加热炉自动化控制系统的应用与技术分析

2019-11-22韩明阳孙高原李雪松

冶金与材料 2019年5期

韩明阳，孙高原，王凯，李雪松

（河钢邯钢中板厂，河北邯郸 056000）

1 轧钢厂加热炉的控制现状分析

1.1 轧钢加热炉的加热原理

加热炉是轧钢厂生产中不可或缺的重要设备之一，其主要作用是将钢坯加热至适合轧制的温度，随着钢坯本身温度的逐步提升，其变形抗力会随之降低，钢的可塑性会大幅度增强。以T12 钢为例，在室温条件下，其变形抗力约为600 MPa，当加热至1200 ℃后，变形抗力会下降到30 MPa，仅为室温的1/20，由此能够使轧机的生产效率显著提升，能耗也会随之降低。

1.2 加热炉的控制现状

对于轧钢加热炉而言，炉膛内的温度主要是由燃烧系统进行控制，通过对空气及煤气流量的调节，从而达到控制燃烧温度的目的。加热炉控制系统中的输入和输出量如表1 所示。

表1 加热炉控制系统输入/输出量

加热炉燃烧系统的特点体现在强耦合性和滞后性两个方面，加之参数之间存在互相干扰的情况，并且燃烧系统还会受到外界因素的影响，从而导致加热炉的燃烧效率并不理想。现阶段，轧钢厂加热炉采用的控制系统，一般都是以人为手动的方式对空煤配比系数进行设定，如果运行工况出现变化，那么很难保证控制系统的响应及时有效，偶尔会出现加热炉尾冒黑烟的现象，不但影响了燃烧效率，而且还会增大能耗。为有效解决这一问题，轧钢厂可对自动化控制系统进行应用。

2 加热炉自动化控制系统的应用及关键技术

针对轧钢厂加热炉燃烧控制存在的不足，本文提出一种自动化控制系统，皆在为了提高加热炉的燃烧效率，降低能耗。

2.1 系统构成及控制方式

本次开发的自动化控制系统主要是针对钢坯加热炉。自动化控制系统的组成部分如下：PLC、远程I/O 站、操作员站、通信网络等。在该控制系统中，PLC 是核心部分，可对相关的信号进行实时采集和处理，并且还能对钢坯进行定位控制。系统有两种控制方式，一种是手动，另一种是自动，在系统运行稳定的情况下，采用自动控制方式，而系统出现故障时，可转为手动控制。

2.2 具体应用

（1）在炉膛温度控制中的应用。钢坯加热炉分为上部供热段和下部供热段，利用热电偶对各段的炉温进行检测，以供热段的平均温度作为自动控制对象，各段的炉温变化主要是通过煤气流量的改变来实现，采用串级解耦的方法，对加热炉的燃烧控制系统进行优化，从而使炉膛内的低过剩空气能达到充分燃烧的目的。除此之外，炉膛温度控制系统还能对氧量信号实时接收，借助主从控制的方式，防止供热段出现干扰。

（2）在排烟温度控制中的应用。对于钢坯加热炉而言，排烟温度是较为重要的控制指标之一，如果该温度过高，容易引起设备损坏，若是该温度过低，则会使能源浪费，并且还会使炉压增大。为对加热炉的排烟温度进行自动化控制，可在三通阀上加装温度检测装置，该装置能够对烧嘴的工作状态进行自动检测。同时，为防止温度过高烧坏换热器，可在烟道上加装热电偶，对排烟温度进行测量，当温度超出设定的限值后，会自动发出报警提示。

（3）在残氧量控制中的应用。本系统中，对加热炉残氧量的控制主要是通过相关的仪器设备检测气氛含氧量，按照检测所得的数据，利用改变通风量的方式，调整混合气体中空气与燃料的质量比例。可以采用在线测量的方式，其优点是便于安装、基本不存在滞后性，能够避免空气渗漏对测量结果准确性造成的影响。

（4）在炉膛压力控制中的应用。当加热炉内部的压力升高后，可以通过远程控制的方式，对空气流量和煤气流量进行调节，并打开烟道闸板，使烟气排出量增大，这样便可有效降低炉膛内部的压力，从而确保加热炉稳定运行。各个燃烧段的温度，则可利用排烟调节阀进行自动控制。同时，为在现有的基础上，降低因炉膛内部压力偏离正轨引起的气氛紊乱几率，在系统设计中，可以加入自学习功能模块。

（5）在换向控制中的应用。这是钢坯加热炉中较为重要的一个控制环节，主要的控制对象为三通换向阀。在加热炉中，三通换向阀的作用是确保运行稳定，其具备定时换向、自动保护和报警等功能。如果三通换向阀的运行出现异常，则会对加热炉的运行安全造成影响，借助换向控制系统，可对三通换向阀进行自动控制，在设计时，按照定温度、定时间的原则，通过时序检测，实现控制目标。

（6）在联锁控制中的应用。本文所提出的加热炉自动化控制系统中，加入了安全联锁控制系统，其主要作用是提高加热炉的运行稳定性和可靠性，避免安全事故的发生。联锁控制分为三级，其中一级联锁的触发条件是燃烧压力或是炉膛内的空气压力过低，此时自动化控制系统会自行启动联锁控制功能，将煤气总管切断；二级联锁的触发条件是换向阀故障；三级联锁的触发条件是炉膛温度超高。

2.3 关键技术

在轧钢加热炉中，汽化冷却是不可或缺的重要装置，为对该装置的运行过程进行有效地控制，可采取如下技术措施：（1）水位检测技术。对汽包的水位进行检测时，可以通过差压或是电接点等方法，将测点布设在汽包两侧。（2）压力控制技术。由汽包产生的蒸汽是经由压力调节阀进行排放，由此可以达到压力控制的效果。然而，若是汽包本身的压力超过限值，为确保汽包的安全性，控制系统则会开启放散阀，对蒸汽进行快速排放，从而降低汽包的压力。（3）除氧器调节与控制技术。在对除氧器的压力进行调节时，可以利用减压阀进行降压，然后由调节阀为除氧器提供蒸汽，这部分压力经由变送器检测后，会转换为电信号传给汽化冷却控制系统。（4）浓度监控技术。钢坯加热炉的操作者在工作时，可能会受到一氧化碳的影响，对此可在炉区两侧加装一氧化碳浓度监控报警器，当现场的一氧化碳浓度超标时，报警器会自动发出声光报警，提示操作人员。