張博健，丁新麗，董恒峰，劉鵬飛

（新疆眾和股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830013）

有色金屬是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)材料，航空、航天、機(jī)械制造、電力、通訊、建筑、家電等絕大部分行業(yè)都以有色金屬材料為生產(chǎn)基礎(chǔ)[1]。鋁是強(qiáng)度低、塑性好的金屬，在鋁中加入合金元素，就能使其組織結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生改變，適應(yīng)作各種加工材或鑄造零件[2]。目前鋁合金是應(yīng)用最多的合金。鋁合金元素不同，其應(yīng)用場(chǎng)合也有所不同，加工工藝也有所不同。多數(shù)鋁合金材料需要經(jīng)過(guò)熱處理，才能提高其力學(xué)性能，耐腐蝕性能，加工性能及穩(wěn)定性。隨著社會(huì)發(fā)展速度增快，對(duì)材料的性能要求越來(lái)越嚴(yán)格，因此，對(duì)合金熱處理工藝有了更高的標(biāo)準(zhǔn)及要求，這就要求熱處理鋁合金過(guò)程中的溫度的控制極其重要。

1 均質(zhì)爐的組成以及功能

20T均質(zhì)爐主要組成有爐體鋼結(jié)構(gòu)（包含軌道）、熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)、吹洗風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、爐門(mén)壓緊裝置、導(dǎo)流板、加熱器、熱電偶及料車(chē)料架。均質(zhì)爐加熱器頂置，共24只卡扣加熱器，每區(qū)12只，通過(guò)側(cè)置的2臺(tái)循環(huán)風(fēng)機(jī)對(duì)爐膛強(qiáng)制熱風(fēng)對(duì)流加熱。主要均質(zhì)的產(chǎn)品為直徑370mm到630mm鋁合金圓棒，圓棒最大長(zhǎng)度為6m，滿(mǎn)爐裝料數(shù)量根據(jù)直徑不同也有所不同。爐氣最高溫度為545℃，金屬材料均熱最高溫度為510℃～520℃，爐膛保溫均勻性為±3℃。均質(zhì)的工藝設(shè)置參數(shù)為加熱模式、爐氣溫度、加熱時(shí)間、加熱速率、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)向和料溫溫度等。

均質(zhì)的作用為消除圓鑄棒內(nèi)部應(yīng)力及組織不均勻。因?yàn)樵阼T造鋁合金圓棒過(guò)程中，熔煉好的鋁液在一定工藝下，通過(guò)深井鑄造系統(tǒng)，冷卻鑄造成各種規(guī)格的圓鑄棒[3]。這會(huì)使鋁棒內(nèi)部有化學(xué)成分和組織有不均勻的現(xiàn)象，同時(shí)內(nèi)部一般都存在著殘余應(yīng)力。為了消除鋁棒的殘余應(yīng)力，消除鋁棒化學(xué)成分和組織的不均勻，細(xì)化晶粒，進(jìn)而改善鋁合金圓棒加工工藝性以及制品的某些最終性能，這就要對(duì)鋁棒進(jìn)行均熱處理，即均質(zhì)。

2 影響金屬溫度均勻性的因素

為了滿(mǎn)足客戶(hù)對(duì)材料性能的要求，所以對(duì)爐內(nèi)金屬溫度控制提出更高的要求，這就意味著，均熱時(shí)金屬的溫度控制極其重要。

（1）測(cè)溫裝置誤差的影響。均質(zhì)爐爐氣測(cè)溫共有24只熱電偶，每區(qū)12只，熱電偶分別位于左右側(cè)墻上。均熱過(guò)程中，控制系統(tǒng)以側(cè)墻的熱電偶為基準(zhǔn)對(duì)區(qū)域內(nèi)的爐氣進(jìn)行加熱，即測(cè)溫裝置的直接參與溫度控制。在溫度的控制直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量以及設(shè)備運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)型，對(duì)生產(chǎn)效率的提高和能耗的降低是至關(guān)重要的。測(cè)溫儀器的不準(zhǔn)確性，使實(shí)際爐氣溫度與監(jiān)測(cè)溫度出現(xiàn)偏差，區(qū)域之間升溫速率不一，導(dǎo)致?tīng)t氣均勻性變差。爐氣均勻性與料溫均勻性之間是因果關(guān)系，爐氣均勻性的好壞直接影響到金屬溫度的均勻性。

