吳森峰

[摘 ?要]本文以臺車熱處理爐監(jiān)控系統(tǒng)為對象，總體性地的分析熱處理臺車爐溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展概況，并且對國內(nèi)外主要系統(tǒng)產(chǎn)品進行了概述，內(nèi)容全面，介紹清楚，有一定參考價值。

[關鍵詞]熱處理 ?爐溫 ?控制

中圖分類號：TD55 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）24-0149-01

1 前言

對金屬材料和金屬制品的性能進行改善的方法之一就是金屬熱處理。金屬熱處理包括有幾個重要過程，首先是對金屬或金屬制品進行加熱，當達到一定的溫度時停止加熱;再使其保持此溫度一段時間;經(jīng)過保溫時間后再按一定速度將其冷卻至某一溫度。熱處理的最終目的是讓金屬的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，達到人們要求的性能，主要的原理是使金屬發(fā)生相的轉(zhuǎn)變。

金屬熱處理在機械制造工業(yè)中具有很高的地位，與別的加工工藝相比較，熱處理工藝主要是改變了金屬內(nèi)部的結(jié)構(gòu)組織，同時在其表面發(fā)生化學反應，將其表面的化學組成進行改變，增強了金屬的使用性，經(jīng)過熱處理后的金屬材料的外形和化學成分通常不會發(fā)生改變。所以為了使金屬材料的力學、物理以及化學的特性能夠達到要求，除了材料選用要合理滿足實際要求，使用特定的成形的工藝以外，還要對其進行一個必不可少的過程那就是熱處理。所以總體來說，熱處理是有利于工件的各種性能的提高，并且改變金屬材料的組織和應力狀態(tài)，對金屬材料的冷、熱加工有良好的影響。

根據(jù)熱處理工藝的過程和對金屬材料影響的條件來看，溫度是金屬熱處理過程中非常重要的影響因素，所以為了保證金屬材料熱處理后的質(zhì)量，在金屬材料進行熱處理的過程中，對熱處理爐內(nèi)的溫度進行控制非常重要。熱處理過程中的溫度上升的過程，主要使溫度達到金屬材料相變溫度以上，這個溫度根據(jù)金屬材料的不同，以及熱處理的目的的不同而產(chǎn)生相應的改變，最后該階段會得到高溫組織。而熱處理過程中的溫度保持過程，是為了使金屬材料性能轉(zhuǎn)變完全，這個變化會根據(jù)目的和材料的不同而有所不同，但都需要一定的時間，不能馬上完成變化。所以在這個階段需要維持其在一定溫度下一段時間，保證金屬材料內(nèi)外的溫度一致，才能得到理想的熱處理結(jié)果。

金屬材料進行熱處理的工業(yè)設備是實現(xiàn)熱處理工藝的關鍵，該設備的性能和好壞，與材料熱處理的效果直接相關。臺車電阻式熱處理爐是進行熱處理加熱的一種大型的熱工設備，它通過移動臺車完成對進出料的間接加熱。首先在爐外裝料，再通過臺車傳動裝置將料拉至爐內(nèi)，當加熱工藝完成后再通過臺車傳動裝置將加熱后的料拉至爐外并卸料，整個加熱過程操作簡單、自動化強度高，是大件集中加熱的一種理想爐型。高溫全纖維臺車式電阻爐是其中的一種，它采用高鋁耐火纖維，屬于輕型爐襯結(jié)構(gòu)，蓄熱能力佳，且散熱損失少，溫度升高得快，節(jié)能效果好。大型高溫臺車式電阻爐多為全纖維結(jié)構(gòu)，對纖維進行二次加工，并在加工時預埋緊固件，充分發(fā)揮了全纖維的特點，大大減少了爐子的熱損失。

臺車式電阻爐屬于典型的熱處理設備;該爐使用電能進行加熱，對工件的熱處理工藝較為簡單，控制過程中控制參數(shù)較少，控制相對于氣氛爐較簡單，實際應用中更易于操作和實現(xiàn)，因此在臺車熱處理爐中應用較為廣泛。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 熱處理臺車爐溫度控制研究現(xiàn)狀

熱處理工藝要求對被控對象進行實時溫度控制，因而實現(xiàn)熱處理工藝的溫度控制系統(tǒng)中采用的溫度控制器要有較強的信號跟蹤能力和良好、穩(wěn)定的動態(tài)特性，以保障溫度控制系統(tǒng)運行過程中可以實時跟蹤預先設定的溫度工藝曲線。針對電加熱爐的溫度控制系統(tǒng)的研究與應用經(jīng)歷了幾個階段：

