輥底式退火爐自動燃燒控制系統簡介

林喜祥

1 引言

在冶金和機械制造業中,很多優質的鋼材、鑄鍛材和加工零件都需要經過熱處理,熱處理效果的好壞直接影響產品的質量與數量。因此,保證熱處理爐處于良好的工作狀態,對熱處理工藝過程來說,顯得尤為重要。本文主要介紹合鋼鋼管廠退火爐采用浙大中控JX-300XP DCS控制系統實現對工件的正火、回火和退火處理,保證熱處理爐高效率、低消耗的產出。

2 熱加工工藝分析

鋼管是通過對鋼錠的穿孔、拉拔等冷加工后成型的。由于冷加工會促使鋼材料的塑性、韌性變差,屈服點上升,給繼續加工帶來難度,所以必須進行退火處理,其實質就是固溶處理。作為奧式體鋼管固溶處理的目的,除了要消除冷加工后的應力、降低硬度和改善加工外,還要獲得符合標準的力學性能、耐蝕性及細化晶粒,改善組織。

合鋼鋼管廠熱處理爐爐體長30m,寬2.5m,鋼管熱處理能力為7t/h～10t/h,燃料采用自制冷煤氣,空氣為助燃氣體。它采用了目前國內最常用的連續三段式輥底式退火爐,預熱段利用爐氣熱量初步熱材料,提高熱效率;加熱段對材料進行升溫,通過提高爐溫以提高生產效率。同時,根據不同鋼管的熱加工工藝要求,升溫的曲線都不同;保溫段要減小材料斷面溫差并控制出爐溫度,要求溫差不超過10℃。由于同種材料而不同規格的鋼管其爐溫是不同的,規格相同而不同材料的鋼管其爐溫也不相同,這就要求操作人員必須及時根據加工材料情況對爐溫作出恰當而合理的調整,即及時調節各段加熱溫度和材料的移動速度。

3 自動化控制系統組成

經過多方面的考察與論證,結合合鋼鋼管廠退火爐實際生產情況,決定了計算機自動化控制體系。

現場控制級采用浙大中控JX-300XPDCS系統,控制單元為2塊XP243X主控制卡,7塊模擬量信號輸入卡、3塊模擬量信號輸出卡XP322、1塊數字量信號輸入卡XP363和輸出卡XP362。模擬量信號卡完成現場5段爐膛溫度、煤氣量、熱風量、煤氣壓力和熱風壓力的實時檢測,模擬量輸出卡完成5段爐膛煤氣、熱風支管段流量、熱風壓力的控制。所有測點都是圍繞爐膛溫度自動調節而準備的。

監控系統采用DELL3000PC上位機,以Windows2000操作系統作為系統平臺,用浙大中控的Advan Trol-Pro For JX-300XP開發程序和監控畫面。一方面通過工業以太網與現場控制級JX-300XP進行通信,完成對工業現場的實時監控;另一方面可以與企業生產信息網連接,實現對工業生產的集中有效管理。

為提高控制系統的安全性和可靠性,對整個控制系統采用全冗余方式,即主控制器CPU冗余、電源冗余和網絡冗余。采用這種方式的優點是在任一控制器或電源等出現故障時,控制系統仍可正常運行,保障設備繼續運轉而不耽誤生產。

4 自動化控制原理

結合合鋼鋼管廠退火爐的實際情況,主要是人工輔助與智能化交叉限幅燃燒控制及對總管煤氣、熱風壓力控制采用常規PID調節控制。

4.1 人工輔助與智能化交叉限幅控制

4.1.1 退火爐分為5段燃燒控制

TE11-1、TE11-2:1段爐膛上、下溫度

TE12-1、TE12-2:2段爐膛上、下溫度

TE13-1、TE13-2:3段爐膛上、下溫度

TE14-1、TE14-2:4段爐膛上、下溫度

TE15-1、TE15-2:5段爐膛上、下溫度

在每段燃燒區都編制3個軟件控制器,分別為溫度調節器,煤氣流量調節器和熱風流量調節器。其中第1段為預熱段,第2段為加熱段,第3、4、5段為保溫段;每段裝兩個K型熱電偶作為溫度檢測元件,采用維護模式工作。即選其中一檢測點作為溫度調節使用,另一點僅作為參考,但當調節輸入信號出現錯誤時自動切換到參考點。

