【文章內(nèi)容簡介】 據(jù)工藝流程和工藝要求，詳細(xì)闡述了整個控制系統(tǒng)的設(shè)計過程。在控制系統(tǒng)中 通過在 PLC 編程， 對爐溫控制采用實際值與給定的 上下限值 比較， 通過調(diào)節(jié)占空比， 再將予調(diào)好空 /燃比的燃料以極高的速度，通過燒嘴，噴入爐內(nèi)燃燒以控制爐溫 ； 在對爐壓的控制中采用 PID 調(diào)節(jié)器來減小爐溫與 給定值之間的差值 ； 脈沖燃燒步進(jìn)式加熱爐實現(xiàn) 整個生產(chǎn)過程全部自動控制 。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 7 第二章 步進(jìn)式加熱爐工藝 概況 及 其控制系統(tǒng)設(shè)計 爐的生產(chǎn)工藝流程 加熱爐生產(chǎn)時，根據(jù)軋制計劃， 將板坯送至加熱爐上料運輸輥道，鋼坯經(jīng)稱重、測長、測溫后送至區(qū)域管理計算機(jī)指定的爐門裝料口，按布料圖進(jìn)行定位，在確定爐內(nèi)有足夠空間后，裝料爐門打開，裝鋼機(jī)將板坯送入爐內(nèi)，板坯間隔 50mm，完畢后裝料爐門關(guān)閉。 爐內(nèi)板坯通過步進(jìn)梁的運動，經(jīng)過爐子的預(yù)熱段、加熱段、均熱段充分加熱，達(dá)到軋制要求溫度后，運行至出料端激光檢測處并完成最后一次步進(jìn)運動，經(jīng)激光檢測器檢測及步進(jìn)梁行程控制系統(tǒng)和爐內(nèi)坯料跟蹤系統(tǒng)計算，鋼坯在爐內(nèi)準(zhǔn)確位置的信號被送往出鋼機(jī)，出鋼機(jī)托起鋼坯出爐，準(zhǔn)確將鋼坯放在出爐輥道中心線上，再由出爐輥道輸送到粗 軋機(jī)軋制 [10]。 從初軋廠或連鑄車間來的板坯，一般經(jīng)火焰清理后送入熱軋廠加熱爐，鋼坯從爐尾裝入爐內(nèi)，不斷前進(jìn)，經(jīng)預(yù)熱段、加熱段和均熱段，最后被加熱到所需軋制溫度。加熱爐的特點是熱負(fù)荷不隨時間變化，爐內(nèi)各段溫度要求比較穩(wěn)定，且分布均勻。加熱爐自裝料端至出料端沿爐長上分為預(yù)熱段、加熱段及均熱段，如圖 21。預(yù)熱段長度較長，可以充分利用煙氣來預(yù)熱裝入爐內(nèi)的鋼坯，從而提高燃料的利用率。鋼坯在加熱初期會因溫差過大而產(chǎn)生熱應(yīng)力，因此要求控制升溫速度。鋼坯經(jīng)預(yù)熱段預(yù)熱后進(jìn)入加熱段，加熱段是加熱爐中最重要的段，鋼坯在加 熱段被加熱的程度決定了鋼坯是否能被燒透、爐口能否正常出鋼。均熱段主要將鋼坯均勻熱到規(guī)定的出鋼溫度。若均熱段溫度過高，將出現(xiàn)鋼體打滑現(xiàn)象，溫度過低，不能出鋼。三段的溫度互相融合，互相影響。本設(shè)計中加熱爐為三段式加熱爐，分為預(yù)熱段，加熱段，均熱段，其中預(yù)熱段、加熱段、均熱段采用上端 脈沖燃燒控制。 預(yù) 熱 段加 熱 段均 熱 段 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 8 圖 步進(jìn)式加熱爐工藝圖 為了便于靈活調(diào)節(jié)各段爐溫，在預(yù)熱段與加熱段，加熱段與均熱段之間設(shè)有無水冷隔墻。用無水冷隔墻隔開，可以精確控制各段爐溫以及爐膛壓力 ，減少各段之間的輻射干擾。