罩式爐的自動控制

張文斌

摘 要：主要介紹了不銹鋼400系退火設備罩式爐的自動控制系統的硬件及其功能。自動控制的應用保證了設備的可靠運行，提高了產品質量。

關鍵詞：罩式爐；退火工藝；自動控制；不銹鋼

中圖分類號：TG155.1 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.10.099

不銹鋼按其成分可分為AISI200系、300系、400系和600系。而AISI400系不銹鋼是國家鼓勵發展的節約資源型產品，具有良好的焊接、塑性加工性能和性價比優勢。參照國內外市場消費比例，結合太鋼在不銹鋼產業中的地位，以及400系不銹鋼的發展趨勢，400系不銹鋼在國內有著較大的需求。AISI400系不銹鋼的主要品種和冷加工成形要求較高的產品在國外知名的鋼鐵企業均采用罩式爐退火。因此，罩式爐退火已成為AISI400系不銹鋼的關鍵環節。

1 概述

罩式爐退火是在熱軋帶鋼處理線后的黑皮鋼卷與熱軋退火酸洗線的白皮卷之間銜接的工藝環節。罩式爐工藝設備包括爐臺、加熱罩、冷卻罩、內罩、對流板、閥站、減壓站、液壓站和排煙系統等。罩式爐的工作過程為：爐臺裝料，放置內罩并利用液壓裝置壓緊內罩；檢查氫氣入口閥和爐臺內罩的密封性，確保系統安全；用氮氣吹掃內罩內的空氣，使爐內氧含量降低至1%以下，為通入氫氣做好準備，在內罩外放置加熱罩，內罩與加熱罩之間為燃燒區域；采用氮氣置換完空氣后，氧含量低于1%，開始加熱點火，并用氫氣置換氮氣實現全氫退火過程；退火過程的加熱段、均熱段，氫氣定流量吹掃；待加熱罩冷卻，輻射冷卻，待冷卻罩冷卻，分流冷卻，用氮氣吹掃爐內氫氣，爐卷出爐完成退火。

2 硬件配置

在筆者參與設計的新建的30座罩式爐項目中，計算機系統硬件配置采用西門子PLC系統。其中，30座罩式爐本體分別采用1套PLC（S7-300）系統，包括爐臺閥站氣氛控制PLC（S7-300）柜、加熱罩燃燒控制ET200柜（燃燒控制器+溫度限制控制器+ET200）。共享設備各采用1套PLC（S7-300）系統，即減壓閥站控制PLC（S7-300）柜。采用4個操作站（2臺為L1操作站、1臺為L2操作站、1臺為iba操作站）、1個工程師站和2臺罩式爐服務器對30座罩式爐本體及其共享設備進行集中監視、操作、參數計算設定和控制。30座罩式爐本體PLC系統、共享設備PLC系統、集中操作站、工程師站與數據服務器采用以太網和profibus網聯接。共用設施中，水泵房采用1套計算機系統，包括1套PLC（S7-300）和1個操作站。系統網絡配置圖如圖1所示。

3 工藝流程

全氫煤氣罩式爐退火工藝流程如圖2所示。

3.1 鋼卷上裝

操作工通過遙控天車將AISI400系列不銹鋼熱軋卷通過鋼卷夾鉗吊裝到爐臺上。為了保證氣氛流動，在兩個鋼卷之間設有專用設備隔開。

3.2 退火工藝的選擇

常用不銹鋼的退火程序均存儲在罩式爐退火二級數學模型系統中或一級現場控制系統PLC的程序中，從而為每種不銹鋼選擇相對應的退火程序。當某種不銹鋼進行退火時，PLC按照程序指令執行相應程序，控制退火自動進行。如果出現故障，則操作工可以中斷退火過程，保障設備和人員的安全。

3.3 扣上并鎖緊內罩

操作工根據內罩高度堆好三四個鋼卷后，將波紋板內罩放到爐臺上。用液壓自動夾鉗鎖緊裝置將內罩與爐臺鎖緊，內罩安裝完成，冷卻系統具備工作條件。

3.4 初始泄漏檢測

內罩安裝完成后，系統將開始初始泄漏檢測。系統會關閉所有氣體的進口和出口閥門，內罩根據程序設定調整到5 kPa左右。如果罩式爐內壓力在規定時間范圍內保持在要求的壓力量程內，則罩式爐操作員站自動給出內罩泄漏檢測合格證，可進行下一步退火工作。

3.5 內部氣氛置換

如果罩式爐操作界面顯示“內罩無泄漏”，程序會自動以120 m3/h的流量向內罩內充入N2，N2的充入時間約40 min。在充入過程中，系統會自動監測N2的充入時間和充入量。通過壓力檢測儀測量內外壓差，流量計檢測氣體流量，氧分析儀檢測內罩氣氛中的氧氣濃度。只有當內罩內的氧氣濃度≤1%時，才開始將氫氣充入到內罩中。在氫氣充氣的過程中，操作工將加熱罩對準導向柱安裝到內罩外。

