钢坯加热炉温度控制系统

钢坯加热炉温度控制系统设计

摘要

加热炉是制造型行业中的一个重要设备,其作用是把原料加热到某一温度, 进而确保下道工序的顺利进行。同样冶金行业中加热炉是生产环节中重要的热工设备。其加热目的有两点:一提高钢的塑性, 加热温度越高,钢的可塑性越好,反之加热温度越低,可塑性越差,那么加工所消耗的能量越大,轧机的磨损也相应变快,而且温度过低还容易引发断辊事故。二是使钢的内外部温度均匀,否则钢坯通过轧轨时容易产生有质量缺陷的废品。当板坯内外部有温差存在时,其内部将会产生应力,于是通过加热炉的均热后使断面上的温差缩小这样就在很大程度上减少了次品的产生。当然如果加热温度过高也是不可以的,这样会发生板坯过热、过烧,轧制时也要造成废品。因此加热炉的温度控制起着至关重要的作用,直接关系到产量、能源等问题。

以前加热炉的控制多数采用老式的人工控制 ,需要操作人员完全手动控制燃料阀的开度。这样一来,流量控制的精度极差,操作的及时性也大大降低。加热炉的燃烧过程是受随机因素干扰的,具有大惯性、纯滞后的特点。对于这种复杂的控制对象,即使是经验丰富的操作人员,也很难全面考虑各种因素的影响,准确地控制燃烧过程,造成炉温经常偏高或偏低,这些都严重影响了加热炉加热质量和燃耗,甚至影响正常生产。在引入了过程控制系统之后,这一情况得到了大大的改善。

加热炉的生产任务是按轧机的轧制节奏将钢材加热到工艺要求的温度水平和加热质量,其性能直接影响到加热炉的能耗和最终钢材产品质量钢坯成材率、轧机设备寿命以及整个主轧线的有效作业率。钢坯的出炉温度要求在1150~1 250℃,靠操作工人调节阀门来控制炉温的效果很差,粘钢和硬断轧辊的事故时有发生,而且能源消耗特别大,所以关于加热炉自动控制的研究一直备受关注与重视。

关键字:过程控制、温度控制、加热炉

目录

钢坯加热炉温度控制系统设计 . ....................................................................................I 摘要 . ................................................................................................................................I

第一章 引言 . ................................................................................................................. 1

1.1 加热炉一般功能结构 . .................................................................................... 1

第二章 加热炉温度控制系统 . ..................................................................................... 5

2.1串级系统控制概述 . ......................................................................................... 5

2.2温度控制系统概述 . ......................................................................................... 5

2.3炉温控制方案 ................................................ 6

2.4调节器正反作用的确定 . ................................................................................. 8

2.4.1副调节器作用方式的确定 .............................................................. 8

2.4.2主调节器作用方式的确定 .............................................................. 9

第三章 仪器选型 . ....................................................................................................... 10

3.1温度传感器的选择 . ....................................................................................... 10

3.2流量变送器的选择 . ....................................................................................... 10

3.3执行器的选择 . ............................................................................................... 11

3.4调节器的选择 . ............................................................................................... 11

3.5 流量孔板的选择 . ......................................................................................... 13

第四章 总结 . ............................................................................................................... 14

附录 . ............................................................................................................................. 15

参考文献 . ..................................................................................................................... 16

第一章 引言

加热炉直接影响板坯加热质量、燃料消耗、生产节奏等。钢坯加热温度是否合格将直接关系到钢材产品的内在质量。然而在钢坯加热工程中,其温度是不能在线连续测温的,这也就告诉我们不能采用传统的回路控制策略实现钢坯温度的控制。由于钢坯加热过程呈现非线性、强耦合、高阶和时变等复杂特征,钢坯出炉温度与多项工艺参数有关,外加不可测扰动存在,因此钢坯升温过程与各个工艺参数之间关系的精确数学模型很难建立。当然问题总有解决的办法,由于炉内气氛的温度与钢坯温度具有一定的函数关系,因此可采用控制炉内气氛温度的方法来间接控制钢坯温度。

