空气循环炉低温度段的控温方式探讨

高玉峰，万 明，秦明臣

（中航工程集成设备有限公司，北京102206）

空气循环炉广泛应用于进行低温热处理工艺产品的生产制造，如铝合金均热、固溶、退火、时效热处理领域，作为主要热处理设备，具有工件受热均匀的特点，用于对温度均匀性要求高的产品热处理过程。

根据金属材质与热处理后性能要求的不同，需要的热处理温度亦不相同。 其中时效热处理的温度相对较低， 并且产品要求达到较高的温度控制精度和较小的温度过冲量， 并且对于一些金属的时效热处理工艺要求保温时间较长（例如7057 系铝合金由W 态处理到T6 态的保温时间在23～25 h）。 对于时效热处理炉的温度控制过程提出了较高的要求。 尤其在时效热处理过程中， 对在长时间保温过程中控制温度的波动范围及炉温稳定性尤为重要。

在热处理设备设计制造时， 除设计合理的炉内导流结构，使炉内气流速度与温度均匀分布外，采用精准的控温方式， 也是决定设备性能能否满足要求的关键因素。

现阶段国内外高端的低温热处理炉均采用电加热的方式实现。热处理炉内有效工作区域安装温度传感器用于温度的检测， 温度信号接到工业控制器中，工业控制器根据当前检测的实际温度和工艺需要加热的设定温度进行智能运算，输出控制信号控制热处理炉加热器的输出功率进行升温控制，降温过程一般通过向炉内充入冷气掺混实现对温度的控制。

炉膛内的温度均匀性是时效热处理炉的重要核心指标。 目前主要通过热处理炉结构的优化设计以及对升温、降温的控制，达到炉气温度均匀性控制的要求。因开启加热器或充入冷空气掺混控制炉温， 难以实现达到较高的温度控制精度和较小的温度过冲量的需求，因此在此基础上需要增加更加精密的控温方法。

本文提到的温度控制方法是在传统温度控制方法的基础上， 增加循环风机频率控制与炉气温度均匀性的控制联锁，实现高控温精度、低温度过冲的要求。 在保温过程中， 风机用电成为最主要的能源消耗，通过降低循环风机频率控制温度波动，亦可满足降低设备能耗的需求。 工业控制器根据不同的工艺热处理温度控制循环风机的转速， 热处理工艺的温度越高，需要的气流流速越高，控制器提高循环风机转速。当热处理工艺温度较低时，在满足温度场均匀性要求的条件下，控制器自动降低循环风机转速，加大节能效果。

1 温度控制方法

采用低温温度控制方法， 利于设备温度控制过程的稳定性，有效保证了温度控制要求。

（1）温度控制原理

设备温度控制实施采用工业控制器完成， 循环风机电机由变频器驱动。 工业控制器控制变频器实现循环风机转速调节， 连接加热器的调功器由工业控制器调节完成功率调节。

热处理炉在工作有效区安装热电偶进行温度的检测。 工业控制器实时检测炉膛温度和热处理产品的温度，通过内部的PID 模块完成温度升温控制。在保温后期当温度有超温趋势时， 工业控制器自动降低循环风机转速， 通过降低转速和启停进气阀的双重控制方式达到较好的温度控制效果。

工业控制器的温度控制原理如图1 所示。

（2）循环风机转速控制

循环风机转速初始设定按照不同的热处理温度范围进行分段设定， 设定包括工作转速和降频下限转速。当热处理炉保温设定温度在某一温度范围内，循环风机转速稳定在预先设定好的转速值。 在保温后期，当产品的温度基本达到工艺温度后，若炉膛温度有超出保温上限的趋势时，循环风机转速按照0.5 Hz/30 s 的速率进行降频控制（时间设定，降频设定均可软件调整），由于热处理温度参数本身属于响应时间相对滞后的过程量控制， 所以设定时间是降低循环风机转速后等待炉膛温度稳定。 为了保证炉内循环流场，每段降频控制均设定降频下限，当循环风机频率降低至下限频率后还无法控制温度超温，将循环风机转速稳定在下限转速， 通过间断开启时效热处理炉的冷却阀门完成温度控制。

（3）温度控制软件流程图

温度控制采用工业控制器内部编程完成， 应用控制器内部的PID 控制模块和循环风机的转速调节共同实现对炉内温度的控制。 循环风机转速控制软件流程如图2 所示。

第一步：工艺启动，循环风机和加热器启动，开始工作，工业控制器按照预先给定的循环风机转速和PID 模块自动计算的输出功率控制热处理工艺运行。

第二步：炉气到温，产品缓慢升温，直到产品进入设定温度范围。

第三步：检测炉气超温，当炉气温度有超温趋势时（设定温度-实际温度≥-2.0 ℃），检测PID 控制的加热器输出是否为零，若不为零，则减小PID 的输出加热功率。 若PID 输出加热功率已经为零， 等待1 min。 这里等待1 min 主要是由于温度控制属于滞后控制，当对加热器功率或循环风机转速进行调节后，需要滞后一段时间温度才会有变化显现。

第四步：判断循环风机转速是否下降到了预先设定的下限转速值，若下降到设定的下限转速值，那么需要间断性地启停进气阀门进行降温控制。若循环风机转速没有降到下限设定值，对循环风机转速进行降频调节。 每次降频0.5 Hz，计时30 s（时间可调），再检测炉气是否超温，从而完成一次检测的过程。

2 控温方式实际应用效果

在热处理炉设备80～250 ℃范围内选取5 个温度点，进行升温及保温过程的温度控制测试，实测效果详见图3。 每图中上下两条横线分别对应该温度点的控制上下限，控制温度波动范围为±1.5 ℃。在炉膛有效区内布置若干温度检测热电偶， 测试结果表示炉内各点温度均在控制精度要求范围内。

图2 时效炉温度控制原理示意图

图3 控温实测结果图

3 结论

本文提到的温度控制方法可以有效弥补传统温度控制方法的缺点，大幅度提高控制精度，提高炉温均匀性指标。使热处理产品受热温度更均匀、成品品质进一步提高。

循环风机运行转速与温度控制联锁， 既可以满足控温要求，亦可以达到节能、降低成本的目的，符合设备精细化控制的发展趋势。

该方案能解决温度控制精度及稳定性问题，可满足炉温均匀性达到±1.5 ℃的要求， 突破目前国际上对温度均匀性控制最高等级的标准要求， 实现了空气循环炉的高精度温度控制。