辊底式退火炉自动燃烧控制系统简介

林喜祥

1 引言

在冶金和机械制造业中,很多优质的钢材、铸锻材和加工零件都需要经过热处理,热处理效果的好坏直接影响产品的质量与数量。因此,保证热处理炉处于良好的工作状态,对热处理工艺过程来说,显得尤为重要。本文主要介绍合钢钢管厂退火炉采用浙大中控JX-300XP DCS控制系统实现对工件的正火、回火和退火处理,保证热处理炉高效率、低消耗的产出。

2 热加工工艺分析

钢管是通过对钢锭的穿孔、拉拔等冷加工后成型的。由于冷加工会促使钢材料的塑性、韧性变差,屈服点上升,给继续加工带来难度,所以必须进行退火处理,其实质就是固溶处理。作为奥式体钢管固溶处理的目的,除了要消除冷加工后的应力、降低硬度和改善加工外,还要获得符合标准的力学性能、耐蚀性及细化晶粒,改善组织。

合钢钢管厂热处理炉炉体长30m,宽2.5m,钢管热处理能力为7t/h～10t/h,燃料采用自制冷煤气,空气为助燃气体。它采用了目前国内最常用的连续三段式辊底式退火炉,预热段利用炉气热量初步热材料,提高热效率;加热段对材料进行升温,通过提高炉温以提高生产效率。同时,根据不同钢管的热加工工艺要求,升温的曲线都不同;保温段要减小材料断面温差并控制出炉温度,要求温差不超过10℃。由于同种材料而不同规格的钢管其炉温是不同的,规格相同而不同材料的钢管其炉温也不相同,这就要求操作人员必须及时根据加工材料情况对炉温作出恰当而合理的调整,即及时调节各段加热温度和材料的移动速度。

3 自动化控制系统组成

经过多方面的考察与论证,结合合钢钢管厂退火炉实际生产情况,决定了计算机自动化控制体系。

现场控制级采用浙大中控JX-300XPDCS系统,控制单元为2块XP243X主控制卡,7块模拟量信号输入卡、3块模拟量信号输出卡XP322、1块数字量信号输入卡XP363和输出卡XP362。模拟量信号卡完成现场5段炉膛温度、煤气量、热风量、煤气压力和热风压力的实时检测,模拟量输出卡完成5段炉膛煤气、热风支管段流量、热风压力的控制。所有测点都是围绕炉膛温度自动调节而准备的。

监控系统采用DELL3000PC上位机,以Windows2000操作系统作为系统平台,用浙大中控的Advan Trol-Pro For JX-300XP开发程序和监控画面。一方面通过工业以太网与现场控制级JX-300XP进行通信,完成对工业现场的实时监控;另一方面可以与企业生产信息网连接,实现对工业生产的集中有效管理。

为提高控制系统的安全性和可靠性,对整个控制系统采用全冗余方式,即主控制器CPU冗余、电源冗余和网络冗余。采用这种方式的优点是在任一控制器或电源等出现故障时,控制系统仍可正常运行,保障设备继续运转而不耽误生产。

4 自动化控制原理

结合合钢钢管厂退火炉的实际情况,主要是人工辅助与智能化交叉限幅燃烧控制及对总管煤气、热风压力控制采用常规PID调节控制。

4.1 人工辅助与智能化交叉限幅控制

4.1.1 退火炉分为5段燃烧控制

TE11-1、TE11-2:1段炉膛上、下温度

TE12-1、TE12-2:2段炉膛上、下温度

TE13-1、TE13-2:3段炉膛上、下温度

TE14-1、TE14-2:4段炉膛上、下温度

TE15-1、TE15-2:5段炉膛上、下温度

在每段燃烧区都编制3个软件控制器,分别为温度调节器,煤气流量调节器和热风流量调节器。其中第1段为预热段,第2段为加热段,第3、4、5段为保温段;每段装两个K型热电偶作为温度检测元件,采用维护模式工作。即选其中一检测点作为温度调节使用,另一点仅作为参考,但当调节输入信号出现错误时自动切换到参考点。

4.1.2 煤气流量进行温度∕压力补偿

煤气的工作压力为2kPa,工作温度为40℃,实际的煤气流量使用以下公式进行补正(支管流量取总管的温度和压力进行补偿)。

其中,压力单位为 kPa,温度单位为℃,流量单位为Nm3/h,F0——实际煤气流量;Fi——测量煤气流量;P——测量煤气压力;Pb——基准压力;T——测量煤气温度;Tb——基准温度。

4.1.3 热风量进行温度压力/补偿

空气的工作压力为2kPa,工作温度为220℃,实际的空气流量使用以下公式进行补正(支管流量取总管的温度和压力进行补偿)。

其中,压力单位为 kPa,温度单位为℃ ,流量单位为标准 m3/h;F0——实际空气流量;Fi——测量空气流量;Pb——测量空气压力;P ——基准压力;T——测量空气温度;Tb——基准温度。

4.1.4 交叉限幅自动燃烧控制

所谓的退火炉燃烧自动控制,实质是利用设定值和测量值的偏差,实现炉膛温度、煤气流量、空气流量的自动调节。为了实现燃烧过程中空燃比保持在最佳燃烧区内,在经典控制理论的基础上曾经发展了多种控制方案,比如并行串级比值调节法、单交叉限幅并行串级调节法、双交叉限幅并行串级调节法等。本系统采用单交叉限幅并行串级调节法控制。其控制原则是:升温时,煤气先行;降温时,空气先行。采用这种方式,使系统无论在稳态还是动态的时候,都可获得较好的空燃比性能。如图1所示。

图1 单交叉限幅自动燃烧控制原理图

R——空燃比系数。

由图1可知,在稳态运行时,煤气与热风流量均由温度调节输出A直接给定。

当炉负荷急剧下降时,A下降,A信号与B信号在低选器 LS比较后,取小信号A作为热风流量设定值;与此同时,A信号与C信号在高选器HS比较后,取大信号C作为煤气流量设定值。这样就可以做到在炉温下降时,热风领先减小而保持炉膛处于还原气氛。

当炉负荷急剧上升时,A增大,A信号与B信号在低选器 LS比较后,取小信号B作为热风流量设定值;同时,A信号与C信号在高选器HS选择后,取大信号A作为煤气流量设定值,保证了在炉温升高时,煤气先行而空气后行,炉体仍处于还原气氛。

针对合钢钢管厂目前工艺状况,考虑到钢管规格和品种变化太快,对退火炉辊速进行人工辅助控制,以达到热处理炉控制精度。

4.2 气、热风总管压力调节

众所周知,在燃烧系统中投入流量控制最基本的条件是压力稳定。在合钢钢管厂退火炉中,通过变频器来调节煤气、热风压力。

当煤气压力低的时候,煤气切断阀动作,切断煤气;当煤气压力高的时候,煤气放散阀动作,将部分煤气放散;当煤气压力达到正常值的时候,煤气放散阀自动关闭。

5 结束语

辊底式退火炉控制系统在合钢钢管厂投运后,至今一直性能稳定、运行情况良好。经过该系统处理后钢管明显品质好,大大提高了热处理生产效率,经济效益显著。但在生产实践中,燃烧控制系统的控制参数还需进一步精调、优化,以达到更好的控制效果。