1.1 加热炉一般功能结构

根据加热炉的热制度,可以将加热炉分为三种:一段式加热炉、二段式加热炉和三段式加热炉,其中,应用到钢铁企业的加热炉一般为后两种,钢坯在炉内的运动形式一般为步进式或推钢式,下面围绕几种形式简要介绍一下。

(1)两段式加热炉

沿路长分为加热段和预热段两部分,按加热方式又可分为“单面加热”和“双面加热”两种炉型。一般当坯料厚度大于100mm 是采用双面加热。在两段式加热炉的加热过程中,为保证产量通常加大加热段炉温设定点,这就使出炉钢坯表面和中心存在较大的温差,严重时影响正常轧制。所以,两段式加热炉在实际使用中产量受到一定限制。

(2)三段式加热炉

目前钢铁企业各轧钢厂加热炉普遍使用的一种炉型。它分为预热段、加热段和均热段,相对于两段式加热炉它增加了均热段。该类型加热炉加热段炉温一般比两段式高出50——100℃,在进入均热段式钢坯表面温度已达到或高出出钢温度,在均热段钢坯断面温度逐步均匀,并在一定程度上消除“黑印”。三段式加热炉非常有利于轧机产量的提高。

(3)推钢式加热炉

将钢坯用推钢机从炉尾推入加热炉内,靠推力使钢坯在炉内移动的一种加热炉。推钢式加热炉具有炉内钢坯排列紧密、生产率高的特点,但他对加热控制要求较严格,对操作工人的经验要求较高,容易出现“过烧”、“粘钢”等现象。由于推钢式连续加热炉的长度受到推钢比的限制,以及钢坯、加热质量的要求,发展了机械化炉底的连续加热炉,其中步进式炉是主要炉型。目前,大型热带钢连轧机几乎都采用步进式炉,就是中小轧机也有不少采用这种炉型的。

(4)步进式加热炉

依靠步进梁的顺序、往复运动使被加热钢坯从炉尾移动到出料端,中间经过各加热段,最终是钢坯达到规定的温度后出炉。由于钢坯在加热炉内前、后、上、下均匀受热,所以加热效果良好。加热后,钢坯断面受热均匀,钢坯表面不产生“黑印”、不“粘钢”,工人操作方便,所以目前加热炉内钢坯的运动形式大部分采用“步进式”。宝钢现采用此炉型。步进式加热炉与推钢式加热炉相比,其基本的特征是钢坯在炉底上的移动靠炉底可动的步进梁作矩形轨迹的往复运动,把放置在固定梁上的钢坯一步一步地有进料端送到出料端。

图1.1 三段步进式加热炉结构简图

1.2步进式加热炉的发展

钢坯加热炉是用来将初轧钢坯或者连铸钢坯轧制成最终产品而对钢坯进行再加热的生产设备。按照加热方式的不同可以分为周期式和连续式两种 ,其中连续式加热炉在目前的轧制生产中的应用最为广泛。周期式加热炉是指钢坯在炉内固定不动进行加热的炉子,它不适用于大量生产的情况,通常情况下只应用于某些连续加热炉不能处理的特殊材质和极厚、单重特别大的特殊尺寸的钢坯加

热。连续式加热炉是指形状基本一致的钢坯,在加热炉内不断的移动,从加热炉入口一直移动到其出口处,并且在此过程中对钢坯进行加热的加热炉。

随着国际钢铁需求量的增加,轧机向着高效率和大能力发展,相应地要求板坯加热炉提高其炉床负荷,在有限的空间增加加热能力。因此,连续式加热炉由一段式向多段式发展,进而出现了步进式。这也是最近应用最为广泛的加热炉,它与以前经常使用的推送式加热炉相比有如下一些优点 :

(1)可以加热各种尺寸、形状的钢坯,,特别适合推钢式炉不便加热的大板坯和异型坯。

(2)炉子生产能力大,炉底强度可以达到800—1000kg/(㎡.h) ,与推钢式炉加热等量钢坯相比,炉子长度可以缩短10%—15%。

(3)炉子长度不受推钢比的限制,不会产生拱钢、粘钢现象。

(4)炉子的灵活性大,在炉长不变的情况下,通过改变钢坯之间的距离,就可以改变炉内坯料的数目,以适应产量变化的需要。而且步进周期也是可调的,加大步距即可缩短钢坯在炉时间,从而可以适应不同钢种加热的要求。