（1）模擬PID控制方案

采用這種方案，每個爐子要用PID儀表構(gòu)成閉環(huán)控制，如果爐子比較多，所需PID儀表的數(shù)量也成倍數(shù)的增長，相應的成本也將隨之增加，并且這種儀表調(diào)節(jié)不方便，升溫過程緩慢，且難以保證溫度控制精度。

（2）數(shù)字PID控制方案

PID算法簡單易學、調(diào)整參數(shù)簡便，且控制精度也較高，是工業(yè)控制中常用的控制算法。但是，PID算法使用時的局限性較強，只有在系統(tǒng)參數(shù)為非時變時，采用該算法才能達到理想的效果;當把PID調(diào)節(jié)器應用到時變參數(shù)系統(tǒng)中時，系統(tǒng)的性能會變差。針對這些不足，有人提出了直接數(shù)字化（DDC）控制，非線性PID控制算法，在實際應用中取得了一定的成果。

PID控制器工作穩(wěn)定、可靠，被廣泛應用于電阻爐溫度控制系統(tǒng)。臺車爐在加熱工件的過程中，因裝料和卸料都是在爐外進行，使得臺車爐的密封性差，因而臺車爐溫度控制系統(tǒng)為強耦合系統(tǒng)，采用常規(guī)的控制難以獲得滿意的控制效果。與臺車爐相比較，其他爐型也有各自不同的特點，為了滿足各種復雜爐型溫度控制系統(tǒng)的控制需求，大量的學者開始研究先進控制算法。

2.2 熱處理爐溫度控制的國內(nèi)外現(xiàn)狀

在國外，對熱處理爐的溫度、壓力、燃料量、進氣量的等單個重要參數(shù)的控制，早在20世紀60年代就已經(jīng)開始，通過PID調(diào)節(jié)器設置和調(diào)節(jié)重要的參數(shù)，同時還在系統(tǒng)中安裝監(jiān)測的智能儀表實時監(jiān)測大型熱處理爐內(nèi)的溫度、壓力、燃料量和進氣量等，當時使用的PID調(diào)節(jié)器是通過傳統(tǒng)PID算法控制實現(xiàn)，同時控制系統(tǒng)還可以是實現(xiàn)人工遠程的對熱處理爐進行控制。發(fā)達國家在上世紀末就在熱處理溫度控制研究方面取得了較為成熟的研究成果，例如：日本KASHIMA鋼廠以鋼坯作為熱處理研究目標，研究了其出爐溫度，并通過PLC控制器控制鋼坯溫度的空燃比，實現(xiàn)了熱處理爐內(nèi)溫度的最優(yōu)控制;美國CONSHOHOCHEN公司主要研究了熱處理爐的溫度控制，通過空燃比控制法結(jié)合DEV MICRO VAXIII實現(xiàn)了系統(tǒng)溫度控制，并且對爐內(nèi)的壓力控制，系統(tǒng)可以手動設定溫度值，還根據(jù)要求完成生產(chǎn)調(diào)度模型的建立;瑞典DOMNARVET公司對熱處理的溫度曲線進行了研究，根據(jù)得到的最佳曲線，對溫度控制系統(tǒng)進行了研究，并使用PLC控制器完成了實現(xiàn);德國LOI公司主要研究全氫罩式爐退火工藝，對罩式爐車間調(diào)度進行了優(yōu)化處理，并采用模型技術建立了罩式爐的傳熱數(shù)學模型。

Naoharu Yeshiva等人采用多變量自回歸分析法建立控制模型，實現(xiàn)參數(shù)評估的同時也提高了經(jīng)典物理模型的實用度;

Gerard B loch等人應用神經(jīng)網(wǎng)絡控制算法，通過對帶鋼退火熱處理爐熱工性能的研究，建立了熱處理爐溫度的智能控制模型;

張國范等人，利用新式PID自校正控制器，對開環(huán)不穩(wěn)定的非最小相位系統(tǒng)進行了控制。這種新型控制器是使用極點配置控制技術與傳統(tǒng)的PID控制技術相融合而形成，并且這種控制器還可以控制延時不斷改變的系統(tǒng)，該控制器魯棒性很強，在熱處理爐溫度控制中已經(jīng)成功的應用。

3 結(jié)論

本文講述了臺車處理爐監(jiān)控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀，首先介紹金屬熱處理的研究意義，接著從國內(nèi)外熱處理爐控制系統(tǒng)的算法以及各國熱處理爐控制系統(tǒng)的產(chǎn)品進行了全面的分析。

參考文獻

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