（2）棒料擺放位置的影響。鋁棒的擺放位置對(duì)爐內(nèi)溫度的均勻性也會(huì)產(chǎn)生影響。由于爐體的循環(huán)風(fēng)機(jī)為側(cè)置式，在加熱過(guò)程中，熱風(fēng)通過(guò)側(cè)置風(fēng)機(jī)吹送至導(dǎo)流板，再由導(dǎo)流板將熱風(fēng)吹送至爐內(nèi)各處，所以當(dāng)鋁棒擺放位置離側(cè)墻越近時(shí)，熱風(fēng)導(dǎo)流變差，流通不暢，各點(diǎn)溫度不同，導(dǎo)致金屬溫差變大，溫度均勻性效果變差。

（3）導(dǎo)流板變形的影響。導(dǎo)流板是爐內(nèi)熱風(fēng)循環(huán)的關(guān)鍵，導(dǎo)流板有厚度，材質(zhì)的要求，安裝有特定的角度。導(dǎo)流系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)和布置，可調(diào)節(jié)和改善爐膛氣流的分布情況，提高爐膛內(nèi)溫度的均勻性，提高金屬溫度的均勻性[4]。反之，將對(duì)金屬均勻性有很大的影響。

（4）爐門(mén)密封的影響。均質(zhì)爐爐門(mén)壓緊采用的是液壓壓緊的方式，爐門(mén)外部與爐體接觸面為一圈密封石棉繩。爐門(mén)因?yàn)橐簤簤壕o泄壓、壓緊限位位置和爐門(mén)密封石棉繩破損、錯(cuò)位、脫落等問(wèn)題造成爐門(mén)整體密封不嚴(yán)時(shí)，爐內(nèi)熱量從爐門(mén)溢出，與外界空氣形成對(duì)流，保溫加熱效果變差，增大使用電量，并且嚴(yán)重影響到金屬溫度的均勻性。

（5）PID參數(shù)的影響。由于工業(yè)爐的控制是一個(gè)比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，爐氣溫度具有較大的慣性，并且溫度上升具有滯后性，本身時(shí)間常數(shù)大，爐氣溫度變化較慢，普通的連續(xù)控制方式不能解決控制精度，非常容易產(chǎn)生爐氣超溫的現(xiàn)象[5]。因此現(xiàn)在普遍采用比例積分微分控制，即PID控制，由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應(yīng)用在工業(yè)過(guò)程控制，但是由于各個(gè)參數(shù)選取須兼顧動(dòng)態(tài)與靜態(tài)性能置指標(biāo)，PID參數(shù)的選取一直是個(gè)難題。不合適的PID的參數(shù)會(huì)造成加熱過(guò)程中加熱器反應(yīng)速度滯后，加熱功率忽大忽小，導(dǎo)致?tīng)t氣溫度性效果變差，造成爐氣過(guò)溫欠溫現(xiàn)象，影響金屬溫度均勻性。

圖1：PID控制結(jié)構(gòu)圖

3 控制方法與措施

（1）測(cè)溫裝置的控制方法。溫度的測(cè)量是生產(chǎn)中一個(gè)重要的指標(biāo)，其精度會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的加熱環(huán)節(jié)，所以應(yīng)定期對(duì)測(cè)溫儀器的準(zhǔn)確性進(jìn)行校正。一般為三個(gè)月對(duì)測(cè)溫儀器定期檢驗(yàn)一次，淘汰或修正不合格的熱電偶。可以對(duì)熱電偶采用1、熱電動(dòng)勢(shì)補(bǔ)正法2、參考端溫度補(bǔ)償器法3、調(diào)儀表起始點(diǎn)法等方法來(lái)對(duì)修正誤差。

