徐新樂，蘇　震，王克偉，施建華，孫　林，沈明艷，張　怡

（中國兵器工業(yè)新技術推廣研究所，北京100089）

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燃氣式輥底爐爐溫均勻性研究

徐新樂，蘇震，王克偉，施建華，孫林，沈明艷，張怡

（中國兵器工業(yè)新技術推廣研究所，北京100089）

針對燃氣式輥底爐爐溫均勻性現(xiàn)狀，分析了影響爐溫均勻性的因素，提出了改進爐溫均勻性的措施。實際結果表明：燒嘴分布、熱電偶位置以及爐溫控制方式等對爐溫均勻性影響大。合理分配燒嘴及其功率、準確確定控溫點位置、選擇適當?shù)臓t溫控制方式可以得到較為理想的爐溫均勻性，燃氣式輥底爐爐溫均勻性在±5℃范圍內，超過了國家ⅢA爐±8℃要求。

輥底爐；爐溫均勻性；燒嘴；熱電偶；控制方式

燃氣式輥底爐是鋼板等平板類金屬件熱處理常用的設備，其爐溫均勻性可以直接影響平板熱處理后產品的質量［1］，是輥底爐需要控制的重要參數(shù)。為了提高熱處理爐爐溫均勻性，科研人員開展了多方面的研究。劉增環(huán)等采用k-ε湍流雙方程模型，對臺車爐爐膛內溫度場進行數(shù)值模擬和研究，得出了合理有效組織燃燒的燒嘴布置和偏移角度，保證了爐膛溫度的均勻性，為提高加熱質量和優(yōu)化爐型結構提供了參考依據［2］。潘繼宗等研究了不同爐型影響爐溫均勻性的因素及消除辦法［3］，吳建光等探討了步進梁式燃氣輥底爐爐溫均勻性的優(yōu)化方法［4］，劉峰等利用數(shù)值模擬技術，對一座采用蓄熱燃燒的臺車式加熱爐加熱鋼坯的過程進行了數(shù)學模擬實驗研究，得出了三種不同燒嘴布置方案的鋼坯溫度分布，模擬結果符合現(xiàn)場實際［5］。張西軍研究了臺車式與箱式電阻爐爐溫均勻性差的原因及解決辦法，保障了其爐溫均勻性在±10℃以內［6］。

燃氣式輥底爐爐溫均勻性影響因素很多，主要有爐體結構設計、爐體保溫密封、熱源分布、燃氣的壓力與熱值、測溫點布置、控制方式等。熱處理爐建造完成后，其均勻性的可控因素主要就是測溫點布置與控制方式。

2014年對某公司燃氣式輥底爐爐溫均勻性進行了分析，提出了提高爐溫均勻性的辦法，保證了爐溫均勻性符合工業(yè)爐A標準，不僅有效確保了輥底爐處理鋼板的性能，而且提高了輥底爐的生產效率。

1　燃氣式輥底爐基本狀況

輥底爐有效尺寸為長度×內寬×內高=10 390 mm×2 600 mm×2 355 mm，爐輥直徑Φ210 mm，爐輥運行采用變頻調速，最大速度可達2 m/s；處理最大鋼板規(guī)格是8 000 mm×2 200 mm×22 mm；爐體最高使用溫度為1 000℃，爐溫均勻性要求符合GB/T 9452-2012ⅢA爐溫度均勻性要求。

輥底爐本體由爐體鋼結構、筑爐材料組成。爐體鋼結構由標準的型鋼和鋼板焊接在一起。爐體鋼結構還包括爐輥和燒嘴的支撐和密封件。爐頂及爐輥以上側墻采用陶瓷纖維模塊、纖維毯等輕型結構，可使輥底爐具有較小的熱惰性。爐底及爐輥以下側墻采用粘土磚、保溫磚和絕熱毯等，既保溫又有一定的強度。

燃燒系統(tǒng)由助燃風機、引風機、燃氣閥站、鼓風空氣管道、引風空氣管道、燒嘴等組成，燃料為天然氣。該爐采用明火式燒嘴及換熱器、ON/OFF燃燒控制方式。全爐共有16個燒嘴，該燒嘴是燃燒系統(tǒng)的關鍵部件，其控制原理是燃燒控制器得到計算機控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號，分別向空燃氣電磁閥和點火器發(fā)出動作信號，使燒嘴按預先設定的加熱制度向爐內供熱。每個燒嘴都配有火花電極和火焰監(jiān)測裝置，通過空氣和燃氣在燃燒室內混合，熱風溫度可以達到550℃以上，燃燒更加充分；形成的火焰長度可達500 mm，且火焰噴出速度可達120～150 m/s，保證了火焰在爐內產生充分擾動，從而確保爐內有效加熱區(qū)內的溫度均勻性。

