步进式加热炉在棒线材生产线上的控制优化

景 婧

（山西太钢不锈钢股份有限公司，山西 太原 030003）

不锈线材厂共有高速线次、小棒和大棒3 条生产线，以220 mm×220 mm×3 500 mm 规格的初轧坯、连铸坯为原料，能够生产Φ5.5～Φ20 mm 的线材和Φ16～Φ120 mm 的棒材。因产品种类多、规格范围广，共有18 条工艺路径完成上述产品的轧制要求。步进式加热炉是各产线的关键设备，作为首道工序，它将钢坯加热至设定温度后输送至轧机入口。步进式加热炉设计长度为32 m，宽度为4.2 m，采用侧近侧出、单排布料方式。炉体共分为预热段、加热一段、加热炉二段和均热段共四段[1]。因炉体较窄，料坯由2 根静梁和2 根动梁支撑，升降框架采用单轨升降滚轮配合辅助平衡装置，以减少框架偏移导致钢坯跑偏的情况。静梁进入均热段后间距加宽，可减少或消除钢坯在加热过程中的“黑印”。加热炉控制系统分为电控和仪控，本文将重点对电控系统在运行过程中的控制优化进行介绍。

1 加热炉控制系统介绍

1.1 硬件组态

加热炉电控系统硬件配置如图1 所示。该系统由西门子S7-416-2DP 集中控制，6 个ET200M 分布式I/O 单元通过Profibus 总线连接，分别控制液压、装钢、出钢等系列动作。步进梁升降和平移行程由4个传感器检测完成，采用1 用1 备方式。在DP 总线上还挂有西门子KTP1000DP Basic 触摸屏，实现物料代码下发、长度修改、物料删除等功能。此外，4 台西门子G120 变频器分别控制装料炉内、装料炉外、出料炉内和出料炉外辊道，变频器频率的给定和反馈通过模拟量方式传输，变频器准备信号、故障、运行和启停信号以开关量方式传输。

图1 加热炉电控系统硬件配置图

1.2 电控系统功能组成

1.2.1 装钢和出钢区域布置

装钢区域布置图如图2-1 所示，炉外推钢机将上料台架上的成组坯料逐支推至炉外辊道上，辊道间隙中的旋转托架通过在0°和45°间进行旋转动作，使钢坯中心线与辊道中心线平行。调整后的钢坯在炉外测长后，通过辊道运输进入炉内，完成对中定位，等待步进动作上梁。

出钢区域布置图如图2-2 所示，加热到工艺温度的钢坯经出料炉内辊道和炉外辊道送出炉，在炉门附近的热检用于出钢计数和炉门连锁控制，以防止有钢坯经过炉门时，炉门误动作下降。

图2 装、出钢区域布置图

1.2.2 步进机构组成

步进机构是步进梁系统中的主要装置，其组成部分为平移和升降框架、滚轮、液压缸、支撑斜轨底座。步进动作通过步进梁的上升、前进、下降和后退矩形轨迹将装料炉内辊道上的钢坯放到静梁第一支位置，并将加热到工艺温度的最后一支钢放到出料炉内辊道。

为配合现场生产工况，步进梁还设有后循环、踏步、等高3 种模式。其中，后循环模式用于将已出炉的钢坯倒回炉内再热，踏步、等高模式用于停车期间减少钢坯塌腰和燃烧黑印。如图3 所示，等高模式时动梁停在坐标（0，89）处，踏步模式时动梁在坐标（0，0）与（0，199）间做升降往复运动，其在高低位停留时间可由人工通过上位机画面根据加热工艺进行修改。通过调整比例阀给定电流大小使步进梁按规定速度曲线运动，实现轻拿轻放、缓启缓停，以减少对机械结构和梁体外绝热材料的冲击损伤[2]。整个静梁设计长度为99 支料位长，热工状态下步长设定值为391.5 mm，能够实现钢坯从入炉侧行进101 步后准确上出料辊道，升降行程199 mm，根据静梁实际工况，调整等高位为89 mm，实现等高状态下，动梁和静梁同时支撑炉内钢坯。