各段均為上加熱，采用分布在爐子側(cè)墻上的蓄熱式燒嘴進(jìn)行供熱。通過每對燒嘴的 脈沖 燃燒，加強(qiáng)了爐氣在爐內(nèi)的擾動，增強(qiáng)了爐氣對鋼坯的傳熱。空氣預(yù)熱溫度 1000℃以上，排煙溫度 150℃ 以下。 進(jìn)式加熱爐與推鋼式加熱爐相比，其基本的特征是鋼坯的移動是通過固定梁和載有鋼坯的移動梁進(jìn)行的，在固定梁上的鋼坯，通過移動梁反復(fù)地上升、前進(jìn)、下降、后退的矩形運動，一個循環(huán)運動過程使鋼坯在爐內(nèi)的梁上發(fā)生滑動就前進(jìn)一步。爐內(nèi)鋼坯通過步進(jìn)梁的步進(jìn)動作，自裝料端一步一步經(jīng)過預(yù)熱段、加熱段和均熱段傳送到爐子的出料端 。在接到軋機(jī)要鋼信號后，步進(jìn)梁就將固定梁上最終料位處的鋼坯托放在出料懸臂輥上面，然后送出進(jìn)入軋線軋制。傳動機(jī)構(gòu)的上下運動和前后運動分別是獨立機(jī)構(gòu)構(gòu)成的，支撐在輥子上的步進(jìn)梁的前進(jìn)、后退用油壓傳動方式，上下運動采用各種方式，如采用油壓或采用電動，爐子裝鋼要保持規(guī)定的間隔，用推鋼機(jī)或輸送機(jī)裝入爐內(nèi)，加熱好的鋼坯出鋼采用出鋼送入下一步工序。 固 定 梁移 動 梁上升下降前 進(jìn)后 退固 定 梁 水 平 面12 34 圖 步進(jìn)式爐內(nèi)鋼坯運動軌跡的示意圖 爐底由固定梁和移動梁 (步進(jìn)梁 )兩部分所組成。最初料坯放置在固定梁上，這時 移動梁位于料坯下面的最低點 1。開始動作時，移動梁由 1 點垂直上升到 2 點的位置，在到達(dá)固定梁平面時把料坯托起；接著移動梁載著料坯沿水平方向移動一段距離從 2 點到3 點；然后移動梁再垂直下降到 4 點的位置，當(dāng)經(jīng)過固定梁水平面時又把料坯放到固定梁上。這時料坯實際已經(jīng)前進(jìn)到一個新的位置，相當(dāng)于在固定梁上移動了從 2 點到 3 點這樣一段距離；最后移動梁再由 4 點退回到 l 點的位置。這樣移動梁經(jīng)過上升 — 前進(jìn) —下降 — 后退四個動作，完成了一個周期，料坯便前進(jìn) (也可以后退 )一步。然后又開始第內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 9 二個周期，不斷循環(huán)使?fàn)t料一步步前進(jìn)。移動梁往復(fù) — 個周 期所需要的時間和升降進(jìn)退的距離，是按設(shè)計或操作規(guī)程的要求確定的?？梢愿鶕?jù)不同金屬和斷面尺寸確定物料在爐內(nèi)的加熱時間，并按加熱時間的需要，調(diào)整步進(jìn)周期的時間和進(jìn)退的行程。 移動梁的運動是可逆的，當(dāng)軋機(jī)故障要停爐檢修，或因其他情況需要將物料退出爐子時，移動梁可以逆向工作，把料坯由裝料端退出爐外。移動梁還可以只作升降運動而沒有前進(jìn)或后退的動作，即在原地踏步，以此來延長物料的加熱時間。 加熱爐采用端進(jìn)料、端出料，這樣由爐尾推料機(jī)直接推送出料，不需要單獨設(shè)出料機(jī)，而且適合較寬的料坯，可以幾個爐子共用一個輥道，占用車間 面積小，操作也比較方便。 [7][8] 影響 鋼坯質(zhì)量 的因素較多，如 加熱 溫度、斷面溫差、長度方向的溫差、水印溫差 、加熱速度 、加熱 時間、氣氛待性、 鋼坯間距 、 鋼坯 尺寸 、 燃料燃燒、 冷 卻方法、 爐子的密封程度、爐壁爐頂?shù)纳帷⒉竭M(jìn)梁速度、廢氣帶走熱量 等，都會對 鋼坯質(zhì)量 產(chǎn)生顯著影響。 