排煙系統(tǒng)由一臺引風機、燒嘴引射器及排煙管道等組成，可以將燃氣燃燒的全部煙氣通過換熱器排出。在靠近引射器出口有一個罩式喇叭管來收集與空氣混合的煙氣，以降低廢氣的溫度，然后匯入煙氣支管、總管，經過排煙引風機進入煙囪排出。

2　控制系統(tǒng)

輥底爐的控制系統(tǒng)由工控機、西門子S7-300系列PLC、Profibus-DP總線、變頻器等構成，包括熱工和傳動控制系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)可以對熱處理設備進行集中操作和控制。輥底式熱處理爐采用自身預熱式燒嘴、ON/OFF脈沖控制、引風機引射式強制排煙。爐輥傳動通過變頻器控制，可實現(xiàn)正反傳動、快慢傳動、爐內擺動。圖1為輥底爐控制系統(tǒng)框圖。

3　均勻性測試

圖1　輥底爐控制系統(tǒng)框圖

輥底爐布置由16只自預熱燒嘴組成，爐輥上下各8只，錯位平行布置，如圖1所示，A序號燒嘴為爐輥上布置，B序號燒嘴布置在爐輥下方。全爐分8個控制區(qū)，每區(qū)控制2只燒嘴，圓點為輥底爐各控制區(qū)測溫點，一至四區(qū)控制熱電偶由爐頂插入，五至八區(qū)控制熱電偶由爐側墻插入（爐輥下方），熱電偶插入點錯開各燒嘴火焰直射區(qū)。依據GB/T 9452-2012［7］采用特穩(wěn)攜式效驗儀（型號JY822，0.02級）及Ⅰ級N型熱電偶對輥底爐的有效加熱區(qū)的溫度進行了測量，同時為分析爐膛溫度分布趨勢，檢測了爐膛橫截面的溫度。由于本燃氣式輥底爐只處理鋼板，因此其有效加熱區(qū)長×寬×高定位為9 000 mm×2 300 mm× 400 mm，依據標準ⅢA爐測量12個點溫度即可，但筆者提高要求，測量了14個點溫度，具體測量溫度點位置如圖2所示。

圖2　輥底爐燒嘴分布圖

4　結果討論與分析

影響輥底爐爐溫均勻性的因素很多，關鍵因素有燒嘴的布置及其功率分布、控制方式及手段、控溫點的確定等。

4.1燒嘴分布及其功率大小

燒嘴分布需要在爐體建造之前設計好，一旦建造好爐體，其燒嘴分布就難以變更。但是，燒嘴的功率可以根據輥底爐實際狀況進行調整。燒嘴的燃燒能力計算公式［8］：

式中：V0為燒嘴燃燒能力；F為燒嘴出口截面積；T0為標準溫度273 K；P為燃氣壓力；ξ為阻力系數(shù)，ρ0為燃氣密度；T為燃氣實際溫度。

由式（1）可知，通過改變燃氣的壓力，同時相應改變助燃空氣的壓力（確定好燃燒充分的空燃比），即可以調整燒嘴的燃燒能力（功率）。

4.2控溫點的確定

輥底爐控溫點的位置至關重要，如果熱電偶放置位置不合適，其爐溫均勻性及準確性是很難保證的。圖3為輥底爐橫截面溫度分布曲線（設定溫度860℃），其中工件有效加熱區(qū)域在距爐頂950 mm以下，這一區(qū)域的溫度與距爐頂330 mm上下區(qū)域的溫度非常接近。因此為了獲得與工藝溫度相一致的控制溫度，控溫點即熱電偶插入位置應確定在距爐頂330 mm附近，這樣既確保了工藝溫度的準確性，又使得工件不會與熱電偶碰撞，同時還可以避免燒嘴燃燒時火焰對熱電偶的沖擊。

