1 引言
蓄热式燃烧技术,应用在钢坯加热炉上能降低煤气消耗、提高钢坯加热质量、拓宽品种规格、提高产量及市场竞争能力,同时降低有害气体的排放,保护环境,社会效益显著。蓄热式加热炉的控制复杂多变,为了能够准确有效地控制炉温,使出炉钢坯配合好轧制节奏,普遍采用PLC来进行控制。
2 单蓄热步进式加热炉简介[1]
单蓄热步进式加热炉实质上是高效蓄热式换热器与常规步进式加热炉的结合体,主要由加热炉炉体、蓄热室、换向系统及燃料、供风和排烟系统构成。换向系统是加热炉的重要部件,整个燃烧过程都是靠换向装置完成的。换向原理是:初始状态下,换向装置处于某一固定状态时,向炉子一侧的燃烧器输送煤气、空气,在炉内实现混合燃烧,同时从炉子另一侧的燃烧器排出烟气,经过一个周期(40s-70s)改变方向,实现供气和排气的周期性换向。由于换向阀的频繁换向,对响应时间和速度有很高的要求,而且加热炉的燃烧控制也是一个复杂多变的控制过程,以及钢坯进出炉,炉内布料和步进梁等复杂的控制对象;通过合适的控制策略编程, PLC就能够快速准确控制这一系列复杂的对象,因此PLC在单蓄热步进式中被广泛的应用。
3 单蓄热步进式加热炉区工艺流程
合格热送钢坯由辊道从炼钢车间运输到车间钢坯跨,热坯直接进炉的坯料由提升机提升至步进上料架上,经辊道进步进梁式单蓄热加热炉。不进炉的坯料,采用过跨平车装连铸坯从炼钢车间运至坯料跨由吊车调至坯料跨堆放,接到上料指令后,由吊车将其吊运到步进上料台架上。上料台架将坯料向前输送,靠近台架输出端的气动挡料装置下降,使坯料逐根落到上料辊道上;辊道一侧设有剔废装置,经人工检查,有明显表面缺陷和弯曲度达不到要求的坯料在此处剔出;坯料经称重、入炉辊道输送过程中的测长后(测长报警)进入加热炉,根据计算机预先设定好的布料图自动布料;坯料进入加热炉定位停稳后,按不同钢种的加热工艺,将坯料加热到1050℃至1150℃,加热好的钢坯接到要钢信号后自动出钢。从台架到布料整个过程由操作室自动控制,坯料经验收合格后物料自动跟踪。
炉内气氛根据设置在炉尾的残氧分析仪自动调节;炉压保持微正压,当偏离时能自动调节;炉温控制分自动调节和手动调节,自动调节空燃比控制;采用空气单蓄热方式,燃烧烟气一部分经空气蓄热室蓄热预热空气后,降至约150℃,由引风机从30米高的钢板烟囱排出,另一部分烟气预热炉尾钢坯后,从炉尾下部副烟道经烟道闸板,从40米烟囱自然排烟;炉区配有煤气泄漏报警系统,空煤气管道燃气吹扫放散系统、汽化冷却系统及安保系统(含应急动力系统)等等。
4 单蓄热步进式加热炉控制系统结构
根据公司要求,该控制系统分为3级,如图1所示:L0级为传动级,L1级为基础自动化级,L2级为过程自动化级。L0级(传动级)主要由执行机构,测量仪表和伺服机构等现场设备构成,用于实现对现场设备的直接控制和信号检测;L1级(基础自动化级)则是西门子S7-400控制系统对过程信号进行采集处理,经过逻辑计算后控制设备的运行; L2级(过程自动化级)主要由工业控制计算机(HMI)完成对整个加热炉的监控操作。L1通过光纤与HMI系统相连接,提供现场生产线的工艺参数,接受操作指令;通过DP网与传动柜系统连接,采集设备工作状态参数,发送操作指令;通过电缆直接与现场仪表、配电柜连接,采集现场工况参数,驱动现场执行元件。
由于工艺要求加热炉网络的可靠性及及时性,因此加热炉网络采用高速光纤环网结构,如图2所示。环网的特点是稳定可靠,在极端的情况下,如有一条链路断路,不会影响整个网路的通信。
5 单蓄热步进式加热炉控制系统功能
单蓄热步进式加热炉控制系统分为仪控和电控,并均有HMI。加热炉所有在线设备均通过PLC系统控制,在线设备的操作均采用操作室集中手动、操作室自动、机旁手动3种操作方式。集中手动对在线设备可按系统联锁控制,自动控制使各系统设备按预定的生产程序运行,机旁手动主要用于系统检修、调试或者巡检。
