认鄳?yīng)較低，輸入的熱量不再受輻射管的能力限制，可以保持 爐子溫度。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。2. 加熱速度（升降溫斜率）的設(shè)定在計(jì)算機(jī)HMI上的120區(qū)溫度PID控制界面，系統(tǒng)設(shè)定了兩種升降溫設(shè)定 模式，一是斜率控制模式，二是實(shí)際溫度設(shè)定模式。通常使

4、用的模式為斜率控制模 式，即每分鐘升高的溫度度數(shù)。 間接斜率控制模式系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的加熱時(shí)間和目標(biāo)溫度，按照鋼板的幾何尺寸和熱交換平衡，計(jì)算鋼板升溫斜率C /min）通過(guò)控制燒嘴的工作數(shù)量和 ON/OFF頻率來(lái)控制加熱速 度。 直接斜率控制模式控制系統(tǒng)根據(jù)熱交換原理和條件，對(duì)不同的目標(biāo)溫度、不同的熱處理工藝及不 同的鋼質(zhì)和厚度規(guī)格，模擬出加熱速率（溫控斜率），如工藝設(shè)計(jì)設(shè)定輻射管式加 熱爐的加熱速率為1.4 min/mm（正火、2.3 min /mm（高溫回火700C、2.8 min/ mm（中溫回火。控制系統(tǒng)按照設(shè)定的加熱速率對(duì)鋼板進(jìn)行加熱。 實(shí)際溫度設(shè)定模式系統(tǒng)根據(jù)給定的實(shí)際溫度設(shè)定值以最大

5、的速度對(duì)爐子進(jìn)行升降溫直到當(dāng)前溫度 達(dá)到實(shí)際設(shè)定溫度為止。例如，當(dāng)前溫度是900C，HMI設(shè)定是650C，貝U系統(tǒng)將根據(jù)斜率不斷修正實(shí)際溫度設(shè)定值，從而保證爐子溫降至650C。隨著溫度PID的調(diào)節(jié)將爐子當(dāng)前溫度穩(wěn)定在650C，以滿足生產(chǎn)的需要。3. 加熱速度的優(yōu)化在實(shí)際生產(chǎn)中，由于各種鋼板的化學(xué)成分是千差萬(wàn)別的，其相變溫度點(diǎn)差別也非常大。同時(shí)不同的加熱速率又直接影響相變溫度點(diǎn)。要優(yōu)選加熱速率，必須通過(guò)實(shí)踐的積累和科學(xué)的分析。 表法 根據(jù)程序預(yù)先給出的加熱曲線，選擇加熱速率。如有的模型中分別給出了厚度為80 mm、50 mm、30 mm、15 mm、8 mm板的奧氏體化，高溫回火、低溫回火的加熱

6、曲線，可以直接查出對(duì)應(yīng)規(guī)格的加熱速率。 插值法由已知規(guī)格的加熱曲線，用插值方法求出相鄰兩個(gè)厚度之間的任意一種厚度的加熱速率。如已知兩個(gè)厚度為 h 1、h 2,其加熱速率分別為v 1、v2，現(xiàn)處理的鋼板是h x，且h 1v h x v h 2，則厚度為h x的鋼板加熱速率v x=(v 2-v 1) / ( h 2- hl) (h x - hl) +v1。 回歸分析法一一根據(jù)已知的加熱曲線，選取一定數(shù)量的不同厚度及加熱溫度的加熱速率，或通過(guò)試394驗(yàn)設(shè)計(jì)，統(tǒng)計(jì)不同工藝條件的參數(shù)，采用回歸分析的方法計(jì)算出厚度、目標(biāo)溫度與加熱速率的相關(guān)關(guān)系，計(jì)算不同厚度的加熱速率。4. 溫度的控制4.1溫度控制程序熱

7、處理爐溫度加熱溫度的控制，是通過(guò)安裝在 PLC系統(tǒng)中的軟件PID控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。溫控區(qū)熱電偶的實(shí)測(cè)值經(jīng)由線性化的傳感器傳給PLC，PID控制器的輸出將傳給PLC的燒嘴脈沖式循環(huán)控制。開(kāi)啟燃?xì)夂椭伎諝忾y門(mén)并接通打火電極點(diǎn)燃燒嘴。點(diǎn)火時(shí)通過(guò)離子的方式監(jiān)測(cè)火焰，將表明燒嘴通” 燒嘴斷”在計(jì)算機(jī)HMI I：的120區(qū)溫度PID控制界面上，可以顯示模擬的撓嘴分布圖以及燒嘴的工作M 通過(guò)鹹標(biāo)圧鍵如點(diǎn)N廣麗應(yīng)網(wǎng)按啊，對(duì)都分有故障的燒嘴貝位處理樹(shù)對(duì)于多次宣位操作無(wú)效的燒嘴 須到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行仔細(xì)檢査、分析處理、消除燒嘴tttv.便瓦恢復(fù)正常的工作狀態(tài)匕同時(shí)在此界而，可以 鼠標(biāo)點(diǎn)rlilWI按鈕，來(lái)春詢、確認(rèn)故障燒

