【正文】 近十年來(lái)造價(jià)較高的步進(jìn)式爐得到了快速發(fā)展，其結(jié)構(gòu)也日趨完善。（2）操作上靈活性較大，可以通過(guò)改變裝料間隙調(diào)節(jié)鋼坯加熱時(shí)間，且更換品種方便。（4）鋼坯在爐內(nèi)不與水管摩擦，不會(huì)造成通過(guò)軋制還不能消除的傷痕。（6）兩面加熱步進(jìn)式爐可以不要實(shí)底均熱段，因此加熱能力比推鋼式爐稍大。（8）鋼坯有側(cè)面加熱，這樣可實(shí)現(xiàn)三面或四面加熱，因此加熱時(shí)間短，鋼坯氧化少。(10)產(chǎn)量大幅度提高,在100*t/a以上。步進(jìn)式爐的缺點(diǎn)是爐底機(jī)械設(shè)備龐大，維護(hù)和檢修都較復(fù)雜，爐子造價(jià)太高。單面供熱的步進(jìn)式爐雖然無(wú)水冷熱損失，但產(chǎn)量較低。 步進(jìn)式加熱爐的工藝簡(jiǎn)介 步進(jìn)式加熱爐的生產(chǎn)工藝流程加熱爐生產(chǎn)時(shí)，根據(jù)軋制計(jì)劃，將板坯送至加熱爐上料運(yùn)輸輥道，鋼坯經(jīng)稱重、測(cè)長(zhǎng)、測(cè)溫后送至區(qū)域管理計(jì)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(kāi)，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。 從初軋廠或連鑄車間來(lái)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。加熱爐自裝料端至出料端沿爐長(zhǎng)上分為預(yù)熱段、加熱段及均熱段，如圖21。鋼坯在加熱初期會(huì)因溫差過(guò)大而產(chǎn)生熱應(yīng)力，因此要求控制升溫速度。均熱段主要將鋼坯均勻熱到規(guī)定的出鋼溫度。三段的溫度互相融合，互相影響。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(wú)水冷隔墻。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。空氣預(yù)熱溫度1000℃以上，排煙溫度150℃以下。爐內(nèi)鋼坯通過(guò)步進(jìn)梁的步進(jìn)動(dòng)作，自裝料端一步一步經(jīng)過(guò)預(yù)熱段、加熱段和均熱段傳送到爐子的出料端。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的上下運(yùn)動(dòng)和前后運(yùn)動(dòng)分別是獨(dú)立機(jī)構(gòu)構(gòu)成的，支撐在輥?zhàn)由系牟竭M(jìn)梁的前進(jìn)、后退用油壓傳動(dòng)方式，上下運(yùn)動(dòng)采用各種方式，如采用油壓或采用電動(dòng)，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。最初料坯放置在固定梁上，這時(shí)移動(dòng)梁位于料坯下面的最低點(diǎn)1。這時(shí)料坯實(shí)際已經(jīng)前進(jìn)到一個(gè)新的位置，相當(dāng)于在固定梁上移動(dòng)了從2點(diǎn)到3點(diǎn)這樣一段距離；最后移動(dòng)梁再由4點(diǎn)退回到l點(diǎn)的位置。然后又開(kāi)始第二個(gè)周期，不斷循環(huán)使?fàn)t料一步步前進(jìn)?？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(shí)間，并按加熱時(shí)間的需要，調(diào)整步進(jìn)周期的時(shí)間和進(jìn)退的行程。移動(dòng)梁還可以只作升降運(yùn)動(dòng)而沒(méi)有前進(jìn)或后退的動(dòng)作，即在原地踏步，以此來(lái)延長(zhǎng)物料的加熱時(shí)間。通過(guò)控制燒嘴的開(kāi)閉，可以適應(yīng)多品種、小批量生產(chǎn)的需要。在不需要低溫入爐同時(shí)又有較大產(chǎn)量要求時(shí)，可以將全部燒嘴打開(kāi)，延長(zhǎng)加熱段長(zhǎng)度，提高產(chǎn)量，最大限度的實(shí)現(xiàn)操作靈活性。 影響鋼坯質(zhì)量的若干因素影響鋼坯質(zhì)量的因素較多，如加熱溫度、斷面溫差、長(zhǎng)度方向的溫差、水印溫差、加熱速度、加熱時(shí)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(huì)對(duì)鋼坯質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響。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。這是因?yàn)榧訜釥t必須很好地與軋機(jī)配合。若爐子生產(chǎn)率大于軋機(jī)的產(chǎn)量時(shí)，則鋼在爐內(nèi)的停留時(shí)間大于所需要的加熱時(shí)間，造成較大的氧化燒損量，這些情況均不符合加熱要求。鋼坯溫度對(duì)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。隨溫度逐漸升高，烙蛻固結(jié)的效果亦逐漸顯著。因?yàn)?，在較高溫度下能夠提高鋼坯的強(qiáng)度，縮短加熱時(shí)間，增加設(shè)備的生產(chǎn)能力。