圖3　輥底爐橫截面溫度分布圖

4.3控制模式的確定

使用的燒嘴是高速明火式燒嘴，火焰速度快，且火焰較長，每次燃燒及火焰熄滅都會破壞火焰周圍的熱平衡，這些過程既是為有效加熱區(qū)輸送熱能，也是對有效加熱區(qū)的氣氛進行攪動，使有效加熱區(qū)溫度趨于平衡、穩(wěn)定。因此，將控溫點的控溫精度提高，也即處理好控溫點與燒嘴供能、擾動的平衡關系，就能在有效加熱區(qū)得到比較理想的均勻爐溫。從控制角度看，控制參數(shù)與影響控制參數(shù)的因素之間關系越簡單，越易控制。但實際上，影響溫度控制的因素很多，其關系復雜、非線性，且耦合因素多。為此，主要采取了一些簡化的方式：

（1）控溫對象不考慮其數(shù)學關系，只將其作為一個黑盒子考慮，即只考慮輸入與輸出；

（2）每個控溫點要控制多個燒嘴的通斷，不考慮每個燒嘴的工作狀況，將一個控溫點控制的所有燒嘴作為一個整體來考慮；

（3）設定溫度高低限，高于高限，則關閉此控溫點控制的所有燒嘴，低于低限，則打開所有燒嘴，在高低限之間則按照專門的PID算法進行控制。圖4為輥底爐爐溫均勻性測試結果 （設定溫度860℃），其均勻性較好，達到了設計要求。

圖4　均勻性檢測溫度分布圖

5　結論

通過對燃氣式輥底爐控溫點的確定，控制模式的選擇，其溫度控制比較理想，達到設計要求，但也發(fā)現(xiàn)了一些問題：一是本輥底爐燒嘴布置不甚合理，爐輥以上燒嘴布置太多，其利用率較低，特別是在冷爐升溫和有工件保溫階段，燒嘴開通時間很少，以至于燒嘴外觀因熱變色，不美觀；二是爐輥上下的燒嘴功率分布不合適，爐輥上燒嘴功率明顯偏大，既浪費資源，也增加了制造成本。實際上爐溫達到900℃或以上時，爐輥已成為了一個相對穩(wěn)定的熱源（紅熱狀態(tài)），當工件進爐后，通過燒嘴快速補充工件加熱所需熱能，設計時燒嘴功率只要滿足最大工件加熱工藝要求時間就可以，當然需要加入爐體本身的熱損失。輥底爐的爐溫均勻性控制是一個系統(tǒng)工程，要實現(xiàn)理想的均勻性要求，需從爐體設計開始，全方位考慮其影響因素。

［1］唐鄭磊，張紅偉，楊東，等.輥底式熱處理爐過程控制系統(tǒng)及應用［J］.金屬材料與冶金工程，2011，39（3）：19-23.

［2］劉增環(huán)，王利珍，何廣祥.加熱爐爐溫均勻性優(yōu)化控制研究［J］.工業(yè)爐，2011（1）：9-11.

［3］潘繼宗，王光霞.影響爐溫均勻性的因素及消除辦法［J］.四川兵工學報，2003，24（2）：36-37.

［4］吳建光，秦建超.加熱爐優(yōu)化爐溫分布均勻性的研究［J］.冶金自動化，2011（S2）：441-443.

［5］劉峰，朱梅，劉坤，等.蓄熱式臺車加熱爐加熱鋼坯溫度均勻性數(shù)值研究［J］.冶金能源，2011，30（1）：27-29。

［6］張西軍.電阻加熱爐爐溫均勻性差的原因及解決辦法［J］.金屬熱處理，2011，36（9）：112-113.

［7］國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.熱處理有效加熱區(qū)測定辦法［S］.北京，中國標準出版社，2012.

［8］蒂姆恰克，占索夫斯基.加熱爐與熱處理計算手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1989.

Research of Temperature Uniformity in Gas Roller Hearth Furnace

XU Xinle，SU Zhen，WANG Kewei，SHI Jianhua，SUN Lin，SHEN Mingyan，ZHANG Yi
（Advanced Technology Generalization Institute of China North Industries Group，Beijing 100089，China）

Aiming at the situation of gas roller hearth furnace temperature uniformity，the factors affecting furnace temperature uniformity are analyzed，and the improvement methods are presented.Actual results show that the burners scatter，thermal couple place and furnace temperature control mode affect obviously temperature uniformity.Rational distribution of burners and their power，precise fixing temperature position and proper control mode can get ideal furnace temperature uniformity，the gas roller-furnace′s range is±5℃，which is aboveⅢA furnace′s±8℃.

roller hearth furnace；furnace temperature uniformity；burner；thermal couple；control mode

TG155.1

B

1001-6988（2016）02-0055-03

2015-12-24

徐新樂（1962—），男，研究員，從事自動控制與熱工工作.