图3 步进梁动作曲线示意图

2 步进式加热炉优化控制

2.1 缩短出钢周期

炉体交付使用时，加热炉装出钢周期动作为：出料操作台将装钢转换开关打到“允许”，步进梁在零点（0，0）处，装料台手动操作炉外推钢装置，将料坯放置在装料炉外辊道上，点击“测长”按钮，装料炉门升到上限位，利用安装于炉体南北两端的激光测距仪完成料坯长度测量，向出料侧发送“装料就位”信号，然后装料炉门下降，等待该料坯入炉后的下一次测长操作。出料台根据轧线要钢节奏，点击“出钢”按钮，发出出钢命令，装料炉门打开，已测长就位的料坯先经装料炉外辊道运送至炉内，根据南激光实时测量坯料头部行进距离，辊道两次降速实现炉内横向对中。当钢坯完全停止后，将炉内推正装置前推0.2 m，用以调整钢坯入炉过程中的跑偏，使得钢坯与辊道中心线平行，确保上梁后钢坯与梁体垂直，防止后期钢坯出炉时因位置跑偏而撞炉墙、炉门。之后步进梁进行前循环动作，将定位完成的料坯放入静梁的同时，把炉口完成加热的钢坯送至出料辊道，后出炉轧制。整个装出钢过程共计95 s。不锈线材厂成规模轧制的钢种为Φ5.5 mm 的TCBS 线材和Φ30 mm 的纯铁棒材，高线轧制道次多、时间长，要钢周期为1 min 40 s，上述流程基本可以满足要求。而轧制纯铁棒材时，要求钢周期最短，仅为60 s，现有出钢速度远不能满足轧制节奏，时常出现轧线空转待料的情况，遂对加热炉出钢过程进行了调整优化。

经过讨论，决定从以下几方面着手缩短出钢时间：

1）考虑到装料侧炉内悬臂辊位于加热炉预热段，环境温度在400～500 ℃左右，长时间静置不会发生辊道弯曲形变，遂将装料控制范围由炉外扩大到了炉内，即将料坯在炉外等待改为在炉内辊道上等待出钢命令，这样便省去了钢坯入炉、定位的25 s 时间。

2）如图4 所示，步进梁静梁上升到高位（0，199）时处在装料辊道上方，占据了钢坯测长的激光通道，当梁体前进100 mm 到达（100，199）时，便完全离开了装料炉内辊道的区域，可以将第N 支钢坯的允许测长条件由步进梁第N-1 步的（319.5，0）提前至第N-1 步的（100，199），这样在动梁未到达（319.5，199）时已经完成了第N 支钢坯的长度测量。然后装料炉外辊道开始运行，将钢坯送入炉内。步进梁第N-1步回到零点前，第N 支料已在装料炉内辊道上就位。

图4 动梁上升和前进行程示意图

3）在保证梁体安全的前提下，放宽辊道运行条件，提前出钢。步进梁低于（319.5，89）便可避免出料辊道运送的红钢撞到梁体，因此将出料辊道运行条件由（319.5，0）提前至（319.5，70），消除了红钢上辊道后，梁体下降至低位才启动辊道输送的出钢等待时间。

加热炉出钢过程优化控制前后对比图如下页图5 所示，从图5 可以看出，通过对整个装出钢周期进行优化，将装钢周期起点由步进循环的4/5 行程提前至1/3 行程处，在出料辊道输送红钢出炉时，装料辊道已完成料坯对中定位。优化后的出钢周期仅为65 s，满足了不锈线材厂全部规格的轧制节奏要求。按照不锈线材厂平均机时产量25 支/h 计算，每支节约出钢时间30 s，每小时可节约750 s，这12 min便可轧制至少2 支料坯，将机时产量提高至27 支/h，提升了企业的经济效益。

图5 优化控制前后对比图

2.2 优化物料下发

由于步进式加热炉没有二级系统，为了实现炉内物料跟踪，入炉钢坯的批次号、钢种和数量等信息由岗位人员根据MES 计划，通过触摸屏手工录入到加热炉一级系统，才能完成后续测长、装钢、物料跟踪、出钢等一系列操作。为配合轧线二级系统上线，实现MES、二级、一级间信息互联通讯，对加热炉一级程序做相应修改。通过给顺控和燃控两个PLC 的网络配置分别增加与第三方基于TCP 协议的通讯接口，实现了轧线二级与加热炉一级间的数据收发[3]。当岗位人员在轧线二级客户端操作从MES 下发的轧制计划时，相应信息会下发至装料触摸屏，可自动填写批次号、钢种和数量等信息，并在入炉过程中形成与每支钢坯一一对应的物料号，随着步进动作的进行，该物料号携带炉内各段温度值、在炉时间等信息出炉，然后传送给轧线系统。加热炉自动下发物料功能，实现了MES 与我厂一级系统在源头上的连通，为后续MES 与轧线一、二级系统的信息互通做好基础工作，同时这一功能减少了人员操作，避免了人工录入错误，提高了工作效率。如图6 所示，在装料触摸屏和上位机监控画面上设有物料下发选择，正常情况下选择按钮在“L2”，由L2 下发物料，当通讯出现故障时，切换至“触摸屏”，恢复人工录入轧坯号、钢种等信息，从而保证加热炉L1 物料跟踪的正常进行，便于炉温工艺的控制。

图6 装料触摸屏物料下发选择画面

3 结论

通过对装出钢控制过程进行优化，将装出钢周期由95 s/支下降至65 s/支，消除了轧线停车待料时间，机时产量由25 支/h 提高至27 支/h，有效提升了生产效益。通过建立轧线二级与加热炉一级间的数据收发对物料下发功能进行优化，实现了物料下发的自动和手动功能选择，也提高了加热炉L1 物料跟踪可靠性，为后续MES 与轧线一、二级系统的信息互通做好基础工作。