冷軋罩式退火爐控制系統的研究

李 坤

（山鋼股份萊鋼分公司 自動化部，山東 萊蕪 271104）

0 引言

全氫罩式退火爐是高質量冷軋帶鋼產品的退火工藝設備，該設備具有生產效率高、退火產品質量高、能量消耗低等優點。該退火爐的生產工藝包括將冷軋過后的帶鋼卷放置在氫氣包圍的密閉空間中加熱（800℃左右）、保溫、冷卻的全過程。經過退火的鋼卷，其表面質量、光澤度、韌性等得到了很大的提高。但是，由于鋼卷是在密閉的空間并且伴有強對流循環的純氫氣包圍中進行分階段加熱的，因此在整個退火生產過程中對溫度的控制要求很高，并且要保證整個生產過程的安全性，因此，該生產工藝對自動化控制系統及控制方式有很高的要求，既要有可靠性又要有穩定性。

罩式退火爐主要由基座、加熱罩、冷卻罩、內罩、供氣閥架等基礎設備構成，控制系統由西門子PLC、I／O等組成。目前罩式退火爐大多采用間歇式的生產節奏，即先把冷軋后的帶鋼卷置于退火爐的基座上，并套上內罩，同時將內罩與基座卡嚴貼緊；通過冷泄漏試驗排盡內罩的所有空氣，然后將加熱罩套在內罩外面，再根據工藝設定的溫度曲線進行程序調用、自動加熱；待整個加熱工藝完成后，經過熱泄漏測試其密閉性，再將冷卻罩套在內罩上進行冷卻。在整個生產過程中，必須防止空氣進入裝料工作區，同時也要保證裝料工作區域內的氣體壓力恒定。

1 退火工藝流程

退火工藝流程（即加熱－保溫－冷卻吹掃）主要是根據帶鋼內部化學成分、目標產品的質量標準、帶鋼幾何尺寸和鋼卷重量等因素確定的。生產工藝流程過程中要確保層間不粘連、表面不氧化等。

1．1 加熱過程

冷軋后鋼卷的加熱速度主要取決于鋼的導熱系數的大小。鋼中碳含量、合金含量對熱傳導影響很大。若其含量過高，則導熱系數必然減小，那么就要求加熱速度適當放慢，以避免罩內外溫差過大，造成退火鋼帶組織和性能的不均勻分布。目前自然加熱控制工藝為：室溫到400℃，加熱速度可快可慢，一般來說應盡可能快些。因為根據鋼的結晶原理，從室溫到400℃，鋼的內部組織結構沒有發生明顯變化，在冷軋的過程中被拉長的晶粒才獲得復原，并未再結晶。加熱鋼卷從400℃到保溫溫度時，加熱速度對鋼的內部性能和表面質量都有很大的影響；根據生產經驗，加熱速度應控制在30℃／h～50℃／h最為合適。因為在400℃～730℃，正是鋼體內部晶粒重新結晶的階段，因此在這個溫度區間加熱速率必須精確控制。

1．2 保溫溫度和時間

帶鋼的再結晶溫度不是固定的某一溫度，它同帶鋼的內部組織狀態有關，實際生產中的再結晶溫度是在570℃～720℃之間根據產品選擇的，故保溫的溫度和時間主要根據產品的質量標準、技術成熟條件及帶鋼鋼種和帶鋼的厚度來確定，此外它還與鋼卷卷重、帶鋼厚度有直接關系。卷重大、鋼板厚，則保溫溫度相對要高，保溫時間也相對要長。對于容易在層間產生粘結缺陷的鋼卷以及薄規格的帶鋼，其保溫溫度可適當放低，同時保溫時間也要縮短。

1．3 吹掃

要使帶鋼無脫碳、無氧化必須進行退火。退火鋼卷防止氧化的關鍵是必須使保護罩內的壓力滿足工藝要求。另外，還要認真搞好冷吹和熱吹。冷吹和熱吹的目的是利用保護氣體驅走內罩中的空氣和鋼卷帶進的油氣水分。熱吹的作用除了將內罩中的殘余氣體進一步趕盡之外，更重要的是將板卷帶來的乳化液產生的油煙、水蒸氣等有害物質全部吹凈，避免玷污鋼板表面而降低鋼板表面質量。