其中加熱溫度和爐膛壓力對鋼坯質(zhì)量影響較大，而且可控。 鋼坯的加熱 制度應(yīng)保證在 加熱 裝置最大生產(chǎn)率和最適宜的氣 (液 )體燃料耗量的前提下達(dá)到盡可能高 的加熱效果，最終得到 斷面均一、 溫度均勻 的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。 在實際生產(chǎn)中，鋼坯的 加熱時間往往是變化的。這是因為加熱爐必須很好地與軋機(jī)配合。在生產(chǎn)某些產(chǎn)品的過程中，爐子生產(chǎn)率小于軋機(jī)的產(chǎn)量時，常常為了趕上軋機(jī)的產(chǎn)量而造成加熱不均，內(nèi)外溫差大，甚至有時為了提高出爐溫度而將鋼表面燒化，而其中間溫度尚很低，造成加熱質(zhì)量很差。若爐子生產(chǎn)率大于軋機(jī)的產(chǎn)量時，則鋼在爐內(nèi)的停留時間大于所需要的加熱時間，造成較大的氧化燒損量，這些情況均不符合加熱要求。如遇到上述情況，應(yīng)對爐子結(jié)構(gòu)及操作方式作合理的改造或調(diào)整，使?fàn)t子產(chǎn)量和軋機(jī)產(chǎn)量相適應(yīng)。 鋼坯 溫度對 鋼坯質(zhì)量的 影響較大 ， 鋼坯加熱溫度是產(chǎn)品質(zhì)量保證的關(guān)鍵。若 溫度偏低則 不能很好的進(jìn)行軋制 ，以致難以達(dá)到 所需固定成型 效果。隨溫度逐漸升高，烙蛻固結(jié)的效果亦逐漸顯著。 加熱 溫度對 鋼坯 的影響特性 顯 示 ： (1)從提高質(zhì)量和產(chǎn)量的角度出發(fā)，應(yīng)盡可能選擇較高溫度。因為，在較高溫度下能夠提高 鋼坯 的強(qiáng)度，縮短 加熱 時間，增加設(shè)備的生產(chǎn)能力。但若超過最適宜值，則會內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 10 使 鋼坯 抗壓強(qiáng)度迅速下降，嚴(yán)重時有可能造成 鋼坯 熔融粘結(jié)。 (2)從設(shè)備條件、設(shè)備使用壽命、燃料與電力消耗角度出發(fā)，應(yīng)盡 可 能選擇較低的加熱 溫度。因為，高溫 加熱 設(shè)備的投資與能耗巨大，所以盡可能 的 降低 加熱 溫度以提高設(shè)備使用年限和降低燃 料、電力消耗是十分重要的。但是， 加熱 的最低溫度應(yīng)足以 使鋼坯進(jìn)行有效的軋制 為限制。實際選擇 加熱 溫度，通常應(yīng)兼顧上述兩個方面。 爐膛壓力的分布對連續(xù)加熱爐熱工的影響比較大，直接關(guān)系爐膛溫度分布、料的加熱速度和加熱質(zhì)量。 綜合考慮影響加熱過程的各個因素，加熱溫度和爐膛壓力對于鋼坯質(zhì)量的影響頗大，而且是一個可以控制的量，所以選擇溫度和爐膛壓力作為被控參數(shù)。 [9][10] 溫度控制 系統(tǒng)設(shè)計 步進(jìn)式加熱爐分三段實現(xiàn)爐溫自動控制，包括預(yù)熱段、加熱段和均熱段。 預(yù)熱段為緩慢加熱區(qū)，爐膛溫度稍低；加熱段為快速加熱區(qū)，溫度 在爐內(nèi)最高；均熱段主要是消除鋼坯表面和芯部的溫度差，使整個鋼坯的溫度適合于軋制要求。 