魏俊 董加旺 張迎昕

（昆鋼板帶廠四輥冷軋車間）

全氫罩式退火爐加熱控制系統(tǒng)應(yīng)用及優(yōu)化

魏俊 董加旺 張迎昕

（昆鋼板帶廠四輥冷軋車間）

全氫罩式退火爐在冷軋生產(chǎn)中有較廣泛的應(yīng)用，而加熱溫度控制是關(guān)鍵技術(shù)之一。本文根據(jù)全氫罩式退火爐的工藝特征，對加熱控制系統(tǒng)深入研究，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，提出優(yōu)化方案并實(shí)施改進(jìn)，從而達(dá)到優(yōu)良的溫度控制方法，提高工作效率。

罩式退火爐；溫度控制；PID增量式控制；PID串級調(diào)節(jié)溫度控制

前言

冷軋帶鋼退火的目的是為了消除軋制過程產(chǎn)生的加工硬化，重塑機(jī)械性能。退火過程中，溫度的控制直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量。昆鋼板帶廠冷軋全氫罩式退火爐的工藝技術(shù)與全套設(shè)備均由奧地利ENBER公司引進(jìn)。隨著新產(chǎn)品的開發(fā)及用戶對產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，原加熱控制系統(tǒng)已不滿足需求。通過對退火的工藝流程進(jìn)行分析研究，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際。應(yīng)用PID串級調(diào)節(jié)改進(jìn)溫度控制的重要環(huán)節(jié)，能夠達(dá)到加熱罩溫度控制的工藝要求，還可以節(jié)約大量的能源，達(dá)到節(jié)能增效的目的。

1 全氫罩式退火爐的主要組成和工藝過程

一座罩式爐主體設(shè)備包括：爐臺(tái)、閥站、內(nèi)罩、加熱罩、冷卻罩、終冷風(fēng)機(jī)等，公輔設(shè)施設(shè)備主要有液壓站、氣體調(diào)壓站、真空站等。罩式爐退火過程主要是根據(jù)不同鋼卷規(guī)格和特性，按照工藝要求采用相應(yīng)的退火工藝曲線進(jìn)行退火。

退火就是將帶鋼加熱到一定溫度保溫后再緩慢冷卻的工藝操作。帶鋼垛放在放料平臺(tái)上，用內(nèi)罩罩住，通過強(qiáng)對流風(fēng)機(jī)使罩內(nèi)氣體快速循環(huán)，以保持爐內(nèi)溫度的均勻性。在這里，有兩個(gè)不同的溫度區(qū)域：內(nèi)罩以內(nèi)的空間溫度稱為內(nèi)罩溫度T1，內(nèi)罩以外、加熱罩以內(nèi)的空間溫度簡稱為加熱罩溫度T2。兩者分別用兩支熱電偶進(jìn)行檢測，加熱罩溫度與內(nèi)罩溫度之間的差值記為△T。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，內(nèi)罩溫度T1才是需要控制的目標(biāo)溫度。而一般的溫度控制方法是將加熱罩溫度T2作為控制信號(hào)，內(nèi)罩溫度T1作為顯示和記錄信號(hào)，所以是一種間接的溫度控制方法。在操作過程中，必須根據(jù)工藝要求的退火溫度預(yù)估給定值，調(diào)節(jié)設(shè)定比較麻煩。內(nèi)罩溫度須加熱保溫在650℃以上，則T2的給定溫度為（650+△T）℃，△T為預(yù)估值，一般為50～100℃左右，如圖1所示。

圖1 退火爐加熱罩結(jié)構(gòu)圖

2 單回路PID增量式調(diào)節(jié)法方法及生產(chǎn)過程中存在的問題

單回路的PID增量式調(diào)節(jié)控制方法：如圖2所示，直接把PID運(yùn)算輸出分別送到定時(shí)器作為給定值，由定時(shí)器控制執(zhí)行器的開關(guān)時(shí)間來調(diào)節(jié)煤氣和空氣閥門的開度，實(shí)現(xiàn)溫度控制。