2 控制系統設計

根據退火的工藝特點和自動控制的要求，該控制系統采用了一套PLC同時控制2臺全氫罩式退火爐的控制模式。控制系統包括S7－400控制器、分布式I／O ET200從站、OP操作面板以及CIMPLICITY顯示器等，它采用SIEMENS公司的Profibus＿DP現場總線進行通訊。

2．1 系統網絡

工程計算機和主站S7－400之間采用Profibus－FMS協議，主控制站S7－400與遠程從站I／O之間采用Profibus－DP協議。

2．2 從站分布及其特點

該系統由3個從站組成，即爐臺閥站（ET200M）、加熱罩 （ET200M）和 各類風機 （ET200B）。為了今后控制系統能有足夠的升級空間，在系統設計時設計者應充分考慮到擴展問題，在主PLC控制站內為其他爐臺預留了一定的硬件空間。

該控制系統采用ET200從站的分布式I／O控制方案，有效提高了該控制系統的可靠性、穩定性及抗干擾能力，同時在很大程度上節約了硬件配置成本。其主要特點如下：①可靠性高，主PLC系統與通信網絡、分布式I／O從站之間實現了電氣隔離，徹底杜絕了由于其中一設備發生故障而影響到整個網絡中其余電氣設備的正常運行；②設備之間連接線短，可就地處理信號，引入干擾大大減小，同時卡件供電分散處理也相對降低了電源引入干擾造成的故障，或者由于某個電源故障而引起的整套系統的故障；③其靈活性好，若生產工藝改變時需增加信號，只要將新增信號直接接入附近I／O從站柜即可，改造簡單方便，降低了成本。

3 功能控制設計思想

采用計算機的離線數學模型作為退火控制的控制基礎，來完成退火整個過程的系統控制，具體包括：①點火的自動控制、燃燒過程的控制；②旁路風機、循環風機、冷卻風機等的變頻器通訊控制；③氮氣和氫氣流量、壓力控制；④爐內溫度、壓力監測與控制；⑤緊急吹掃控制、冷卻水等輔助系統控制；⑥各種閥門控制等。

3．1 氫氣流量的PID自動調節

退火加熱以及保溫過程中要一直保持氫氣吹掃，然而為達到節能降耗、降低噸鋼成本、增加企業效益的目的，在保證帶鋼退火質量的情況下應使所用的氫氣量達到理想的最小值，并要使爐內氣體壓力保持恒定。根據此工藝要求，在退火前應該對氫氣流量采取PID調節控制，后期應該采用爐內壓力穩定的閉環控制，并且能夠保證內罩壓力在控制范圍內，對氫氣流量的調節閥則使用時序控制方式。根據改造后現場的實際使用情況，該控制方式可以滿足其工藝要求。

3．2 精確控制退火溫度

按生產工藝，可以將退火爐在退火時的溫度分為兩段，即加熱段和均熱段。加熱段通過控制初始的燃燒量來控制整個燃燒過程；均熱段則根據爐內溫度來控制爐內的燃燒過程。根據生產工藝的設備情況，采用PID調節器來控制退火過程的燃燒過程，利用串級控制調節，主環為溫度環，副環為燃氣流量控制環，并在副環控制過程中進行經驗校正值系數的校正、以優化流量的設定值。在實際生產過程中，驗證了該控制方法的可行性。

4 結束語

該控制系統改造主要采用PID控制器替代常規控制器，降低了預測誤差及干擾對系統控制品質的影響，提高了控制系統的魯棒性；而且控制算法簡單快捷、易于實現，具有很好的應用前景。

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［2］ 李紅梅，向順華 黃夏蘭，等．鋼絲氫氣罩式退火爐自動控制系統［J］．自動化儀表，2005，26（1）：53－54．

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