林喜祥

1 引言

在冶金和機械制造業(yè)中,很多優(yōu)質(zhì)的鋼材、鑄鍛材和加工零件都需要經(jīng)過熱處理,熱處理效果的好壞直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量與數(shù)量。因此,保證熱處理爐處于良好的工作狀態(tài),對熱處理工藝過程來說,顯得尤為重要。本文主要介紹合鋼鋼管廠退火爐采用浙大中控JX-300XP DCS控制系統(tǒng)實現(xiàn)對工件的正火、回火和退火處理,保證熱處理爐高效率、低消耗的產(chǎn)出。

2 熱加工工藝分析

鋼管是通過對鋼錠的穿孔、拉拔等冷加工后成型的。由于冷加工會促使鋼材料的塑性、韌性變差,屈服點上升,給繼續(xù)加工帶來難度,所以必須進行退火處理,其實質(zhì)就是固溶處理。作為奧式體鋼管固溶處理的目的,除了要消除冷加工后的應力、降低硬度和改善加工外,還要獲得符合標準的力學性能、耐蝕性及細化晶粒,改善組織。

合鋼鋼管廠熱處理爐爐體長30m,寬2.5m,鋼管熱處理能力為7t/h～10t/h,燃料采用自制冷煤氣,空氣為助燃氣體。它采用了目前國內(nèi)最常用的連續(xù)三段式輥底式退火爐,預熱段利用爐氣熱量初步熱材料,提高熱效率;加熱段對材料進行升溫,通過提高爐溫以提高生產(chǎn)效率。同時,根據(jù)不同鋼管的熱加工工藝要求,升溫的曲線都不同;保溫段要減小材料斷面溫差并控制出爐溫度,要求溫差不超過10℃。由于同種材料而不同規(guī)格的鋼管其爐溫是不同的,規(guī)格相同而不同材料的鋼管其爐溫也不相同,這就要求操作人員必須及時根據(jù)加工材料情況對爐溫作出恰當而合理的調(diào)整,即及時調(diào)節(jié)各段加熱溫度和材料的移動速度。

3 自動化控制系統(tǒng)組成

經(jīng)過多方面的考察與論證,結(jié)合合鋼鋼管廠退火爐實際生產(chǎn)情況,決定了計算機自動化控制體系。

現(xiàn)場控制級采用浙大中控JX-300XPDCS系統(tǒng),控制單元為2塊XP243X主控制卡,7塊模擬量信號輸入卡、3塊模擬量信號輸出卡XP322、1塊數(shù)字量信號輸入卡XP363和輸出卡XP362。模擬量信號卡完成現(xiàn)場5段爐膛溫度、煤氣量、熱風量、煤氣壓力和熱風壓力的實時檢測,模擬量輸出卡完成5段爐膛煤氣、熱風支管段流量、熱風壓力的控制。所有測點都是圍繞爐膛溫度自動調(diào)節(jié)而準備的。

監(jiān)控系統(tǒng)采用DELL3000PC上位機,以Windows2000操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)平臺,用浙大中控的Advan Trol-Pro For JX-300XP開發(fā)程序和監(jiān)控畫面。一方面通過工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場控制級JX-300XP進行通信,完成對工業(yè)現(xiàn)場的實時監(jiān)控;另一方面可以與企業(yè)生產(chǎn)信息網(wǎng)連接,實現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)的集中有效管理。

為提高控制系統(tǒng)的安全性和可靠性,對整個控制系統(tǒng)采用全冗余方式,即主控制器CPU冗余、電源冗余和網(wǎng)絡冗余。采用這種方式的優(yōu)點是在任一控制器或電源等出現(xiàn)故障時,控制系統(tǒng)仍可正常運行,保障設備繼續(xù)運轉(zhuǎn)而不耽誤生產(chǎn)。

4 自動化控制原理

結(jié)合合鋼鋼管廠退火爐的實際情況,主要是人工輔助與智能化交叉限幅燃燒控制及對總管煤氣、熱風壓力控制采用常規(guī)PID調(diào)節(jié)控制。

4.1 人工輔助與智能化交叉限幅控制

4.1.1 退火爐分為5段燃燒控制

TE11-1、TE11-2:1段爐膛上、下溫度

TE12-1、TE12-2:2段爐膛上、下溫度

TE13-1、TE13-2:3段爐膛上、下溫度

TE14-1、TE14-2:4段爐膛上、下溫度

TE15-1、TE15-2:5段爐膛上、下溫度

在每段燃燒區(qū)都編制3個軟件控制器,分別為溫度調(diào)節(jié)器,煤氣流量調(diào)節(jié)器和熱風流量調(diào)節(jié)器。其中第1段為預熱段,第2段為加熱段,第3、4、5段為保溫段;每段裝兩個K型熱電偶作為溫度檢測元件,采用維護模式工作。即選其中一檢測點作為溫度調(diào)節(jié)使用,另一點僅作為參考,但當調(diào)節(jié)輸入信號出現(xiàn)錯誤時自動切換到參考點。