仪控过程由PLC通过传感器采集各种变量,根据操作人员设定的各项参数来决定控制策略和目标值,然后分别驱动相应执行机构来调节过程变量,实现对温度、压力、流量的控制,并通过HMI时实显示。
电控过程由PLC根据电器元件采集的各种位置信号,通过编辑好的固定程序运行,完成钢坯在加热炉内的运行。
5.1 仪控主要包括加热炉燃烧控制系统和汽化冷却系统。
5.1.1 加热炉燃烧系统
炉温控制:分为3段控制,分别是均热段、加热一段、加热二段,还设置了一定长度的不供热的热回收段,以满足轧制工艺对钢坯温度均匀性的要求。全炉3段控温用PID方式控制,空、煤气比例燃烧控制,双交叉限幅实现3段炉温自动控制,并采用自寻优动态调节代替静态调节空燃比,还能有利于降低氧化烧损率。考虑炉底水梁吸热和热气体上浮,上、下供热比例约为47%和53%。
换向系统:用PLC控制,正常工作时换向周期40～70秒左右,采用双重信号控制,一是以时间为控制参数,二是以烟气温度为控制参数。控制方式有,自动程序换向控制;远程手动换向控制;现场手动强制换向控制。采用分散顺序换向方式,换向时间和间隔可调。
炉膛压力控制:空气、空烟采用快速切断阀、煤气采用气动切断阀实现分散换向,减少换向瞬间的压力波动,一般波动在10Pa左右。
燃烧安全:用压力开关检测各种介质的压力,当检测到压力异常时报警,必要时进行燃烧切断[3]。
5.1.2 汽化冷却系统
目的是冷却加热炉水梁和立柱,系统采用强制循环,外送蒸汽压力1.3Mpa,汽包运行压力为1.4Mpa。采用强制循环汽化冷却:设置备用电动循环水泵,经常有一台电动循环水泵备用,当运行的电动循环水泵故障停机时,备用电动循环水泵自动投入运行,保证系统正常工作;设置事故柴油机给水泵,在给水系统中采用柴油泵作为电动给水泵的停电事故备用,当停电时,给水系统的柴油机给水泵启动,首先将除氧水箱内的水供入锅筒内,另外软水箱设一出口与给水泵入口集管相连,两者之间设常闭闸阀,停电或除氧器不能正常运行时该阀开启,由柴油机给水泵将软水直接供入锅筒内;为了保证每一回路的正常运行,在每一回路上设置流量检测装置,当单一回路流量低于正常流量的60%时,进行声光报警。
5.2 电控系统
电控是指电器逻辑控制,针对的是开关量信号的状态控制。主要包括钢坯的上料,称重,测长,剔废,进出炉及步进梁的控制,如图3所示。
钢坯由提升机提升至步进上料架上,经辊道进入步进梁式单蓄热加热炉。坯料经剔废、称重、入炉辊道输送过程中的测长后(测长报警)进入加热炉,根据计算机预先设定好的布料图自动布料;布料完成后,钢坯在炉内通过步进梁的矩形运动,从进料端一步一步地移送到出料端;当轧线给出要钢信号时,步进梁向前走一个步距,将钢坯托到炉内悬臂辊道上,出料炉门自动开启,开始出料过程,出料辊道以炉外轧线接钢辊道相同速度运转,在炉内出料辊道上的钢坯高速出炉;当钢坯尾部通过炉外出钢辊道未端的激光冷热金属检测仪,激光冷热金属检测仪检测到钢坯信号时,给出出料完毕信号,出料炉门自动关闭;完成出钢程序后,悬臂辊道低速转动,到下次需要接钢时停止。整个过程可以由编写好的程序自动控制,也可以由控制室内分布手动控制[4]。
步进梁做矩形运动,行程由线性位移传感器控制,并具有自动纠偏功能,保证每根钢坯间的距离合适并都能放置在出料悬臂辊道的合适位置。步进梁具有正循环、逆循环、踏步、中间保持等功能,以满足不同工况下钢坯在炉内的运输要求[2]。
6 结束语
单蓄热步进式加热炉提高了钢坯加热质量,降低了燃料消耗,减少了氧化烧损,运用PLC进行控制保证了加热炉安全可靠的运行,满足了加热炉“实用、先进、寿命长、操作方便、节能”的要求。
参考文献:
[1] 蔡乔方.加热炉(第3版)[M].北京:冶金工业出版社,2007,(4):177-187.
[2] 袁宝歧,蔡惕民,袁名炎.加热炉原理与设计[M].北京:航空工业出版社,1989,6.
[3] 武文斐,陈伟鹏,刘中强等.冶金加热炉设计与实例[M].北京:化学工业出版社,2008,4.
[4] 戚翠芬.加热炉基础知识与操作[M].北京:冶金工业出版社,2005,3.