工業(yè)上要求步進(jìn)式加熱爐預(yù)熱段溫度為 750℃ ～ 1100℃ ， 加熱時間 15～ 30 分鐘 ；加熱段的溫度為 1250℃ ～1300℃ ，加熱時間 40～ 60 分鐘； 均熱段的溫度為 1150℃ ～ 1250℃ ，保溫時間 20～ 30分鐘； 雖然三段溫度不同，但是控制方式卻是一樣的。 鋼坯在爐內(nèi)隨著溫度場的變化逐漸被加熱到軋制溫度。爐膛溫度在正常生產(chǎn)情況下與投入到爐內(nèi)的燃料量是相對應(yīng)的，在滿足軋機(jī)生產(chǎn)要求的前提下適當(dāng)降低加熱強(qiáng)度，可以降低燃料的消耗量。 每段爐溫各自獨立控制，每段取爐頂 溫度為測量值。 三段爐溫采用相同的溫度控制方案， 本 爐溫自動控制 是 先通過比例跟隨器將 煤氣和空氣流量配比 為 3： 1，這樣才可以使煤氣充分燃燒，并且通過 PLC 將給定 限值與實際采樣值進(jìn)行比較，輸出值控制脈沖燃燒的占空比來調(diào)節(jié)溫度。 [11][12] 煤氣和空氣流量配比的控制 在使用煤氣作燃料的燃燒控制系統(tǒng)中，當(dāng)煤氣的熱值和壓力一定時，煤氣和空氣只有按一定的比例混合才能充分燃燒。 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是為了克服單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)主流量不受控，生產(chǎn)負(fù)荷在較大范圍內(nèi)波動的不足而設(shè)計的。它是在單閉環(huán)比 值控制的基礎(chǔ)上，增設(shè)了主流量控制回路而構(gòu)成。 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)由于主流量控制回路的存在，實現(xiàn)了對燃料流量的定值控制，大大地克服了燃料流量干擾的影響，使燃料流量變得比較平穩(wěn)。通過比值控制副流量即內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 11 空氣流量也將比較平穩(wěn)。這不僅實現(xiàn)了比較精確的流量比值，而且也確保了兩物料總量基本不變，這是它的一個主要特點。另一個優(yōu)點是提降負(fù)荷比較方便，只要緩慢地改變主流量控制器即燃料控制器的給定值，就可以提降燃料流量，同時副流量即空氣流量也就自動跟蹤提降，并保持兩者比值不變。這種方案能夠適用于主流量干擾頻繁及工藝上不允許負(fù)荷有較 大波動或工藝上經(jīng)常需要提降負(fù)荷的場合，實用性強(qiáng) [2]。設(shè)計的燃料流量與空氣流量雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方框圖如下： 流 量 控 制 器 1 控 制 閥 1 燃 料 對 象流 量 變 送 器 1K流 量 控 制 器 2 控 制 閥 2 空 氣 對 象流 量 變 送 器 2F 1F 2——給 定 圖 燃料流量和空氣流量構(gòu)成的雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方框圖 在 本設(shè)計 時序脈沖燃燒控制系統(tǒng)中，同樣因為燒嘴要被頻繁地點燃和熄滅，因此要求空氣的流量在隨煤氣流量變化時要有快速的跟隨性。這是保證控制系統(tǒng)能否達(dá)到工藝要求的另一個重要因素。