变频技术在工业热处理炉上的应用

夏明兰

XIA Ming-lan

（南京铁道职业技术学院 苏州校区，苏州 215137）

0 引言

我校校企业合作企业所采用强制空气循环电加热方式铝及铝合金进行退火炉，最大装炉量10t，加热器安装功率600KW，温度控制采用晶闸管调功器，自动控制炉温，能现实适时记录。主要温度控制点为：100℃,250℃,450℃,600℃，炉内温度及金属温度误差要求控制在±3℃范围内。

1 存在问题

根据生产实际及工艺需要，退火炉内的空气循环系统是保证铝合金达到加热温度及均匀性的关键，为了强化炉膛内的热交换，现采用循环风机强制炉内热空气循环来保证温度的均匀性。一般类似的工业炉循环风机转速为高低两档，当炉内温度大于200℃时循环风机由低速挡自动转为高速挡。由于在中高温段(即均热，退火温度段)都有成熟的经验来保证炉温的均匀性，即当炉膛内温度升到200℃以上时，循环风机由低速转高速，按工艺设定的温度控制曲线进行升温、保温，就能保证堂内温度的均匀性，而该厂铝合金用退火炉，还需要在100℃左右的低温段对金属温度进行定时温度处理，循环风机低速运转就难以确保要求的温度误差。这是因为即使在不开加热器的情况下，循环风机运转产生的热量也会使温度波动，在低温段这就很难保证金属温度均匀性。因此，如何控制循环风机的转速是解决该退火炉低温段，炉膛温度是否均匀的关键。

2 改进措施

传统的退火炉计算机控制系统框图（如图1所示）。该系统主要由PLC逻辑控制系统，温度控制系统，晶闸管调工器控制系统，循环风机转速控制系统及其他辅助控制系统组成，其控制对象为：电加热器，循环风机，炉门电机，冷却风机等。其中温度控制系统是控制的核心，它是通过智能仪表来完成温度的闭环控制，其工作原理如下：操作台根据工艺要求将工艺参数设定值输入温度反馈信号，经冷端补偿，线性化处理，PID运算，将运算结果作为给定值输入进闸管调功器，调功器将根据给定值改变调功器输出的占空比，从而改变加热器的加热功率达到精确控温的目的。

图1 退火炉计算机控制系统框图

用对该工业炉控制系统来讲，循环风机控制是保证炉膛温度均匀性的主要因素，其控制方式如下，当加热温度在200℃以下时，循环风机低速运转；当加热温度升到200℃以上时，循环风机有低运转转高高速运转，按设定温度曲线进行退火处理。由于传统工业炉控制装置只有高，低速两档不能满足该“多用途炉”对循环风机的调速要求，为了保证该“多用炉途”温度的均匀性，通过控制循环风机转速使其能保证炉膛的均匀性，由于循环风机功率37KW，功率较小，所以采用变频器来控制循环风机转速即经济又易于实现。

3 循环风机变频调控原理

交流电动机的输出功率为P=MZw，式中MZ为电动机转矩，w为电动机的旋转角频率。循环风机负载特性为MZ∞Kw，即：P∝Kw，式中K对于循环风机而言为一定常数。因此，对于交流异步电动机实施变频调速就可改变循环风机的转速，从而改变炉膛内热空气的循环。变频调速的基本原理是根据电动机转速与输入频率的比值的线性关系，即：n=60f(1-s)p，式中N电动机的转速；为电动机定子供电频率；P为电动机磁极对数；S为电动机转差率。

从上式中可以看出，通过改变供给电动机电源的频率，可以实现改变循环风机转速的目的。因此可根据工业炉的不同用途，设置相应的电源工作频率，以调整循环风机的转速来调节堂内热空气的循环，保证炉膛内炉气及金属温度的均匀性，满足生产工艺要求。

4 实施方案

根据上述对循环风机转速控制原理分析，结合该工业炉具体结构及特点，改进该工业炉循环风机变频控制系统（如图2所示）

现场退火炉变频器为ABB ACS-40-37KW,两台风机并联运行，整个炉子工作过程分为四个阶段：加热、除油吹洗、再加热、保温等。在整个炉子工作过程中，为了保证炉温温度均匀，循环风机一直工作，在每一个阶段，变频调速控制系统都相同，采用变频器温度闭环调速装置来实现，即：只需通过采集炉内温度信号，返馈给变频器的反馈输入端，由变频器内部PID运算后，控制变频器输出，来改变变频器风机速度快慢。另外，包括循环风机的高速运转、低速运转、启动、停止、正转、反转及变频器故障处理、炉门关上压紧后，循环风机即可启动，加热器加热，该系统控制以及连锁保护都由PLC来完成。其中循环风机的启动，停止既可由PLC自动控制，又可通过变频器上的控制装置进行控制。作为退火炉使用时，按工艺要求参数设定相应温度控制区间进行加热，退火，来保炉温的均匀性以保证产品质量。

图2 循环风机变频控制系统框图

5 实际运行效果

采用变频器控制循环风机转速后，通过空炉测温及待料测温表明，该方案达到了预期目的，取得了较好效果。其空炉及待料试车测温结果分别如表1和表2 所示。

表1 空炉测温记录

表2 待料测温记录

从表 1可以看出，低温段即100℃点空炉试车时，频率设定为15HZ，实测9点，各点温度均控制在±3℃内，达到了工艺要求。其它各温度段亦控制在±3℃范围，保证了炉温的均匀性。从表2可以看出，低温段100℃带料试车时，频率设定35HZ，其他各温设定为50HZ，炉气温度均控制在±3℃内，满足工艺要求。

综上所述，采用变频器控制循环风机转速既保证了在低温段（100℃）金属温度的均匀性，又保证了中高温段退火时金属温度的均匀性，满足了生产工艺要求。同时采用变频调速器装置，循环风机能实现软启动，降低启动噪音，提高了皮带的使用寿命。采用变频调整装置，还可缩短加热时间，提高加热质量，节能效果显著，具有显著的社会效益和经济效益。

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