（2）棒料擺放位置的控制方法。需依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，摸索出生產(chǎn)過(guò)程中能保證同一爐次金屬均勻性最優(yōu)的爐內(nèi)鋁棒擺放位置。根據(jù)鋁合金棒牌號(hào)、直徑及長(zhǎng)度，制定出20T均質(zhì)爐鋁棒擺放位置的規(guī)范化、精細(xì)化和標(biāo)準(zhǔn)化的方法，進(jìn)而提高爐內(nèi)熱風(fēng)場(chǎng)導(dǎo)流能力，有效控制升溫過(guò)程中各個(gè)鋁棒的溫度均勻性，將各個(gè)鋁棒間的溫差降到最低，確保均熱后各方面性能到達(dá)要求。

（3）導(dǎo)流板變形的控制方法。依據(jù)爐體圖紙，咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)工程師，分析論證導(dǎo)流板變形對(duì)爐內(nèi)溫度均勻性產(chǎn)生的影響，測(cè)量爐內(nèi)導(dǎo)流風(fēng)風(fēng)量及風(fēng)向，根據(jù)問(wèn)題編制相應(yīng)的技術(shù)解決方案。重新制作或加固導(dǎo)流板等。

（4）爐門(mén)密封的控制方法。檢查液壓系統(tǒng)的密封件，檢查密封件有無(wú)質(zhì)量問(wèn)題，是否存在缺陷，檢查密封件的選用是否滿(mǎn)足工作壓力、工作速度和溫度等要求。檢查液壓系統(tǒng)的油液，油液是否被污染，加強(qiáng)污染源的控制，采用有效的過(guò)濾的措施和定期對(duì)油液質(zhì)量檢查[6]。調(diào)整爐門(mén)壓緊限位，保證爐門(mén)壓緊處爐門(mén)不漏風(fēng)。每次爐次結(jié)束后，檢查爐門(mén)密封石棉繩，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)位、脫落和破損現(xiàn)象時(shí)，及時(shí)更換新密封石棉繩。

（5）PID參數(shù)的控制方法。由于均質(zhì)爐按區(qū)域進(jìn)行加熱，需根據(jù)區(qū)域情況分別設(shè)定最佳的PID參數(shù)，其PID的數(shù)學(xué)模型如下：

其中kp為控制器比例系數(shù)，比例環(huán)節(jié)的作用是對(duì)偏差做出反應(yīng)，當(dāng)偏差產(chǎn)生時(shí)，控制器立即產(chǎn)生控制作用，減小偏差。其中kp越大，控制作用越強(qiáng)，偏差越小，但是kp會(huì)造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。Ti為控制器的積分時(shí)間，也稱(chēng)積分系數(shù)，積分的調(diào)節(jié)作用會(huì)消除靜態(tài)誤差，但會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)超調(diào)量[7]。其中Ti越大，積分積累作用越弱，消除靜態(tài)誤差速度越慢，減少系統(tǒng)超調(diào)量。Td為控制器的微分時(shí)間，也稱(chēng)微分系數(shù)。微分的作用是阻止偏差的變化，微分時(shí)間Td越大，能加快系統(tǒng)響應(yīng)，有效減小超調(diào)，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。實(shí)際P，I，D的參數(shù)的確實(shí)可參照經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)：溫度T:P=20～60%，T=180～600S，D=3～180S。

4 結(jié)語(yǔ)

溫度是工業(yè)過(guò)程控制中的主要參數(shù)之一，在均質(zhì)爐生產(chǎn)過(guò)程中，溫度的均勻性對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生的對(duì)金屬溫度均勻性影響的因素，提出了相應(yīng)的控制與解決方法。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)以上控制措施的實(shí)施，降低了爐內(nèi)金屬之間的溫差，確保金屬其力學(xué)性能，耐腐蝕性能，加工性能及穩(wěn)定性符合要求。