4.1.2 煤氣流量進行溫度∕壓力補償

煤氣的工作壓力為2kPa,工作溫度為40℃,實際的煤氣流量使用以下公式進行補正(支管流量取總管的溫度和壓力進行補償)。

其中,壓力單位為 kPa,溫度單位為℃,流量單位為Nm3/h,F0——實際煤氣流量;Fi——測量煤氣流量;P——測量煤氣壓力;Pb——基準壓力;T——測量煤氣溫度;Tb——基準溫度。

4.1.3 熱風量進行溫度壓力/補償

空氣的工作壓力為2kPa,工作溫度為220℃,實際的空氣流量使用以下公式進行補正(支管流量取總管的溫度和壓力進行補償)。

其中,壓力單位為 kPa,溫度單位為℃ ,流量單位為標準 m3/h;F0——實際空氣流量;Fi——測量空氣流量;Pb——測量空氣壓力;P ——基準壓力;T——測量空氣溫度;Tb——基準溫度。

4.1.4 交叉限幅自動燃燒控制

所謂的退火爐燃燒自動控制,實質(zhì)是利用設定值和測量值的偏差,實現(xiàn)爐膛溫度、煤氣流量、空氣流量的自動調(diào)節(jié)。為了實現(xiàn)燃燒過程中空燃比保持在最佳燃燒區(qū)內(nèi),在經(jīng)典控制理論的基礎上曾經(jīng)發(fā)展了多種控制方案,比如并行串級比值調(diào)節(jié)法、單交叉限幅并行串級調(diào)節(jié)法、雙交叉限幅并行串級調(diào)節(jié)法等。本系統(tǒng)采用單交叉限幅并行串級調(diào)節(jié)法控制。其控制原則是:升溫時,煤氣先行;降溫時,空氣先行。采用這種方式,使系統(tǒng)無論在穩(wěn)態(tài)還是動態(tài)的時候,都可獲得較好的空燃比性能。如圖1所示。

圖1 單交叉限幅自動燃燒控制原理圖

R——空燃比系數(shù)。

由圖1可知,在穩(wěn)態(tài)運行時,煤氣與熱風流量均由溫度調(diào)節(jié)輸出A直接給定。

當爐負荷急劇下降時,A下降,A信號與B信號在低選器 LS比較后,取小信號A作為熱風流量設定值;與此同時,A信號與C信號在高選器HS比較后,取大信號C作為煤氣流量設定值。這樣就可以做到在爐溫下降時,熱風領先減小而保持爐膛處于還原氣氛。

當爐負荷急劇上升時,A增大,A信號與B信號在低選器 LS比較后,取小信號B作為熱風流量設定值;同時,A信號與C信號在高選器HS選擇后,取大信號A作為煤氣流量設定值,保證了在爐溫升高時,煤氣先行而空氣后行,爐體仍處于還原氣氛。

針對合鋼鋼管廠目前工藝狀況,考慮到鋼管規(guī)格和品種變化太快,對退火爐輥速進行人工輔助控制,以達到熱處理爐控制精度。

4.2 氣、熱風總管壓力調(diào)節(jié)

眾所周知,在燃燒系統(tǒng)中投入流量控制最基本的條件是壓力穩(wěn)定。在合鋼鋼管廠退火爐中,通過變頻器來調(diào)節(jié)煤氣、熱風壓力。

當煤氣壓力低的時候,煤氣切斷閥動作,切斷煤氣;當煤氣壓力高的時候,煤氣放散閥動作,將部分煤氣放散;當煤氣壓力達到正常值的時候,煤氣放散閥自動關閉。

5 結(jié)束語

輥底式退火爐控制系統(tǒng)在合鋼鋼管廠投運后,至今一直性能穩(wěn)定、運行情況良好。經(jīng)過該系統(tǒng)處理后鋼管明顯品質(zhì)好,大大提高了熱處理生產(chǎn)效率,經(jīng)濟效益顯著。但在生產(chǎn)實踐中,燃燒控制系統(tǒng)的控制參數(shù)還需進一步精調(diào)、優(yōu)化,以達到更好的控制效果。