8、嘴的信息*以便現(xiàn)場(chǎng)處理故障亠燒嘴控制器、UV鏡故障、燒嘴入口的煤氣管道堵塞或泄露、燒嘴的煤氣閥或 空氣電動(dòng)閥故障。4.2輻射管溫度的控制由于輻射管式的熱處理爐是采用輻射管加熱的，所以，加熱能力的大小，熱源 能量的大小一方面與 燒嘴”的額定功率有關(guān)，另一方面又與 燒嘴”的燃燒時(shí)間長(zhǎng)短 和工作周期有關(guān)，在一個(gè)“ON/OFF周期內(nèi)，燃燒時(shí)間長(zhǎng)短，工作頻率高低決定熱 源能量的大小。對(duì)于單個(gè)的燒嘴而言，燒嘴的工作周期和頻率既要滿足工藝溫度設(shè) 定的要求，又要滿足燒嘴自身安全的要求，保證輻射管不至于過(guò)熱（通過(guò)安裝在爐 頂上的熱電偶TE7.14.X監(jiān)測(cè)，即輻射管溫度 103©）。4.2.1加熱區(qū)域溫

9、度的記 錄各區(qū)域的溫度記錄是由鎳鉻-鎳熱電偶完成的，型號(hào)是 K（TE7.13.X上部區(qū)域， TE7.15.X下部區(qū)域，溫度信號(hào)通過(guò)具有比較和內(nèi)部限幅的溫度變送器 （TT7.18.X， 轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)輸入到PLC的加熱系統(tǒng)。如果一個(gè)熱電偶不能正常工作了，與之對(duì)應(yīng)的區(qū)域的熱電偶將取代它執(zhí)行控制 功能（例如：如果1區(qū)上部的（TE7.13.1不能正常工作了，2區(qū)的熱電偶（TE7.15.2將 向1區(qū)發(fā)送溫度信號(hào)。在更換了壞的熱電偶后應(yīng)該手動(dòng)重新切換回來(lái)。在1區(qū)和3區(qū)分別有一個(gè)熱電偶（TE7.14.1/TE7.14.3額外安裝用于監(jiān)控輻射管 表面的溫度，由于此區(qū)域輻射管之間安裝得比較靠近，因此有過(guò)熱的危險(xiǎn)

10、。X=1,20（加熱區(qū)4.2.2加熱溫度的控制如果在這些區(qū)域的邊緣溫度超過(guò) 1000©，那么1區(qū)和3區(qū)將以最大的溫度 （50©）逐步遞減。如果實(shí)際溫度低于邊緣溫度（大約滯后10©，那么系統(tǒng)將逐步 的向原始的設(shè)定值增加。在 PLC加熱系統(tǒng)中PID控制單元控制著每個(gè)區(qū)域的溫 度。每個(gè)區(qū)域的連續(xù)控制是加熱系統(tǒng)PLC里的循環(huán)控制模塊來(lái)完成的。根據(jù)控制單元計(jì)算的需要加熱的容量，使相應(yīng)的燒嘴點(diǎn)火加熱。每個(gè)區(qū)域的控制單元都可以在 HMI計(jì)算機(jī)上選擇自動(dòng)/手動(dòng)操作模式，自動(dòng) 操作是根據(jù)偏移量來(lái)計(jì)算加熱的容量來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。手動(dòng)操作是調(diào)節(jié)量是固定的，可 以預(yù)先在HMI上設(shè)定的。當(dāng)爐門(mén)打

11、開(kāi)的時(shí)候如果不同的區(qū)域溫度都降低，就轉(zhuǎn)變成手動(dòng)模式將這些區(qū)域 的溫度控制用固定參數(shù)控制，那么調(diào)節(jié)的容量是不變的。在爐門(mén)關(guān)閉后大約30秒，手動(dòng)操作將轉(zhuǎn)變成自動(dòng)操作。如果爐門(mén)長(zhǎng)時(shí)間處于開(kāi)的位置（例如在連續(xù)操作模式，那么在5分鐘后將重新 設(shè)定為自動(dòng)操作。如果各溫度控制單元總是處于手動(dòng)操作，它們將保持這樣的操作 模式，這種功能將在HMI計(jì)算機(jī)里被激活。423加熱溫度的顯示預(yù)覽：實(shí)際溫度：NiC-Ni熱電偶TE7.13. x或TE7.15.X測(cè)量范圍：0. 1100C （4 20mA溫度讀數(shù)：由比例和斜率來(lái)決定，功能范圍0. 980C每個(gè)區(qū)域煤氣閥（7.8.x共同調(diào)節(jié)每個(gè)區(qū)域助燃空氣調(diào)節(jié)閥（7.5. x