為了保證系統安全，系統會一直進行內罩的壓力監控。當檢測到內罩壓力低于安全要求時，會自動打開介質管網上的閥門，往內罩充入保安氣體N2，退火氣體氫氣供應自動斷開，由N2對罩式爐內進行保壓。

3.6 加熱階段

在罩式爐加熱罩外部安裝了48個點火燒嘴，每個燒嘴均自帶自動點火裝置。PLC自動控制系統根據鋼種的退火曲線控制每個點火燒嘴的開關狀態，并按照數學模型中設定的退火溫度，適當調整點火燒嘴的數量和點火燒嘴的分布位置，以達到罩式爐內溫度的均勻，從而使鋼卷退火均勻，保證產品質量。

加熱罩上設置了1個高溫報警器。當加熱罩內的溫度達到溫度報警器的報警值時，則發出高溫報警給自動控制系統，PLC自動控制系統快速響應，做出相應動作，以保護退火設備和鋼

卷。加熱罩燃燒系統的安全防護措施為：煤氣管路閥組的泄漏檢測；燃燒系統的自動監測和控制。燃燒系統數學模型統一控制加熱罩上的所有燒嘴，每個燒嘴由1個燃燒安全監控器即時進行燃燒狀態的監測。如果點火失敗或發生脫火、回火現象，系統會自動關閉燃氣管路。在燒嘴燃燒室的預吹掃中，由于加熱罩上的燒嘴常需關閉，當重新打開時，系統會先充入空氣，經過一定的時間后，才自動開啟燃氣管路閥門。

3.7 保溫泄漏檢查

在加熱曲線結束后，需要進行一定的保溫。通常在保溫結束前，要進行保溫泄漏檢查，為結束加熱罩的工作做準備。在保溫結束前的15 min內會對氫氣進行泄漏檢查，如果一切正常，則結束保溫，吊走加熱罩，加熱罩工作結束。

3.8 冷卻階段

加熱罩工作結束后，冷卻罩開始工作。通過導向柱定位，冷卻罩很容易吊裝到位，PLC控制系統的冷卻程序自動啟動并進行鋼卷的冷卻流程。冷卻罩上的冷卻風機高速運行，將鋼卷冷卻至漏點溫度，然后雙速冷卻風機轉入低速運行，直至冷卻結束。

3.9 最終氣體的置換

當罩式爐內溫度達到預設的冷卻溫度時，冷卻工作結束，需要進行最終氣體置換，使用氮氣將罩式爐內的氫氣置換出來。具體流程為：停止冷卻風機，爐臺變頻風機的速度開始減小，氮氣回路的進、出閥門重新打開；當氮氣充入量滿足設定的要求，或者氮氣充入時間滿足要求時，停止爐臺變頻風機；操作工人利用遙控天車吊走冷卻罩，液壓系統啟動松開內罩夾鉗，吊走內罩；操作工人將已退火完畢的鋼卷吊離爐臺。1個退火周期結束。

4 系統說明

罩式爐L1控制系統主要控制設備的邏輯和連鎖關系、安全保護和操作方式等。在控制設備中，控制器、檢測設備、自動調節閥門和特殊儀表等可確保連鎖功能。操作以COS為主，現場操作的確認通過現場按鈕和指示燈進行，爐臺PLC柜面板上安裝的OP面板可在調試或COS故障時對罩式爐進行應急操作。罩式爐L2系統主要用于優化退火工藝，方便操作人員對鋼卷進行組垛和分配爐臺，并能實現對罩式爐生產數據的管理。系統提供的鋼卷退火模型包括經驗模型和機理模型（離線和在線退火模型）。經驗模型基于退火工藝，可重復，即相同的鋼卷垛，如果爐況相同，則其退火工藝也相同，因此，對于新組的鋼卷垛，通過從庫中選取對應的經驗，可給出工藝曲線，對于組成的鋼卷垛沒有對應的經驗，可采用模糊算法，對相近的經驗進行模糊運算，從而給出最佳工藝曲線；機理模型用于計算從鋼卷垛加熱段，可滿足垛中鋼卷冷點達到退火設定溫度所需的時間間隔。

預設的退火曲線只是根據鋼種的特性而設定的，不能根據實際鋼卷垛的卷數和鋼卷的具體參數調整。由于經驗模型開發周期短、效果明顯，可作為過渡時期的選用模型。待積累了豐富的現場數據、機理模型參數獲取完備后，逐步由機理模型取代經驗模型。

5 結束語

我公司大批量地使用了罩式爐退火設備，其系統穩定、自動化程度高、各項控制要求和精度達到了國內較高水平，帶來了良好的經濟效益和社會效益，生產出了優質的產品。

〔編輯：張思楠〕