步进式淬火炉与回火炉的自动控制

黄旭东

【摘 要】随着当前社会经济的快速进步，工业企业也得到了极大的发展，工业企业在发展中有效的加强科学技术的研究以及创新。在管加工热处理生产线中，对于淬火炉与回火炉的应用非常普遍，本文仅就步进式淬火炉与回火炉的自动控制进行较为详细地阐述和分析。

【关键词】步进式；淬火炉；回火炉；自动控制

步进式淬火炉与回火炉的工艺功能

淬火炉和回火炉的生产工艺过程如下：

由上游生产线输送来的成品无缝钢管按预定的生产计划送至炉前上料辊道上，经炉前上料辊道和炉内辊道配合将钢管送入淬火炉（回火炉）内，钢管在淬火炉（回火炉）内由步进梁从装料端输送到出料端，同时加热到热处理工艺要求的温度。根据出钢要求钢管由出料辊道送出炉外进入下一道热处理工序。

当成品无缝钢管送至炉前上料辊道上，同时将钢管的基本数据传输至淬火炉和回火炉的计算机系统，由自动化程序进行工艺过程的监控和

跟踪。

钢管由炉内悬臂辊道侧装料和侧出料。装出料辊道为V型辊，张角130?，采用变频调速电机单独驱动，以便与炉外辊道速度相匹配。同时在两座炉子的装料端 （淬火炉与回火炉均为单侧装料）装有检测光电管，以保证入炉钢管在炉内装料辊道上准确定位。

入炉的钢管在炉外一定距离处等待，当接到允许钢管入炉信号后，炉外辊道及炉内装料辊道启动，待钢管运行到指定位置后装料辊道停止

转动。

进入炉内的钢管在装料辊道上定位后，随即被步进梁（包括活动梁和固定梁）支托，并通过活动梁上升—前进—下降—后退的周期运动从装料端向出料端移送。步进梁的形状是弧形齿槽，不但适合于钢管的等间距布置，而且钢管在每前进一步的过程中，都能转动一个角度。即活动梁将钢管托起、前进，放到固定梁上，完成一个步距的前进；同时利用活动梁的前进步距（180mm）小于固定梁的齿距（220mm），使钢管每前进一步都能在固定梁上转动一个角度。如此，钢管在前进的同时被逐渐加热，不僅使钢管的加热温度更加均匀，同时还可以避免钢管在炉内的弯曲变形。

待钢管被加热到指定温度并被保温至预定的时间后，由活动梁送至出料悬臂辊道上，由出料辊道送往下一道处理工序。

步进炉的炉区设备有：装料炉门、炉内装料辊道、步进机械、炉内出料辊道、出料炉门以及液压站、风机等介质系统。炉区设备的控制包括以上各单体设备的控制设定及所有上述设备的顺序联锁控制。控制方式为：手动，半自动和自动控制。

手动控制：当操作人员就地发出一个动作指令时，各单体设备能完成一个单独动作，或相互配合各设备按照联锁关系相应动作，或调试时某一设备发出信号，其它设备停止运转（安全措施）；

半自动控制：当操作人员给出一个单循环操作信号，炉区各设备按联锁关系相互配合自动完成一个单循环动作；

自动控制：炉区各设备按联锁关系自动进行循环控制。

步进式淬火炉与回火炉的自动控制

（一）控制系统介绍

（1）淬火炉的控制系统构成

淬火炉的控制系统由以下几部分构成：淬火炉主操作台、HMI淬火炉操作员画面、机旁操作箱、PLC系统。

（2）回火炉的控制系统构成

回火炉的控制系统主要有以下几部分构成：回火炉主操作台、HMI回火炉操作员画面（为操作方便，与淬火炉画面同时显示在一个界面）、机旁操作箱、PLC系统。

本项目采用西门子S7-300系列PLC系统，HMI画面采用WINCC 7.0。

（二）HMI操作画面

图1 主画面举例

图2 跟踪画面举例

图3 报警画面举例

（三）功能简述：

主画面：主画面可以显示淬火炉和回火炉中主要设备的运行状况，相关数据的输入和控制方式的选择。主要包括：

（1）装出料炉门手动、自动控制方式的选择；

（2）装出料辊道手动、自动控制方式的选择，辊道运行速度的设定与显示；

（3）步进梁周期运行时间特别是拐点等待时间的预设与显示；

（4）钢管炉内定位方式的选择；

（5）选择手动输入钢管信息或从二级系统获取钢管信息；

（6）选择是否进行隔齿布料；

（7）在液压站画面中可以监视液压站内相关设备的运行情况，以及液压系统油箱温度、压力、液位等信息。

跟踪画面：在跟踪画面中可以监视钢管在炉内的运行位置信息及钢管信息，可以手动干预炉内各个位置有钢无钢信息；可以在签到表中实现各班签到及相关工作量的统计。

报警记录画面：在报警记录中可以监视淬火炉及回火炉控制系统运行中出现的所有故障，以及出现故障的时间等信息，并可对上述故障进行确认。

（四）炉区设备的自动控制和设定

1、钢管入炉定位

为了使钢管在上步进梁时不会横向跑偏，必须使钢管在炉内装料辊道上准确定位。本套系统可以根据实际情况（如不同长度的钢管坯料）选择定位方式，同时可以选用编码器定位或光电定位。由于采用编码器定位难以克服入炉辊道打滑、钢管轻度弯曲造成辊道空转等弊端，步进式加热炉普遍优先采用炉内和炉外光电管配合的方式进行装料定位。