4.1.2 煤氣流量進行溫度∕壓力補償

煤氣的工作壓力為2kPa,工作溫度為40℃,實際的煤氣流量使用以下公式進行補正(支管流量取總管的溫度和壓力進行補償)。

其中,壓力單位為 kPa,溫度單位為℃,流量單位為Nm3/h,F0——實際煤氣流量;Fi——測量煤氣流量;P——測量煤氣壓力;Pb——基準壓力;T——測量煤氣溫度;Tb——基準溫度。

4.1.3 熱風量進行溫度壓力/補償

空氣的工作壓力為2kPa,工作溫度為220℃,實際的空氣流量使用以下公式進行補正(支管流量取總管的溫度和壓力進行補償)。

其中,壓力單位為 kPa,溫度單位為℃ ,流量單位為標準 m3/h;F0——實際空氣流量;Fi——測量空氣流量;Pb——測量空氣壓力;P ——基準壓力;T——測量空氣溫度;Tb——基準溫度。

4.1.4 交叉限幅自動燃燒控制

所謂的退火爐燃燒自動控制,實質是利用設定值和測量值的偏差,實現爐膛溫度、煤氣流量、空氣流量的自動調節。為了實現燃燒過程中空燃比保持在最佳燃燒區內,在經典控制理論的基礎上曾經發展了多種控制方案,比如并行串級比值調節法、單交叉限幅并行串級調節法、雙交叉限幅并行串級調節法等。本系統采用單交叉限幅并行串級調節法控制。其控制原則是:升溫時,煤氣先行;降溫時,空氣先行。采用這種方式,使系統無論在穩態還是動態的時候,都可獲得較好的空燃比性能。如圖1所示。

圖1 單交叉限幅自動燃燒控制原理圖

R——空燃比系數。

由圖1可知,在穩態運行時,煤氣與熱風流量均由溫度調節輸出A直接給定。

當爐負荷急劇下降時,A下降,A信號與B信號在低選器 LS比較后,取小信號A作為熱風流量設定值;與此同時,A信號與C信號在高選器HS比較后,取大信號C作為煤氣流量設定值。這樣就可以做到在爐溫下降時,熱風領先減小而保持爐膛處于還原氣氛。

當爐負荷急劇上升時,A增大,A信號與B信號在低選器 LS比較后,取小信號B作為熱風流量設定值;同時,A信號與C信號在高選器HS選擇后,取大信號A作為煤氣流量設定值,保證了在爐溫升高時,煤氣先行而空氣后行,爐體仍處于還原氣氛。

針對合鋼鋼管廠目前工藝狀況,考慮到鋼管規格和品種變化太快,對退火爐輥速進行人工輔助控制,以達到熱處理爐控制精度。

4.2 氣、熱風總管壓力調節

眾所周知,在燃燒系統中投入流量控制最基本的條件是壓力穩定。在合鋼鋼管廠退火爐中,通過變頻器來調節煤氣、熱風壓力。

當煤氣壓力低的時候,煤氣切斷閥動作,切斷煤氣;當煤氣壓力高的時候,煤氣放散閥動作,將部分煤氣放散;當煤氣壓力達到正常值的時候,煤氣放散閥自動關閉。

5 結束語

輥底式退火爐控制系統在合鋼鋼管廠投運后,至今一直性能穩定、運行情況良好。經過該系統處理后鋼管明顯品質好,大大提高了熱處理生產效率,經濟效益顯著。但在生產實踐中,燃燒控制系統的控制參數還需進一步精調、優化,以達到更好的控制效果。