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】本文在簡要介紹目前熱處理爐的兩種加熱系統(tǒng)的基礎上，就其對鋼板性能的影響進行了詳細的對比與分析，建立鋼板性能反饋系統(tǒng)，為提高鋼板性能合格率、保證鋼板加熱質量提供了新的思路?！娟P鍵詞】熱處理爐 加熱模型 性能反饋系統(tǒng)1.前言目前國內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)，為輥底式無氧化熱處理爐，通過輻射對鋼板進行加熱；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，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。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，就必須對加熱系統(tǒng)和溫控模型進行詳細的分析。2.溫度控制輻射管式熱處理爐的加熱系統(tǒng)由20個溫控區(qū)組成，這20個加熱區(qū)依次分為上下加熱區(qū)，由231根（162根對稱安裝和69根交錯安裝）輻射管來供熱，熱處理爐溫度控制范圍為600980。明火熱處理爐共分為13個供熱段，長度方向、上下供熱單獨控制，共26個溫度控制區(qū)，分別對爐溫進行自動控制，熱處理溫度范圍270800。188個自身預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)熱電偶的實測值經(jīng)過線性化的傳感器傳給PLC，PID控制器將實測值與設定值比較，并將這一差異轉換成燒嘴脈沖式循環(huán)開閉的頻率。1#熱處理爐有兩種溫度設定模式，HMI設定模式，數(shù)學模型設定模式；2#熱處理爐有三種溫度設定模式，即自動模式、半自動模式和手動模式。2.1 自動模式自動模式與數(shù)學模型設定模式相同，即只要人工輸入鋼板的目標溫度，二級就會自動調用數(shù)學模型，根據(jù)模型設定各個加熱區(qū)的溫度，并且根據(jù)熱電偶反饋的溫度實時調整模型，穩(wěn)定爐內工況和保證鋼板加熱質量；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、熱電偶反應迅速、精確度高、鋼板跟蹤信號準確；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)都需要及時對模型進行修正。一旦維護不好，反而對鋼板的加熱質量起到反作用。2.2 半自動設定模式半自動與HMI設定模式相同，即根據(jù)需要的目標溫度手動設定各個加熱區(qū)的溫度，二級不參與爐溫控制。此模式方法簡便，容易操作，但由于缺乏反饋環(huán)節(jié)和自學習功能，所以，鋼板的加熱質量不容易穩(wěn)定控制。2.3 手動模式手動模式為人工設定燒嘴輸出百分比達到控制爐溫的目的，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、燃燒介質混合情況的不同，爐溫不容易控制，因此，一般只在調試過程中采用。3.燃燒控制

5、兩座熱處理爐的燒嘴都采用脈沖循環(huán)點火式，即基于各區(qū)所需要的熱量，來調整燒嘴工作的數(shù)量和燃燒的時間，不是一個區(qū)內所有的燒嘴在同一時間內都關閉或點燃，而是所有燒嘴均按照需要的頻率進行“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”關系，2#爐的溫差、燒嘴輸出為“同步”關系，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)：設定爐溫與實際爐溫相等，輸出為0的狀態(tài)溫差：設定爐溫與實際爐溫的差值3.1 不同步控制如圖1所示，從平衡狀態(tài)開始，冷鋼板入爐，實際爐溫降低，溫差逐漸大，功率輸出逐漸從0%到A，實際

6、爐溫不斷升高，此時設定溫度與實際溫度相同，溫差為0；緊接著，輸出從A降到0%，在這段過程中，爐溫繼續(xù)升高，設定爐溫小于實際爐溫，溫差變?yōu)樨摲较蜃畲笾?；然后輸出?%逐漸降低，即輸出為負值，助燃風吹掃輻射管，爐溫開始降低，直到設定溫度與實際溫度偏差為零。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，而且燒嘴頻繁開啟容易造成燃氣和助燃空氣閥門使用壽命的縮短。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，實際爐溫低

7、于設定爐溫，輸出為正；隨著溫度偏差增大，輸出增大，溫差變?。粚嶋H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，同步控制方法不會出現(xiàn)實際溫度超過設定爐溫的情況，因此不會造成能源的浪費和設備的損耗。但此種控制方法僅適用于明火加熱。4.爐溫設定曲線由于兩座熱處理爐設計結構不同，可處理鋼板的溫度不同，導致爐溫設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定模型依據(jù)熱處理工藝的不同而不同。（1）對奧氏體化的加熱工藝而言，16區(qū)的溫度低于目標加熱溫度。通常1區(qū)、2區(qū)溫度設定為750，3區(qū)、4區(qū)的溫度為800，5區(qū)、6區(qū)溫度設定為850，其它區(qū)域為鋼板

8、加熱的目標溫度。（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溫度為設定溫度。這是因為輻射管的熱流足夠高，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，這是因為回火溫度相應較低，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，而是設定值較目標值先低、后高、再平。由于鋼板在爐內與爐氣的熱交換是一個緩慢的過程，前幾個加熱區(qū)的溫度沒有必要設定那么高，否則造成能源

9、的浪費；為加快鋼板升溫速率，故在兩個區(qū)域設定爐溫高于目標溫度。圖4 中溫回火加熱曲線圖5 高溫回火加熱曲線4.2.3 通過黑匣子試驗以及鋼板的性能參數(shù)來修正加熱曲線。南鋼2#熱處理爐工藝溫度為650時鋼板的加熱溫度曲線與爐溫曲線見圖6。圖6 爐氣與鋼板溫度平均值隨加熱時間的變化由圖6看出，鋼板加熱曲線比較平滑，鋼板進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，并把熱處理后性能最好的鋼板的熱軋態(tài)性能、加熱模型調用出來組成鏈狀結構。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調用成功的加熱模型，從而保證熱處理后性能；一旦出現(xiàn)性能波動，就可以指導查找異常變化的原因并對模型及時修正。熱軋態(tài)性能檢測熱軋態(tài)性能沒有相近試驗失敗溫度控制模型熱處理性能性能異常直接調用模型成功保存分析、修正、添加重新圖7 性能反饋系統(tǒng)示意圖由于重復處理會顯著增加生產(chǎn)成本，用性能反饋系統(tǒng)來提高熱處理的