鋼絲氫氣罩式退火爐退火工藝敘述

0 引言

 

    鋼絲氫氣罩式退火爐具有生產(chǎn)效率高、退火產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)、介質(zhì)和能量消耗低、減少環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，是改善和提高鋼絲產(chǎn)品質(zhì)量的一種重要設(shè)備，罩式退火爐的自動控制系統(tǒng)是保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。丹陽嘉恒爐業(yè)自動設(shè)計(jì)和開發(fā)出了氫氣罩式退火爐的設(shè)備和控制系統(tǒng)，以退火過程數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)退火過程控制以及爐溫、爐壓、安全保護(hù)的控制。運(yùn)行結(jié)果表明該自動控制系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠，生產(chǎn)率高，并且退火鋼絲產(chǎn)品的性能和質(zhì)量有較大 的提高。

 

1 鋼絲氫氣罩式退火爐退火過程簡述

 

    罩式退火爐設(shè)備包括爐臺、內(nèi)罩、加熱罩和冷卻罩。其工藝過程如下：爐臺裝料，放置內(nèi)罩并手動壓緊內(nèi)罩；檢驗(yàn)氮?dú)夂蜌錃馊肟趬毫Υ_保系統(tǒng)安全；用抽真空方式置換內(nèi)罩內(nèi)空氣，使?fàn)t內(nèi)氧含量減少到1％以下，為通入保護(hù)氣作好準(zhǔn)備（在內(nèi)罩外放置加熱罩，內(nèi)罩和加熱罩之間為燃燒區(qū)間）；用氮?dú)獬檎婵罩脫Q空氣完成后，再用保護(hù)氣置換氮?dú)?，開始加熱點(diǎn)火，實(shí)現(xiàn)在全保護(hù)氣氛下的退火過程；退火過程的加熱段、均熱段，保護(hù)氣定時(shí)間吹掃；帶加熱罩冷卻、輻射冷卻；帶冷卻罩冷卻；用氮?dú)庵脫Q爐內(nèi)保護(hù)氣；鋼絲出爐。

 

2 自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 

    根據(jù)鋼絲氫氣罩式爐退火工藝的特點(diǎn)和退火過程自動控制的需要，氫氣罩式爐自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

 

    控制系統(tǒng)由一套PLC控制2臺罩式退火爐，采用丹陽嘉恒爐業(yè)有限公司的Profibus現(xiàn)場總線，包括S7－300控制器、分布式I/OET200和OP操作面板?；A(chǔ)控制單元（PLC）完成退火過程及監(jiān)控的控制功能。操作面板（OP）完成退火參數(shù)的設(shè)定、退火過程的監(jiān)視及事件報(bào)警記錄的短時(shí)存儲功能。當(dāng)上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)故障時(shí)，由基礎(chǔ)控制系統(tǒng)單獨(dú)完成爐臺的退火操作并記錄相應(yīng)退火過程數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場電氣柜有溫度顯示和報(bào)警以及故障報(bào)警顯示功能。

 

    系統(tǒng)通信由兩級網(wǎng)絡(luò)組成。上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)和S7－300之間為Profubus-FMS協(xié)議，主控制站S7－300與遠(yuǎn)程I/O之間為Profibus－DP協(xié)議，兩個(gè)控制器之間采用MPI協(xié)議通信。

 

    罩式退火爐退火車間通常由爐群組成，其公用介質(zhì)系統(tǒng)由單獨(dú)控制單元完成控制功能，通過網(wǎng)絡(luò)與每個(gè)爐臺控制單元通信來實(shí)現(xiàn)信息共享。

 

    控制系統(tǒng)采用了分散控制方案，提高了控制系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，同時(shí)又降低了造價(jià)，達(dá)到了合理配置的目的。分布式I/O由2個(gè)爐臺閥站子站（ET200M,一個(gè)子站包括兩個(gè)爐臺）和2個(gè)加熱罩子站（ET200M）組成。各類風(fēng)機(jī)的控制功能在主PLC信號模板上實(shí)現(xiàn)。其特點(diǎn)如下：

①可靠性高

    信號線和功率線分開并走不同的管槽；分布式I/O就近處理信號，連接線短，引入的干擾小；采用二線制儀表，減少了線路故障，提高了系統(tǒng)抗干擾能力，使檢測數(shù)據(jù)更精確；卡件分散供電有效地減少了由電源故障引起的系統(tǒng)故障。

 

②系統(tǒng)擴(kuò)展方便

    Profibus－DP子站可隨時(shí)從網(wǎng)絡(luò)中解除或掛入，而不影響系統(tǒng)的運(yùn)行；因工藝改變而需增加的信息只要接入附近分布式I/O柜即可，安裝方便。

 

③具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益

    所有需進(jìn)PLC的信號接至現(xiàn)場分布式I/O柜即可，從分布式I/O柜到PLC柜只需一根電源線和一根通信電纜，所需安裝材料及人力可大量減少。

 