氣動比例調(diào)節(jié)閥通過一個連接管路和主煤氣管路相連，當(dāng)主煤氣閥打開時，氣動比例閥通過連接管路對煤氣流量進(jìn)行采樣，并按 照一定的比例打開主空氣閥。當(dāng)煤氣流量變化時，空氣流量按一定比例跟隨變化。當(dāng)主煤氣閥關(guān)斷時，主空氣閥也即刻關(guān)斷。使用氣動比例控制方式控制空氣和煤氣流量的配比，可以減少中間控制環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力。 [13] 脈沖燃燒控制 脈沖燃燒是以一定時間間隔，將燃料按予調(diào)好的空 /燃比以極高的速度，通過燒嘴，按照 一定的 時序噴入爐內(nèi)燃燒。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 12 這樣燃燒的好處是 : 煤氣壓力處于穩(wěn)定狀態(tài)，脈沖燃燒噴出熱氣流的熱燴、速度以及熱氣流的長度都是一個定值，如果對多個燒嘴進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合，合理地布置，就會很容易的獲得滿意的爐內(nèi)溫 度場分布，保證極高的坯料加熱質(zhì)量 在低負(fù)荷燃燒狀態(tài)下，若按照常規(guī)的供熱方式，燒嘴必然處于小流量的工作狀態(tài)。但是，在脈沖燃燒供熱方式下，每一個燒嘴在打開期間，噴出的燃料和空氣流量和‘大流量’狀態(tài)下是相同的，僅僅是打開的時間變的短了。所以不存在火焰長度受到常規(guī)控制下的‘小流量’影響的問題。這樣，可以得到的直接好處是 : （ 1） 火焰長度不變，導(dǎo)致被加熱坯料的溫度均勻性不變 。 （ 2） 不需要在常規(guī)控制中的‘小流量’下，為保證充分燃燒而有意加大“空燃比’的問題。這樣，減少了坯料在保溫狀態(tài)下的氧化燒損 ； （ 3） 很容易對加熱 爐的爐溫進(jìn)行量化控制。 下圖例對數(shù)字化脈沖燃燒的機(jī)理和量化過程進(jìn)行時序化的說明。 2 圖 8 個燒嘴給加熱爐某供熱區(qū)供熱的時序圖 (保溫時 ) 圖中， T：脈沖周期； t：燒嘴燃燒時間； Tp： 燒嘴周期相位差時間； n：脈沖燒嘴總數(shù) nTTp? 圖中 以 8 個燒嘴給加熱爐某供熱區(qū)供熱的時序圖 (例 )，每一條時序曲線對應(yīng)著一個燒嘴的工作 狀態(tài)。本圖表示為最小供熱量時的燒嘴工作情況。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 13 按照上圖的時序進(jìn)行燒鋼，經(jīng)過一段時間后，在進(jìn) /出鋼平衡的情況下， 爐內(nèi)溫度會達(dá)到一個穩(wěn)定狀態(tài)。但是當(dāng)進(jìn) /出鋼失衡，或者要求升 (降 )溫的情況下，如何控制爐溫，就變成了如何控制燒嘴的‘ ON/OFF’時間的長短問題。也就是要求的供熱量隨著負(fù)荷的變化而變化，或者是隨著工藝要求變化而變化的問題。見下圖。 圖 8 個燒嘴給加熱爐某供熱區(qū)供熱的時序圖 (升溫時 ) 上圖表示當(dāng)爐膛溫度控制要求本爐的供熱量在 50%的情況下，每個燒嘴控制脈沖的ON/OFF 時序圖。很顯然，當(dāng)要求熱負(fù)荷由最小變到最大 (或者相反時 )，只要在固定的脈沖周期‘ T’下，調(diào)整燒嘴控制脈沖的 ON/OFF 時間‘ t’的長短，就可以達(dá)到調(diào)整熱負(fù)荷的