全氢罩式退火炉加热控制系统应用及优化

2016-08-10魏俊董加旺张迎昕

大科技 2016年2期

关键词：调节器温度控制煤气

魏俊董加旺张迎昕

（昆钢板带厂四辊冷轧车间）

全氢罩式退火炉加热控制系统应用及优化

魏俊董加旺张迎昕

（昆钢板带厂四辊冷轧车间）

全氢罩式退火炉在冷轧生产中有较广泛的应用，而加热温度控制是关键技术之一。本文根据全氢罩式退火炉的工艺特征，对加热控制系统深入研究，结合现场实际，提出优化方案并实施改进，从而达到优良的温度控制方法，提高工作效率。

罩式退火炉；温度控制；PID增量式控制；PID串级调节温度控制

前言

冷轧带钢退火的目的是为了消除轧制过程产生的加工硬化，重塑机械性能。退火过程中，温度的控制直接关系到产品质量。昆钢板带厂冷轧全氢罩式退火炉的工艺技术与全套设备均由奥地利ENBER公司引进。随着新产品的开发及用户对产品质量要求的不断提高，原加热控制系统已不满足需求。通过对退火的工艺流程进行分析研究，结合现场实际。应用PID串级调节改进温度控制的重要环节，能够达到加热罩温度控制的工艺要求，还可以节约大量的能源，达到节能增效的目的。

1 全氢罩式退火炉的主要组成和工艺过程

一座罩式炉主体设备包括：炉台、阀站、内罩、加热罩、冷却罩、终冷风机等，公辅设施设备主要有液压站、气体调压站、真空站等。罩式炉退火过程主要是根据不同钢卷规格和特性，按照工艺要求采用相应的退火工艺曲线进行退火。

退火就是将带钢加热到一定温度保温后再缓慢冷却的工艺操作。带钢垛放在放料平台上，用内罩罩住，通过强对流风机使罩内气体快速循环，以保持炉内温度的均匀性。在这里，有两个不同的温度区域：内罩以内的空间温度称为内罩温度T1，内罩以外、加热罩以内的空间温度简称为加热罩温度T2。两者分别用两支热电偶进行检测，加热罩温度与内罩温度之间的差值记为△T。在实际生产过程中，内罩温度T1才是需要控制的目标温度。而一般的温度控制方法是将加热罩温度T2作为控制信号，内罩温度T1作为显示和记录信号，所以是一种间接的温度控制方法。在操作过程中，必须根据工艺要求的退火温度预估给定值，调节设定比较麻烦。内罩温度须加热保温在650℃以上，则T2的给定温度为（650+△T）℃，△T为预估值，一般为50～100℃左右，如图1所示。

图1 退火炉加热罩结构图

2 单回路PID增量式调节法方法及生产过程中存在的问题

单回路的PID增量式调节控制方法：如图2所示，直接把PID运算输出分别送到定时器作为给定值，由定时器控制执行器的开关时间来调节煤气和空气阀门的开度，实现温度控制。

此控制方式在实际生产过程中暴露出以下问题：①在煤气压力、热值变化明显时该系统不能根据压力波动及时调节系统，温度变化不能有效控制。②煤气不能够充分燃烧导致大量聚集，打火就会出现爆鸣，对安全造成极大危险。③无法点火等原因使加热升温时限延长，能源介质消耗增大，不利于节能。

图2 PID增量式控制系统

3 优化方案

鉴于退火炉的加热罩温度T2是靠煤气和空气流量实现的，选用PID串级调节方式对温度和煤空流量进行两级自动控制优化方案。引入加热罩热电偶温度T2反馈信号和煤气、空气流量变送器信号（4～20mA）到模拟量输入模块，经过PLC的PID运算，模拟量输出模块输出4～20mA的控制信号控制煤气和空气阀门的开度，以达到更好的温度控制效果。

系统中温度调节回路为主回路；流量调节为副回路。PID串级控制系统框图如图3所示。

图3 PID串级控制系统

退火温度控制系统中，采集煤气和空气流量变送器反馈信号进行另一级PID运算，输出调节参数来辅助主参数，即煤气和空气流量为副参数。主调节器依照主参数与给定值的偏差进行调节动作，其输出作为副调节器的给定值。流量调节给定值由温度调节器输出信号给定，也可以随流量变送器送来的流量信号变化，对偏差值进行调节。

在PID串级调节系统中，调节的是炉温和煤气、助燃空气流量。在稳定状态下，炉内温度维持在给定值不变，煤气和空气阀门处于一定开度。当煤气压力波动时，开始阶段首先影响煤气流量，而炉内温度暂时不变，故主调节器不动作，输出信号不变，副调节器的给定值不变，但由于流量变送器送来的流量信号发生变化，于是副调节器按偏差值进行调节，逐渐向原设定值接近。同时流量的变化逐渐影响炉温，从而使主调节器投入工作。主调节器输出变化使副调节器的给定值变化，副调节器按煤气流量信号与变化给定值之差进行调节，直到炉温重新稳定在正常给定值之内。当其它原因使炉温降低，主调节器按照偏差进行调节，主调节器输出信号增加，副调节器根据这一变化的给定值而动作，发出相应的调节信号增大煤气、空气阀的开度，增加流量，使炉温升高，重新稳定在正常给定值之内。反之，原理相同。所以，阀门的开度位置与被调参数之间有着一一对应关系。

用一个公式来表示调节器特性：

式中：Y-调节器的输出；e（t）-调节器的输入，为偏差值；Kp-比例系数。

由算式看出：调节器的输出和输入是同步的，只要偏差e（t）一出现，就能产生比例调节作用，具有调节及时的特点。

3.1 热电偶优化

加热罩热电偶采用双线热电偶，作为温度控制和监测元件，其信号通过加装的温度变送器反馈输出信号4～20mA引入串级调节系统中，经线性化后与设定值比较，通过PLC把压差送到温度调节器，温度调节器的输出作为煤气和空气回路的设定，从而实现主回路的温度控制。

3.2 燃烧控制系统的点火装置及火焰探测系统优化

每组烧嘴都配有一个点火烧嘴和UV火焰探测器。当点火完全成功并且主煤气阀已打开时，烧嘴控制才可以操作。如点火时，通过每组火焰探测器监测烧嘴点火情况和故障情况，如烧嘴有故障情况，及时关闭相应煤气和空气阀。燃烧期间，若煤气和空气压力、流量降低过多的情况下，压力开关动作显示压力低，立即停止烧嘴的操作，关闭相应煤气和空气阀。一个烧嘴有故障，只有故障烧嘴自动停止工作，其他烧嘴继续操作。