3 控制功能

    控制系統(tǒng)接收來自上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)的設(shè)定退火曲線，完成退火全過程的自動控制，包括自動點(diǎn)火控制、燃燒過程控制、升溫速度和保溫過程、循壞風(fēng)機(jī)的變頻控制、冷卻風(fēng)機(jī)的運(yùn)行、氮?dú)夂捅Ｗo(hù)氣控制吹掃、爐溫爐壓監(jiān)測與控制、緊急吹掃控制、冷卻水系統(tǒng)監(jiān)控和各種閥門操作。

 

按照工藝過程，該系統(tǒng)完成以下的任務(wù)：

①內(nèi)罩設(shè)置的控制；

②進(jìn)行閥站和爐臺系統(tǒng)的密封性試驗(yàn)；

③抽真空實(shí)現(xiàn)保護(hù)氣的置換過程；

④加熱罩的設(shè)置和點(diǎn)火，退火過程的加熱和均熱，以及爐臺熱態(tài)密封試驗(yàn)和冷卻過程控制；

⑤各種過程變量的監(jiān)測，包括爐臺溫度測量、冷卻水流量及溫度監(jiān)測、內(nèi)罩壓力監(jiān)測、內(nèi)罩壓力安全裝置監(jiān)測、氮?dú)夂蜌錃饬髁勘O(jiān)測等；

⑥在退火過程中各類故障的監(jiān)測以及報(bào)警，并根據(jù)相應(yīng)的情況給于特殊情況下的退火處理；

⑦和控制計(jì)算機(jī)的通信，接收來自控制計(jì)算機(jī)的離線數(shù)學(xué)模型的各類數(shù)據(jù)（包括退火時(shí)間、退火溫度、吹掃時(shí)間和吹掃量等各種設(shè)定值），并把過程監(jiān)控狀態(tài)信息以及故障信息從PLC傳至控制計(jì)算機(jī)；

⑧用于測試和維護(hù)目的的手動運(yùn)行功能。

 

4 系統(tǒng)重要控制策略及功能實(shí)現(xiàn)

4.1 抽真空過程

    為了滿足鋼絲退火系統(tǒng)快速、高效、穩(wěn)定、可靠的生產(chǎn)工藝要求，在保護(hù)氣置換時(shí)采用抽真空的方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)罩內(nèi)氣氛置換。通氫氣前進(jìn)行兩次抽真空置換：首先，用抽真空方式置換內(nèi)罩內(nèi)空氣，為通入氫氣作好準(zhǔn)備；再抽真空一次用氫氣置換氮?dú)?。在滿足工藝要求的前提下使用最少量氫氣，達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的效果。

 

4.2 內(nèi)罩壓力自動調(diào)節(jié)

    為保持內(nèi)罩壓力的穩(wěn)定，在不同的退火階段采用不同的穩(wěn)壓方式。退火加熱和均熱期間要進(jìn)行保護(hù)氣吹掃，在保證鋼絲質(zhì)量情況下使用最少流量的保護(hù)氣，以節(jié)約成本，而且爐內(nèi)壓力必須保持穩(wěn)定，據(jù)此，由電磁閥直接將內(nèi)罩壓力控制在一定范圍內(nèi)。退火冷卻過程中，采用補(bǔ)氣方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)罩壓力的穩(wěn)定。

 

4.3 退火過程溫度控制

    退火過程溫度控制按工藝過程分為三段：加熱段、均熱段和冷卻段。加熱段的燃燒控制采用連續(xù)量控制方式，用PID調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)，由熱電偶采集到的溫度信號經(jīng)過PLC的PID運(yùn)算，輸出4～20mA的信號控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)閥門開度；均熱段采用脈沖燃燒控制來保證溫度的均衡性，使系統(tǒng)始終運(yùn)行在最佳狀態(tài)，它具有動態(tài)性能好、溫度波動小、節(jié)約燃料等優(yōu)點(diǎn)；在冷卻段，通過冷卻速度的計(jì)算，控制空氣電動調(diào)節(jié)閥的開度大小來控制退火冷卻過程。

 

4.4 循環(huán)風(fēng)機(jī)的變頻控制

    在退火過程中，爐內(nèi)氣氛隨工藝過程不同而不同。在不同介質(zhì)和不同溫度情況下循環(huán)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由日本富士變頻器實(shí)現(xiàn)變速控制。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)和驗(yàn)證，此變頻控制方式滿足退火過程的工藝要求。

 

4.5 數(shù)據(jù)處理中的抗干擾

    工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中大功率風(fēng)機(jī)等的變頻控制引起的電磁干擾比較強(qiáng)，會導(dǎo)致測量信號的瞬時(shí)非真實(shí)波動，甚至可能是尖峰脈動，造成控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。所以有必要對工藝過程的測量信號進(jìn)行抗干擾處理。硬件方面，采用抗干擾的信號輸入模板，并使用抗干擾的接線方式；控制軟件對采集來的實(shí)時(shí)信號進(jìn)行超差信號的短時(shí)延遲處理以求最大限度地消除各種干擾信號。

 

5 結(jié)束語

    鋼絲高氫罩式退火爐設(shè)備和控制系統(tǒng)于2003年6月投入使用以來，設(shè)備性能可靠，使用方便，運(yùn)行穩(wěn)定，控制效果好，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，出爐鋼絲各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，滿足用戶要求。

 

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