(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。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。爐膛壓力的分布對(duì)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。第三章 步進(jìn)式加熱爐控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)步進(jìn)式加熱爐控制系統(tǒng)是采用西門子PLC系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,整個(gè)系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng),下面詳細(xì)介紹硬件系統(tǒng)。 根據(jù)影響加熱爐鋼坯質(zhì)量的因素，其主要能控因素是溫度和爐膛壓力，而溫度的變化主要受燃料流量和空氣流量的影響，為了充分燃燒，燃料流量和空氣流量必須按一定的比例送入管道，所以將燃料和空氣構(gòu)成雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，這樣不僅實(shí)現(xiàn)了比較精確的流量比值，而且使燃料流量和空氣流量變得比較平穩(wěn)，確保了兩物料總量基本不變，為后續(xù)溫度的控制提供了前提條件。對(duì)于爐膛壓力，采用單回路控制，它是通過(guò)調(diào)整煙道百葉窗的開(kāi)度，從而調(diào)節(jié)煙囪的吸力，達(dá)到控制爐膛壓力的目的。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[2]。通過(guò)比值控制副流量即空氣流量也將比較平穩(wěn)。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)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(shí)副流量即空氣流量也就自動(dòng)跟蹤提降，并保持兩者比值不變。設(shè)計(jì)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：圖31 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 爐溫的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在步進(jìn)式加熱爐加熱鋼坯的過(guò)程中，空燃比過(guò)高，使鋼坯表面氧化，熱量損失增加；空燃比過(guò)低，使燃料不能完全燃燒，造成煤氣外流，浪費(fèi)了燃料并污染了環(huán)境。本設(shè)計(jì)采用單交叉限幅控制，即以爐內(nèi)溫度為主環(huán)，空、煤氣為副環(huán)的串級(jí)爐溫控制回路。它是由主、副兩個(gè)控制器串接工作的。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，主控制器是溫度控制器，副控制器是燃料控制器或者是空氣控制器，這要依據(jù)提降時(shí)的先后順序而定。而副控制器的給定值是由主控制器的輸出提供的，它隨主控制器輸出變化而變化，因此，副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)。圖32 爐溫與流量串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖加熱爐溫度控制是通過(guò)調(diào)節(jié)煤氣和空氣流量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該輸出作為煤氣控制器和空氣控制器的設(shè)定值，去控制煤氣和空氣流量。其中，溫度控制器是主控制器，實(shí)現(xiàn)溫度的粗調(diào)，煤氣流量控制器或空氣流量控制器是平行的副控制器，完成精確控制。而完成具有邏輯提量功能主要依靠系統(tǒng)中設(shè)置的兩個(gè)選擇器：高選擇器HS、低選擇器LS。完成邏輯提量功能主要依靠系統(tǒng)中設(shè)置的兩個(gè)選擇器：高選擇器HS、低選擇器LS。也就是說(shuō)高、低選擇器的兩個(gè)輸入端信號(hào)是相等的，整個(gè)系統(tǒng)猶如不加選擇器時(shí)的串級(jí)和比值控制組合的系統(tǒng)進(jìn)行工作。然后由于空氣增加，使其變送器輸出增加，也就使開(kāi)始增加。這一過(guò)程保證在增加燃料且前，先加大空氣量，使燃燒完全。當(dāng)系統(tǒng)中的爐膛溫度升高時(shí)，溫度控制器輸出減少，因而它被低選器選中，作為燃料流量控制器的給定值而命令燃料降量。降量過(guò)程直至＝=，系統(tǒng)又恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。單交叉限幅保證了焦?fàn)t煤氣在正常工況條件和異常工況波動(dòng)條件下,都能穩(wěn)定的與空氣保持一定偏差范圍內(nèi)的比例,并以焦?fàn)t煤氣流量為主控變量,以空氣流量為從動(dòng)變量,實(shí)現(xiàn)了燃燒過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性和合理性要求[11]。在所有反饋控制系統(tǒng)中，單回路反饋控制系統(tǒng)是最基本、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種，因此又稱為簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。