12、控制輸出：0. 100.0%顯示：區(qū)域1. 20溫度TE7.13/TE7.15JC395報(bào)警：超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的偏移量（超過(guò)50%，超過(guò)100%，低于-50%，低于-100%，要 設(shè)固定參數(shù)。最高溫度1000C，熱電偶可能被損壞，故障將會(huì)顯示。操作：PLC控制，自動(dòng)/手動(dòng)，如果熱電偶損壞時(shí)，頂部/底部熱電偶自動(dòng) 轉(zhuǎn)換。4.2.4輻射管溫度的控制通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際采樣，輻射管溫度與目標(biāo)加熱溫度有一定的相關(guān)關(guān)系，1、3、5、7溫控區(qū)的實(shí)際溫度與900>00M vn圖11區(qū)溫度-輻射管溫關(guān)系? I I ? t li il M r Hi q也鼻龍*睪黒«ki*>KkiT5fl7Wcsasou5

13、M396從圖1圖3可以看出，在15溫度控制區(qū)，實(shí)際爐溫與輻射管的溫度相 差都比較大，其中最大差值達(dá)160C，特別是第3溫度控制區(qū)最為突出。因?yàn)?6 溫度控制區(qū)是主要的加熱區(qū)，進(jìn)入爐內(nèi)的常溫鋼板在這幾個(gè)溫度控制區(qū)內(nèi)進(jìn)行加 熱，而常溫鋼板與爐溫之間的溫差又是最大的。從第7溫度控制區(qū)開(kāi)始，爐溫與輻射管之間的溫差逐步減小，在第 9溫度控制區(qū)，輻射管的溫度與實(shí)際爐溫已經(jīng)非常接近，到第17溫度控制區(qū)的爐溫與輻射管溫度幾乎同步，見(jiàn)圖5、圖6。因?yàn)?，在這幾個(gè)溫度控制區(qū)內(nèi)的鋼板已經(jīng)達(dá)到了加熱目標(biāo)溫度，主要的功能是對(duì)鋼板實(shí)施保 溫、均勻化。依據(jù)爐溫與輻射管溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在加熱工藝目標(biāo)溫度比較高，加 熱速度較快，

14、且保溫時(shí)間相對(duì)短的鋼板，要注意觀察16溫度控制區(qū)的輻射管的溫度狀況，防止輻射管過(guò)熱。4.3鋼板實(shí)際加熱溫度的控制鋼板在爐內(nèi)加熱的實(shí)際溫度，是通過(guò)安裝在爐子尾部的高溫計(jì)在線實(shí)時(shí)測(cè)量的（高溫計(jì)連接冷卻水和鏡頭的氮?dú)馇鍧嵔涌冢?duì)于入爐鋼板的表面溫度，本生產(chǎn) 線并沒(méi)有進(jìn)行（而其他同類生產(chǎn)線有的進(jìn)行了測(cè)量），雖然鋼板入爐溫度對(duì)鋼板加 熱溫度控制或熱處理爐所使用的計(jì)算機(jī)的控制過(guò)程影響不大，但當(dāng)鋼板入爐溫差較 大時(shí)，對(duì)加熱模型的精度也有一定的影響。 4.4煤氣和空氣混合比例調(diào)節(jié)對(duì)一個(gè)區(qū)域（區(qū)域16和區(qū)域720分別控制 所有的燒嘴煤氣和空氣混合比例 是依靠煤氣壓力和助燃空氣壓力由 PLC來(lái)控制的，部分設(shè)備配