(5)由于钢坯不在炉底滑轨上滑动,钢坯下表面不会有划痕,并且钢坯的“黑印”也少,加热质量好。推钢式炉因推力振动,而造成滑轨及绝热材料经常损坏,需要经常维修,而步进式炉不需要这些维修。

(6)轧机有故障或停轧时,能将钢坯退出炉外,以免钢坯长期停留在炉内造成氧化和脱碳。

(7)可以准确计算和控制加热时间,便于实现加热过程的自动化。

步进式炉的缺点是:炉子造价比推钢式炉高15%~20%,炉子耗水量和热耗量也高些。经验表明,在同样小时产量情况下,步进式炉的热耗量比推钢式炉高167.5kJ/kg。

1.3 步进式加热炉工艺流程

在坯料进入到加热炉后,它首先要经过预热段进行缓慢的升温,预热段温度控制在850-950℃,然后再进入加热段进行强化加热使钢坯的平均温度达到轧制温度,加热段温度在1250℃左右,最后钢坯进入到均热段进行均热,使钢坯内外温度趋于一致,均热段温度在1250-1300℃左右。烧嘴分布在加热段、均热段的侧面炉墙的上下部,钢坯加热的生产过程如下:

加热炉的步进梁伸到钢坯底部的辊道之间,步进梁上升,将钢坯抬起一定高度,前进一段距离后停止,下降将钢坯放到固定梁上,步进梁继续下降脱离钢坯,到位后再后退回到下一原位,然后重复上述动作,如此循环往复,使得钢坯步进式前进,循环经过加热炉的各段,最后把加热好的钢坯送到出钢端的出钢悬臂辊道上,然后由该组辊道将其运送出炉,经过高压水除鳞处理后传送到轧机进行轧制 。其工艺过程:连铸出坯焜道—→装料焜道--→ 装料机口--→预热段--→加热段--→均热段。

第二章 加热炉温度控制系统

加热炉燃烧控制系统对加热炉控制来说,占有很重要的地位。它对于坯料加热温度的均匀,温度控制的准确,合理的进行燃烧,节约燃料,减少有害气体对环境的污染,都有重要的意义。对于三段步进式加热炉,预热段内不进行加热,也不需要温度控制。在加热段和均热端,在侧面炉墙的上下部都设有一定数量的烧嘴,各段的炉内温度都独立的进行控制,调节器的输出信号作为空燃比控制系统的设定值,据此来维持炉内温度的稳定。

2.1串级系统控制概述

串级控制系统是两只调节器串联起来工作,其中主调节器的输出作为副调节器的输入。该系统对改善和提高控制品质是一种非常有效的控制方案。由于其结构和单回路控制系统有所不同,因此与单回路控制系统相比有许多显著地优点:改善对象的动态特性,提高了系统的工作频率;能迅速克服进入副回路的二次扰动;对负荷变化的有一定的自适应能力。

串级控制系统的适用场合如下:

(1)容量滞后较大的被控对象。

(2)纯滞后时间比较长的被控对象。

(3)干扰动变化频繁而且幅度大的过程。

(4)给定值需要根据工艺情况经常改变时。

(5)被控对象的特性为非线性,同时负荷变化又很大的场合。

串级控制系统中,由于引入了副回路,不仅能迅速克服作用于副回路内的干扰,也能加速克服主回路的干扰。副回路具有先调﹑粗调﹑快调的特点;主回路具有后调﹑细调﹑慢调的特点,对副回路没有完全克服的干扰影响能彻底加以消除。由于主副回路相互配合﹑相互补充,使得控制质量显著提高。本设计采用此系统进行温度控制。

2.2温度控制系统概述

本设计采用串级控制系统,其结构特点是两个闭环组成组成,分别称作主副回路,变送器调节器各两个,前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定,后一个调节器的输出送往调节阀。加热炉温度串级控制系统结构框图如下图2.1所