当钢管的头部被炉外光电管检测后，炉内辊道速度高速转动，当钢管的头部被炉内光电管检测后，经过△t时间后，炉内辊道减速，低速运转的炉内辊道在料坯运行一段距离S后制动，从而料坯按布料图在炉内装料辊道上准确定位。△t理论计算公式：

△ t=（A-S）/V

公式中：A—钢管在炉内定位后，钢管端头至炉内光电管的距离（m），为固定值；

S—低速运行和制动的距离（S初定为500mm）；

V—高速运行速度m/s；

在调试中以此为依据，可以通过实测来校核调整。

2、步进梁控制

步进梁可以通过集中操作台和就地操作箱分别实现集中和机旁手动控制。

1）当选择集中控制方式且步进梁控制方式选择“手动控制”时，可以在集中操作台或机旁操作箱上手动控制步进梁的分解动作，及上升、下降、前进、后退。

2）当选择集中控制方式且步进梁控制方式选择“自动方式1”时，可以在集中操作台实现步进梁的正循环、逆循环的连续控制，步进梁踏步和中间保持操作。

正循环：步进梁的运动轨迹为0→1→2→3→0，即上升、前进、下降、后退，将钢管从装料端输送到出料端。如图4

图4 图5

逆循环：步进梁的运动轨迹为0→3→2→1→0，即前进、上升、后退、下降，将钢管从出料端向装料端运行，倒空炉子，此时为手动半自动控制。如图5

踏步：活动梁作上升、下降运动，40mm行程的前进、后退运动称为踏步。当管加工线停机时间不超过20分钟，远大于出钢周期时，为了保证钢管与活动梁和固定梁接触时间尽可能相等，不至于温度过高而导致钢管发生形变，活动梁进行踏步动作：活动梁相对固定梁上表面上升100mm，前进40mm，下降100mm，后退40mm，此时钢管在原齿槽内转动一个角度，系统中每次踏步周期时间设置为4分钟。

中间位置保持：当管加工线停机时间超过20分钟，炉子长时间不出钢时，为了防止钢管下弯，要求活动梁上表面与固定梁上表面停在一个标高处，即：活动梁与固定梁同时支撑钢管，叫中间位置保持，开轧前20分钟再转入踏步控制。

3）当选择集中控制方式且步进梁控制方式选择“自动方式2”时，可以在集中操作台实现步进梁的连续自动装料、自动出料和自动装出料整周期運动的控制，自动状态下可以根据实际需要在画面中选择隔尺或不隔尺操作（如图6所示）。

（六）步进梁全自动控制方式

1、全自动装料周期

当选择全自动装料时，系统检测到炉外有钢且装料辊道上没有钢，则自动执行步进梁停在后下位，装料炉门升起，钢管由炉外进入炉内。系统判断装料辊道有钢则步进梁自动执行一次“正循环”，若选择隔尺操作则步进梁连续运行两次“正循环”，并以此类推。当跟踪表倒数第2位即和出料辊道相邻的槽有钢且无出钢要求时系统自动停止自动装料动作，如有出钢要求则步进梁再向出料方向行走一步，执行出钢动作。全自动装料周期的原则是，“若要出料一支，则必须装料一支”，以避免空炉。若无出钢要求，则装料至满炉为止。

图6

2、全自动出料周期

全自动出料周期的原则是“只出料不装料”，即当选择全自动出料周期时，不执行装钢动作，只执行出钢动作，用于执行清空炉子的操作。若跟踪表中出料辊道无钢，则步进梁执行“正循环”，出料辊道有钢则步进梁自动停止“正循环”。出料辊道接到要钢信号后执行一次出料动作，出料辊道再次无钢则步进梁继续执行“正循环”。如此循环直至将炉内钢管全部出炉，通过操作台手动停止出料周期动作。

当要求炉子的出钢周期比步进周期略长时，把多出的时间作为“等待”分配到步进梁轨迹的拐点0、1、2、3的位置上，使活动梁动作状态的时间加等待时间之和与出钢周期要求的时间相等。步进周期时间需要在画面中进行人为设定，而步进梁实际运行时间由系统自动算出并显示在画面中。

结语

对于步进式淬火炉与回火炉的自动控制的应用，在一定程度上能够提高企业的经济效益，同时可促进企业的快速发展，提升产成品质量。

参考文献：

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[2]张荣明，石祥，冀勇.中厚板连续辊式淬火机运行参数计算与优化[J].金属热处理.2013（11）

[3]唐倩，毕耀坤，李忠华.盘形凸轮共轭淬火机构设计及感应加热数值模拟[J].机械传动.2013（10）