15、置有熱值儀，通過(guò) 熱值儀01.5來(lái)測(cè)量煤氣的熱值，由PLC系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)助燃空氣的閥（7.5.x的開(kāi)口 度。每個(gè)燒嘴都安裝有一個(gè)測(cè)量煤氣的孔（FD7.19.X和一個(gè)測(cè)量助燃空氣的（FD7.11. x，由于可以單獨(dú)測(cè)量每個(gè)燒嘴的煤氣和助燃空氣的壓力，每個(gè)燒嘴都可以在試車 時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)助燃空氣流量調(diào)節(jié)閥達(dá)到最佳的混合比例。X=1.1,20.3（燒嘴編號(hào)。5.溫度的控制優(yōu)化途徑探討一個(gè)高效的加熱模型，就是要實(shí)現(xiàn)燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化，必須保證：燒嘴功率最 優(yōu)化，在執(zhí)行設(shè)計(jì)的產(chǎn)品大綱中的主導(dǎo)產(chǎn)品的工藝制度時(shí)，各種規(guī)格、各個(gè)溫度控 制區(qū)的燒嘴功率應(yīng)得到較好的發(fā)揮，功率既不要不足，也不要過(guò)剩；能源利用最 大化，可燃性氣

16、體要充分燃燒，能源浪費(fèi)減到最小程度；氧化性燃燒產(chǎn)物最小 化，要保證產(chǎn)品質(zhì)量，就必須控制氧化性燃燒產(chǎn)物，以降低爐內(nèi)金屬構(gòu)件和鋼板在 高溫條件下的氧化與腐蝕；燒嘴 工作”均衡化，燒嘴的工作均衡化就是要避免燒嘴苦樂(lè)不均”即，某些燒嘴長(zhǎng)時(shí)間工作不停，另外的某些燒嘴卻長(zhǎng)期不工作，而 導(dǎo)致那些工作頻率快、工作周期長(zhǎng)的燒嘴發(fā)生非正常損壞；目標(biāo)工藝溫度與實(shí)際 溫度匹配最佳化等，就是要保證在加熱區(qū)，升溫速率曲線的斜率近似相等，且加熱 速率基本符合正態(tài)分布，就是要保證相同工藝制度的產(chǎn)品在相同的溫控區(qū)，同一加 熱點(diǎn)的加熱時(shí)曲線的切線斜率相同，保溫時(shí) t/h相同。5.1出爐溫度差最小為目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)以出爐溫度（

17、19控制區(qū)的設(shè)定溫度（x 1，C）、前一區(qū)（17溫度控制區(qū)）的 實(shí)際溫度（x 2，°C）和單位保溫時(shí)間（x 3,min/mm）為自變量，以出爐段的實(shí)際 溫度與目標(biāo)溫度差（丫）為因變量，進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)、試驗(yàn)，選擇目標(biāo)溫度為910C的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，考慮因素間的非線性作用，經(jīng)過(guò)變量轉(zhuǎn)換X i =xi -i x （i=1,2）并引入（x i -i x ） 2 （i=1,2）建立一個(gè)3元2次方程a i X i =bi （i=1,2,3,求解得到的 回歸方程：丫 =-0.008+1.0492IX +0.00422X(1其中，Y =y-910, -11x X= 909.9194,= 0806. 91

18、622-x X 93989. 033-x X =;由于2X的顯著性非常低，故在運(yùn)算中被剔除，式中復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.986,決定系數(shù)（即 2r ）為 0.972,經(jīng)方差分析，F(xiàn)=666.629, P=0.000,而且 0.01F （62， 3） =4.13,顯然，F(xiàn) >> 0.01F （62, 3） =4.13;用現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)抽取的62組樣本代入 方程，計(jì)算值與觀測(cè)值的最大誤差為 21.9%，最小誤差為0.000%，可見(jiàn)回歸方程 有效且高度顯著。5.2加熱工藝分析對(duì)（1式求偏導(dǎo)數(shù)得021X 仁=乂 f （2）023X2=X f （3）解（2）、（ 3）得1x =909.9194, 3x =

19、0.93989時(shí)，在這種控制條件下，加熱溫 度與目標(biāo)溫度差值最小，為-0.008,要實(shí)現(xiàn)加熱溫度的優(yōu)化，就必須根據(jù)鋼板的厚 度及加熱目標(biāo)溫度，確定合理的保溫時(shí)間和預(yù)設(shè)定目標(biāo)溫度。在加熱目標(biāo)溫度相同的前提下，同一爐段上下對(duì)稱區(qū)域加熱溫度存在較明顯的 誤差，必須引起高度重視，隨機(jī)抽查的結(jié)果見(jiàn)表1。址丸雷平均伯標(biāo)淮堀羞923900G1L7O971.13916區(qū) < 卜）909G10.20971.21317 K <±>924909916-08061.381l.Bx （下）911900903,90322.41319 區(qū) r h）911900909.91910.41730區(qū) < 卜J910900907. 2O&：3.亦2由表可見(jiàn)，在17、18溫度控制區(qū)的上下溫度均值差最大，為7.18C, 15、16區(qū)上下溫度均值差其次，為4.5&#