它是生產(chǎn)過(guò)程控制中應(yīng)用最為廣泛的一種控制系統(tǒng)[2]。爐內(nèi)氣體流動(dòng)狀況是爐膛壓力的主要影響因素，而氣體流動(dòng)狀況又受到煙道百葉窗的開(kāi)度的直接影響。設(shè)計(jì)的爐膛壓力單回路控制系統(tǒng)方框圖如下：圖34 爐膛壓力控制系統(tǒng)方框圖 檢測(cè)元件的選擇 溫度檢測(cè)元件爐膛測(cè)溫?zé)犭娕际窍到y(tǒng)的主要檢測(cè)元件。由于鋼坯在加熱爐設(shè)備上干燥，加熱爐的三段溫度都在其測(cè)溫范圍之內(nèi)，所以使用K型熱電偶。K型熱電偶具有復(fù)現(xiàn)性好，產(chǎn)生的熱電勢(shì)大，而且線性好，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，雖然測(cè)量精度偏低，但完全能滿足一般工業(yè)測(cè)量要求[3]。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件包括標(biāo)準(zhǔn)孔板、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴和標(biāo)準(zhǔn)文丘里管，空氣流量測(cè)量采用標(biāo)準(zhǔn)孔板配電容式差壓變送器。因此，儀表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定、可靠，具有較高的溫度。漩渦式流量計(jì)是按流體振蕩原理，應(yīng)用強(qiáng)迫振蕩的漩渦旋進(jìn)原理進(jìn)行流量檢測(cè)的。因此，設(shè)計(jì)選用漩渦式流量計(jì)測(cè)量煤氣流量[3]。根據(jù)步進(jìn)式加熱爐的工藝，選用彈性式壓力檢測(cè)的方法來(lái)檢測(cè)爐膛壓力比較適合。彈性元件在彈性限度內(nèi)受壓后會(huì)產(chǎn)生變形，變形的大小與被測(cè)壓力成正比關(guān)系。彈簧管可以通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)直接指示被測(cè)壓力，也可以用適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換元件把彈簧管自由端的位移變換成電信號(hào)輸出。根據(jù)制造的要求。 執(zhí)行器的選擇執(zhí)行器接受來(lái)自調(diào)節(jié)器的控制信號(hào)，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移，去操縱調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(調(diào)節(jié)閥)，改變控制量。執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇主要是對(duì)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇，根據(jù)能源、介質(zhì)的工藝要求、安全、控制系統(tǒng)的精度、經(jīng)濟(jì)效益及現(xiàn)場(chǎng)情況等多種因素，綜合考慮選用哪一種執(zhí)行機(jī)構(gòu)。由于所使用的燃料即焦?fàn)t煤氣具有易燃、易爆的性質(zhì)，所以設(shè)計(jì)中的執(zhí)行器都選用氣動(dòng)執(zhí)行器，不僅可以降低生產(chǎn)成本，使用方便，而且能夠有效地防火防爆，降低發(fā)生意外事故的概率。氣動(dòng)執(zhí)行器是以壓縮空氣為動(dòng)力能源的，它接受調(diào)節(jié)器的輸出控制信號(hào)，通過(guò)氣缸或膜片帶動(dòng)閥門連桿動(dòng)作，以調(diào)節(jié)被控介質(zhì)（如液體、氣體和蒸汽等）的流量，將被控變量控制在系統(tǒng)要求的范圍內(nèi)。常見(jiàn)的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)均屬薄膜式，它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)廉，但輸出行程較小，只能直接帶動(dòng)閥桿。設(shè)計(jì)中選用薄膜式氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此，必須根據(jù)流體性質(zhì)、工藝條件和過(guò)程控制要求，并參照各種閥門結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行綜合考慮，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性來(lái)最終確定合適的結(jié)構(gòu)形式。它和普通閥門一樣，是一個(gè)局部阻力可以變化的節(jié)流元件。根據(jù)不同的使用要求，調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)型式很多，主要有以下幾鐘：直通單座閥、直通雙座閥、角形閥、三通閥、蝶閥、套筒閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥、高壓閥。一般使用于底進(jìn)側(cè)出，此種調(diào)節(jié)閥穩(wěn)定性較好。設(shè)計(jì)中所有的燃料閥和空氣閥都選用角形閥。