此控制方式在實(shí)際生產(chǎn)過程中暴露出以下問題：①在煤氣壓力、熱值變化明顯時(shí)該系統(tǒng)不能根據(jù)壓力波動(dòng)及時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，溫度變化不能有效控制。②煤氣不能夠充分燃燒導(dǎo)致大量聚集，打火就會(huì)出現(xiàn)爆鳴，對安全造成極大危險(xiǎn)。③無法點(diǎn)火等原因使加熱升溫時(shí)限延長，能源介質(zhì)消耗增大，不利于節(jié)能。

圖2 PID增量式控制系統(tǒng)

3 優(yōu)化方案

鑒于退火爐的加熱罩溫度T2是靠煤氣和空氣流量實(shí)現(xiàn)的，選用PID串級調(diào)節(jié)方式對溫度和煤空流量進(jìn)行兩級自動(dòng)控制優(yōu)化方案。引入加熱罩熱電偶溫度T2反饋信號(hào)和煤氣、空氣流量變送器信號(hào)（4～20mA）到模擬量輸入模塊，經(jīng)過PLC的PID運(yùn)算，模擬量輸出模塊輸出4～20mA的控制信號(hào)控制煤氣和空氣閥門的開度，以達(dá)到更好的溫度控制效果。

系統(tǒng)中溫度調(diào)節(jié)回路為主回路；流量調(diào)節(jié)為副回路。PID串級控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 PID串級控制系統(tǒng)

退火溫度控制系統(tǒng)中，采集煤氣和空氣流量變送器反饋信號(hào)進(jìn)行另一級PID運(yùn)算，輸出調(diào)節(jié)參數(shù)來輔助主參數(shù)，即煤氣和空氣流量為副參數(shù)。主調(diào)節(jié)器依照主參數(shù)與給定值的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)動(dòng)作，其輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值。流量調(diào)節(jié)給定值由溫度調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)給定，也可以隨流量變送器送來的流量信號(hào)變化，對偏差值進(jìn)行調(diào)節(jié)。

在PID串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)的是爐溫和煤氣、助燃空氣流量。在穩(wěn)定狀態(tài)下，爐內(nèi)溫度維持在給定值不變，煤氣和空氣閥門處于一定開度。當(dāng)煤氣壓力波動(dòng)時(shí)，開始階段首先影響煤氣流量，而爐內(nèi)溫度暫時(shí)不變，故主調(diào)節(jié)器不動(dòng)作，輸出信號(hào)不變，副調(diào)節(jié)器的給定值不變，但由于流量變送器送來的流量信號(hào)發(fā)生變化，于是副調(diào)節(jié)器按偏差值進(jìn)行調(diào)節(jié)，逐漸向原設(shè)定值接近。同時(shí)流量的變化逐漸影響爐溫，從而使主調(diào)節(jié)器投入工作。主調(diào)節(jié)器輸出變化使副調(diào)節(jié)器的給定值變化，副調(diào)節(jié)器按煤氣流量信號(hào)與變化給定值之差進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到爐溫重新穩(wěn)定在正常給定值之內(nèi)。當(dāng)其它原因使?fàn)t溫降低，主調(diào)節(jié)器按照偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，主調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)增加，副調(diào)節(jié)器根據(jù)這一變化的給定值而動(dòng)作，發(fā)出相應(yīng)的調(diào)節(jié)信號(hào)增大煤氣、空氣閥的開度，增加流量，使?fàn)t溫升高，重新穩(wěn)定在正常給定值之內(nèi)。反之，原理相同。所以，閥門的開度位置與被調(diào)參數(shù)之間有著一一對應(yīng)關(guān)系。