示,其中被控变量:炉膛温度;操纵变量:燃料流量。

图2.1加热炉温度串级控制系统结构框图

2.3炉温控制方案

整体设计思路是采用串级控制,但副回路中要包含的控制对象是空气与燃料两种,至于二者以什么样的比例进行配比燃烧就需要介入比值控制,空燃比由比值K 设定。该方案如图2.2所示。

其中:

TC 炉温调节器是串级控制系统的主调节器;

FC204天然气流量调节器;

FC202空气流量调节器。

图2.2 加热炉炉温控制

该方案虽然在一定程度上实现了对炉温的控制,但细分析还是存在弊端的,因为燃料和空气是同时发生变化的,这样一来当温度发生变化时会存氧气供应量不足燃烧不充分现象,势必造成对燃料的浪费及黑烟的污染。所以对此要进行改进,现我们采用带有逻辑关系的比值控制系统,通过加入高低选择器HS 和LS 完成逻辑提降量。如图2.3所示为串级和比值控制系统的组合,炉膛温度和燃料流量组成串级控制系统,燃料流量和空气流量组成比值控制系统。当炉温偏高时,可通过低选器LS 先降天然气量,后降空气量;而当炉温偏低时,可通过高选器HS 先提空气量,后提天然气量,这就确保了在提量和降量时天然气都能充分燃烧。当炉温处于正常值时,系统稳定,高低选失效。

图2.3燃烧改进方案

2.4调节器正反作用的确定

系统投运前必须确定其正反作用,使闭合回路里进行的是负反馈,串级由两个单回路组成,为保证二者都是负反馈方式,就要保证组成该系统的各个环节(变送器、调节器、执行器、被控对象)的极性相乘为正。确定顺序一般是:先确定调节阀的气开还是气关;然后按被控对象特性确定其正反作用;最后根据各环节静态放大系数相乘为正原则确定调节器正方作用方式。变送器的静态放大系数一般为正。

2.4.1副调节器作用方式的确定

根据生产工艺安全等原则,燃料调节阀选用气开式,这样保证当系统出现故障时调节阀处于全关状态,防止燃料进入加热炉,确保设备安全,即调节阀Kv >0。然后确定副被被控对象K 02,当调节阀开度增大,燃料量增大,炉膛温度上升,所以K 02>0。最后确定副调节器,为保证副回路是负反馈,各环节放大系数乘积必须为正,所以副调节器要大于零,则负调节器作用方式为反作用方式。

2.4.2主调节器作用方式的确定

主环内包含主调节器、副回路、主对象和主变送器。由于副回路是随

动控制系统,所以其放大倍数为“+”,因此主调节器的正反作用只取决

于主对象的放大倍数的符号。主对象的输入信号是幅参数燃料流量,输出

信号是主被控参数炉膛温度,前者增大时后者升高,所以主对象K 01>0。

为保证各环节放大系数乘积必须为正,所以主调节器的放大系数K 1>0,

其作用方式为反作用。

第三章 仪器选型

通过查阅书籍以及网上搜索相关资料,各仪器仪表选型如下:

3.1温度传感器的选择

热电偶是一种将温度变化转换为热电势变化的温度检测元件,在工业上非常

常用,尤其在高温领域的测量。其优点:测量精度高、测量范围广、构造简单、

使用方便等。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成,而且不受大小和开头的限

制,外有保护套管,用起来非常方便。由工艺可知,加热炉温度一般在1150~

1250℃之间。所以当温度在 0℃ 至1300 ℃ 时应选用铂铑10—铂热电偶(S 型)。

3.2流量变送器的选择

气体流量变送器是用来计量气体流量的,它是安装在一些管道中记录流过的

气体总量的一类仪表。在化工、冶金等工业部门当中是属于比较常见的一种测量

仪表。本设计采用智能气体涡轮流量计,如图3.1所示。

图3.1 智能气体涡轮流量计

产品特点:

(1)采用新型传感器,始动流量低、压力损失小、抗振与抗脉动流性能好,

不易腐蚀、可靠性好、使用寿命长。

(2)采用新型微处理器与高性能的集成芯片,运算精度高,整机功能强大,

性能优越。

(3)采用先进的微功耗高新技术,整机功耗低。既能用内电池长期供电运行,

又可由外电源供电运行。

(4)按流量频率信号,可将仪表系数分八段自动进行线性修正,可根据用户

需要提高仪表的计算精度。

(5)采用EEPROM 数据存贮技术,具备历史数据的存贮与查询功能,三种历史

数据记录方式可供用户选择。

(6)流量计表头可180°旋转,安装使用简单方便。

高精确度,一般可达±1.5%R 、±1.0%R 。

(7)重复性好,短期重复性可达0.05%~0.2%,正是由于具有良好的重复性,

在贸易结算中是优先选用的流量计。

(8) 可检测被测气体的温度、压力和流量,能进行自动跟踪补偿,并显示标

准状态下(Pn=101.325Kpa,Tn=293.15K)的气体流量;可实时查询温度、压力、

时间、日期等数据。

3.3执行器的选择

执行器由执行机构和调节机构组成。按所用能源形式的不同,执行器可分为

气动、电动、液动三大类。

本设计主要采用气动执行器,为了安全考虑,采用气开式电磁阀,通过控制

阀的开度来实现流量控制。气开型是当膜头上空气压力增加时,阀门向增加开度

方向动作,当达到输入气压上限时,阀门处于全开状态。反过来,当空气压力减

小时,阀门向关闭方向动作,在没有输入空气时,阀门全闭。气动调节阀的气开

或气关,通常是通过执行机构的正反作用和阀态结构的不同组装方式实现。气开

气关的选择是根据工艺生产的安全角度出发来考虑。

3.4调节器的选择

调节器是将来自变送器的测量值与给定值进行比较,对二者产生的偏差进行

比例、积分、微分(PID )运算,最后输出统一标准信号,去控制执行机构的动

作,以实现对温度、压力、流量、等工艺参数的自动控制。

针对本设计,经过查阅资料选择AI-518P 温控仪表 PID调节器, 如图3.2所示。

图3.2 AI-518P温控仪表 PID调节器

技术参数:

(1) 支持各种热电偶、热电阻、线性电压、电流、电阻及辐射(红外)温度计

等,并具备扩充输入插座安装特殊输入规格,0.3级或0.2级(V7.5版)测量精

度。

(2)模块化输出支持SSR 电压、线性电流(电压)、继电器触点开关、可控硅无

触点开关、单相、三相可控硅过零触发、单相可控硅移相触发输出,控制周期

0.5~120秒可调。

(3) 具备标准PID 、AI 人工智能调节APID 或MPT 等多种调节方式,具有自整

定、自学习功能,无超调及无欠调的优良控制特性,亦可使用位式控制(ON-OFF )

功能。

(4 )先进的AIBUS 通讯协议:支持RS485或RS232C 通讯接口,能方便组建中、

小型计算机控制系统。

(5 )支持上限、下限、偏差上限及偏差下限等多种报警功能,并可自由定义4

个报警输出端口,支持多个报警信号从同一位置输出。具备上电免除报警等功能,

避免上电报警误动作。

(6)可将测量值(PV )或给定值(SV )变送为标准电流信号输出,能提供14位

高分辩率、0.2级输出精度及优于100ppm/℃温度漂移性能的电流输出。

(7)可定义参数查看及修改的权限,及允许用户自定义密码,量身定制最符合自己操作习惯的仪表。

3.5 流量孔板的选择

本系统采用BYM —BK 标准流量孔板BYM —BK 。其可用于测量管道中液体、气体、蒸汽的流量。该产品精度高,结构简单,制造成本低,广泛应用于石油、化工、冶金、电力等行业。其测量原理:当充满管道的流体流经孔板时,将产生局部收缩,流束集中,流速增加,孔板前后产生静压差,该压差与流量存在一定的关系,流量越大,压差越大。

图3.3 BYM—BK 标准流量孔板

适用范围

1、公称直径:50mm ≤DN ≤1200mm (超出此范围属非标准节流装置)

2、公称压力:PN ≤16MPa

3、孔径比:0.20≤β≤0.75

4、雷诺数范围:当0.20≤β≤0.45时 5000≤ReD

当0.45≤β≤0.75时 10000≤ReD

5、精度:1级


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