它由閥體、擋板、擋板軸和軸封等部件組成。由于設(shè)計(jì)中控制爐膛壓力的煙道百葉窗的流通量大，壓差比較低，大口徑，而且一定的泄漏量對(duì)爐膛壓力的控制沒(méi)有多大影響，所以設(shè)計(jì)中控制爐膛壓力選煙道百葉窗。控制閥選擇得合適與否，將直接關(guān)系到能否很好地起到控制作用?？刂崎y接受的是氣壓信號(hào)，當(dāng)膜頭輸入壓力增大，控制閥開(kāi)度也增大時(shí)，稱之為氣開(kāi)閥。對(duì)于一個(gè)具體的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，究競(jìng)選氣開(kāi)閥還是選氣閉閥，要由具體的生產(chǎn)工藝來(lái)決定。(1)首先要從生產(chǎn)安全出發(fā)。即當(dāng)氣源供氣中斷，或控制器出故障而無(wú)輸出，或控制網(wǎng)膜片破裂而漏氣等而使控制閥無(wú)法正常工作，以致閥芯回復(fù)到無(wú)能源的初始狀態(tài)(氣開(kāi)閥回復(fù)到全閉，氣閉閥回復(fù)到全開(kāi))，應(yīng)能確保生產(chǎn)工藝設(shè)備的安全，不致發(fā)生事故。當(dāng)發(fā)生控制閥處于無(wú)能源狀態(tài)而回復(fù)到初始位置時(shí)要保證產(chǎn)品的質(zhì)量。(4)從介質(zhì)的特點(diǎn)考慮，以保證在控制閥失去能源時(shí)能所處的狀態(tài)能夠避免原料或產(chǎn)品的浪費(fèi)。考慮到生產(chǎn)的安全，當(dāng)煤氣系統(tǒng)中斷或控制器發(fā)生故障無(wú)信號(hào)輸出，致使執(zhí)行器的閥芯回復(fù)到無(wú)能源的初始狀態(tài)時(shí)，不致于發(fā)生事故，而且焦?fàn)t煤氣具有易燃、易爆的性質(zhì)時(shí)，為防止在異常情況下產(chǎn)生爆炸，燃料和空氣流量執(zhí)行器都應(yīng)選氣開(kāi)式，一旦發(fā)生事故，則立即處于關(guān)閉狀態(tài)，不再提供燃料，以免造成浪費(fèi)，從而有利于降低原料成本和節(jié)能。 控制器的選擇控制器是常規(guī)儀表控制系統(tǒng)中的核心環(huán)節(jié)。該控制系統(tǒng)包含流量、溫度和壓力三種控制器，所以必須根據(jù)實(shí)際的工藝要求選擇合適的控制器。比例控制規(guī)律（P）的特點(diǎn)是：控制器的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)(偏差)成比例，即閥門的開(kāi)度變化與偏差變化有對(duì)應(yīng)關(guān)系。但是，純比例控制器在過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后仍然存在余差，而且負(fù)荷變化越大，余差也越大。比例控制規(guī)律是最基本的控制規(guī)律，它既可以單獨(dú)采用，又可以與其他控制規(guī)律結(jié)合在一起用，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整定方便的優(yōu)點(diǎn)。例如，一般的精餾塔塔底液面、貯槽液面、冷凝器液面和次要的蒸汽壓力控制系統(tǒng)，均可采用比例控制器。具有比例積分控制規(guī)律的控制器稱為比例積分控制器，比例積分控制規(guī)律是一種應(yīng)用最為廣泛的控制規(guī)律。例如，流量控制系統(tǒng)、管道壓力控制系統(tǒng)和某些要求嚴(yán)格的液位控制系統(tǒng)普遍采用比例積分控制器。把具有比例、積分、微分控制規(guī)律的控制器稱為PID控制器，又稱三作用控制器，比例積分微分控制規(guī)律綜合了多種控制規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，是一種比較理想的控制規(guī)律。目前用較多的是溫度控制系統(tǒng)。溫度是主變量，為了主變量的穩(wěn)定，主控制器必須具有積分作用，它的控制通道時(shí)間或容量滯后較大、負(fù)荷變化大、對(duì)控制質(zhì)量要求較高，在這種情況下，為保證主變量的控制精度，故溫度控制器應(yīng)選用比例積分微分控制規(guī)律(PID)。只有當(dāng)副對(duì)象容量滯后較大時(shí)，可適當(dāng)加一點(diǎn)微分作用。在比值控制系統(tǒng)中流量的控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、被控變量又不允許有余差，所以流量控制器應(yīng)選用比例積分控制規(guī)律(PI)。 控制器的正反作用選擇工業(yè)控制器一般都具有正作用和反作用兩種工作方式?？刂破髟O(shè)置正、反作用的目的是為了適應(yīng)不同被控對(duì)象，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)負(fù)反饋控制的需要。如果各環(huán)節(jié)組合不當(dāng)，使系統(tǒng)總的作用方向構(gòu)成了正反饋，則控制系統(tǒng)不僅起不到控制作用，反而破壞了生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定。假設(shè)對(duì)控制系統(tǒng)中的各環(huán)節(jié)作如下規(guī)定：1．控制器工作于正作用方式為“—”，工作于反作用方式為“十”；2．執(zhí)行器的閥門開(kāi)度隨控制器輸出信號(hào)的增加而增大(氣開(kāi)式)為“