用一個(gè)公式來表示調(diào)節(jié)器特性：

式中：Y-調(diào)節(jié)器的輸出；e（t）-調(diào)節(jié)器的輸入，為偏差值；Kp-比例系數(shù)。

由算式看出：調(diào)節(jié)器的輸出和輸入是同步的，只要偏差e（t）一出現(xiàn)，就能產(chǎn)生比例調(diào)節(jié)作用，具有調(diào)節(jié)及時(shí)的特點(diǎn)。

3.1 熱電偶優(yōu)化

加熱罩熱電偶采用雙線熱電偶，作為溫度控制和監(jiān)測元件，其信號(hào)通過加裝的溫度變送器反饋輸出信號(hào)4～20mA引入串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，經(jīng)線性化后與設(shè)定值比較，通過PLC把壓差送到溫度調(diào)節(jié)器，溫度調(diào)節(jié)器的輸出作為煤氣和空氣回路的設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)主回路的溫度控制。

3.2 燃燒控制系統(tǒng)的點(diǎn)火裝置及火焰探測系統(tǒng)優(yōu)化

每組燒嘴都配有一個(gè)點(diǎn)火燒嘴和UV火焰探測器。當(dāng)點(diǎn)火完全成功并且主煤氣閥已打開時(shí)，燒嘴控制才可以操作。如點(diǎn)火時(shí)，通過每組火焰探測器監(jiān)測燒嘴點(diǎn)火情況和故障情況，如燒嘴有故障情況，及時(shí)關(guān)閉相應(yīng)煤氣和空氣閥。燃燒期間，若煤氣和空氣壓力、流量降低過多的情況下，壓力開關(guān)動(dòng)作顯示壓力低，立即停止燒嘴的操作，關(guān)閉相應(yīng)煤氣和空氣閥。一個(gè)燒嘴有故障，只有故障燒嘴自動(dòng)停止工作，其他燒嘴繼續(xù)操作。

4 研究及優(yōu)化成果

通過優(yōu)化后的加熱控制系統(tǒng)，解決了以下幾個(gè)問題：

（1）系統(tǒng)工作頻率提高，加速升溫過程，大大縮短加熱所需的工作周期；

（2）解決了由于煤氣壓力波動(dòng)所引起的溫度波動(dòng)問題；

（3）保證了最佳的煤空比例，溫度得到精確控制；

（4）降低了能源介質(zhì)的消耗，使生產(chǎn)成本大大降低。

現(xiàn)在還形成一套完整的周期維護(hù)模式，定期對燒嘴、電極、燒嘴鏡片進(jìn)行清理檢查。燒嘴控制板、UV檢測儀進(jìn)行調(diào)整，保證控制板接收的信號(hào)穩(wěn)定等內(nèi)容。使系統(tǒng)更為安全、穩(wěn)定，提高了設(shè)備工作效率；降低操作人員的工作強(qiáng)度；節(jié)約了設(shè)備成本；為今后對進(jìn)口設(shè)備研究、維護(hù)、改造提供了依據(jù)和實(shí)例。

5 結(jié)束語

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展使得用戶對鋼板的質(zhì)量提出越來越苛刻的要求，退火控制技術(shù)已經(jīng)成為標(biāo)志現(xiàn)代化板帶冷軋的技術(shù)裝備和自動(dòng)化水平的代表性技術(shù)。掌握該技術(shù)具有增強(qiáng)退火對溫度的調(diào)控能力，使退火工藝趨于合理、保證退火過程順行、提高板材質(zhì)量和生產(chǎn)率、實(shí)現(xiàn)能源介質(zhì)低消耗等效果。

[1]ENBER用戶手冊.

[2]楊獻(xiàn)勇，主編.熱工過程自動(dòng)控制[M].清華大學(xué)出版社，2000.

[3]李紅梅.全氫罩式退火爐的退火過程自動(dòng)控制系統(tǒng)[J].冶金自動(dòng)化，2003.

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2015-12-22