步进式加热炉炉温控制系统设计.docx

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步进式加热炉炉温控制系统设计

加热炉炉温过程控制系统设计

加热炉作为钢铁工业轧钢生产线的关键设备和能耗设备,其自动化控制水平直接影响到能耗、烧损率、废钢率、产量、质量等指标。

随着自动化技术的迅猛发展,如何采用先进的自动化控制技术与设备,提高基础自动化控制效果与水平,确保钢坯的加热质量、实现高效节能、减少污染是本文研究的意义所在。

随着工业自动化技术的不断发展，现代化的轧钢厂应该配置大型化的、高度自动化的步进梁式加热炉，其生产应符合高产、优质、低耗、节能、无公害以及生产操作自动化的工艺要求，以提高其产品的质量，增强产品的市场竞争力。

本文主要研究的内容是炉膛温度控制系统，采用串级控制系统通过控制空燃比来达到控制温度的效果。

关键词：

步进式加热炉；炉膛温度控制；控制方法

目录

第一章加热炉控制系统概述-1-

1.1步进式加热炉的发展和国内概况-1-

1.2炉温控制基本原理-2-

1.3计算飞剪运行时间T-3-

第二章控制系统具体方案设计-5-

2.1飞剪的控制目标-5-

2.2飞剪计算-7-

2.3剪切过程存在问题-9-

第三章步进式加热炉过程控制方案的设计过程-10-

3.1系统结构-10-

3.2飞剪的位置控制-11-

3.2.1剪切周期-11-

3.3控制系统的选择及流程-13-

3.4仪表选型-14-

第四章总结-15-

前言

加热炉不仅是轧线上最重要的设备之一，而且也是耗能大户。

钢坯加热的技术直接影响带钢产品的质量、能源消耗和轧机寿命。

因此加热炉优化设定控制技术的推广对钢铁企业意义重大。

加热炉的生产目的是满足轧制要求的钢坯温度分布，并实现钢坯表面氧化烧损最少和能耗最小。

由于加热炉具有非线性、不确定性、耦合等特点，其动态特性很难用数学模型加以描述，因此采用经典的优化控制方法难以收到理想的控制效果，只能依靠操作人员凭经验控制底层回路设定值，当工况发生变化时，往往使工艺指标实际值偏离目标值范围，造成产品质量下降，消耗增加。

第一章加热炉控制系统概述

1.1步进式加热炉的发展和国内概况

步进式加热炉是机械化炉底加热炉中使用较为广泛的一种，是取代推钢式加热炉的主要炉型。

70年代以来，国内外新建的许多大型加热炉大都采用了步进式加热炉，不少中小型加热炉也常采用这种炉型。

 步进式加热炉的炉底基本由活动部分和固定部分构成。

按其构造不同又有步进梁式、步进底式和步进梁、底组合式加热炉之分。

一般坯料断面大于（120×120）mm2多采用步进梁式加热炉，钢坯断面小于（100×100）mm2多采用步进底式加热炉。

与推钢式加热炉相比，步进式加热炉有下列优点：

 1）加热的坯料不受断面形状和尺寸的限制，可以加热推钢式加热炉难以加热的大型板坯、异形坯以及细小和较薄的钢坯。

2）加热制度灵活，适应性较大。

在炉长一定的情况下，可以通过改变钢料之间的距离即可改变炉内装料的数目，以适应轧机产量和钢种变化的需要。

而调整步进周期，即可变化钢料在炉内的加热时间，从而适应不同钢种不同加热速度的需要。

1967年第1座步进梁式加热炉投产。

步进梁式炉比推钢炉具有许多优点，因而成为新建轧钢厂的首选炉型。

热轧宽带钢厂的规模正向大型化发展，步进梁式炉的特点之一是炉长不受推钢长度限制，因而能适应轧机的小时产量增长的形势。

北京钢铁设计研究总院近20年设计投产的40余座步进炉，已遍及热连轧、型钢、棒线材、带钢、无缝管、开坯、锻压等钢厂以及钢带厂，1994年相继投产的太钢、梅山热连轧厂的步进梁式炉，额定产量分别为180t/h和280t/h，重庆钢铁设计研究院为攀钢1450热连轧厂设计的步进梁式炉，额定产量为150t/h，也在1992年投产。

步进式加热炉是一种靠炉底或水冷金属梁的上升、前进、下降、后退的动作把料坯一步一步地移送前进的连续加热炉。

炉子有固定炉底和步进炉底，或者有固定梁和步进梁。

前者叫做步进底式炉，后者叫做步进梁式炉。

轧钢用加热炉的步进梁通常由水冷管组成。

步进梁式炉可对料坯实现上下双面加热。

同推钢式炉相比，它的优点是：

运料灵活，必要时可将炉料全部排出炉外；料坯在炉底或梁上有间隔地摆开，可较快地均匀加热；完全消除了推钢式炉的拱钢和粘钢故障，因而使炉的长度不受这些因素的限制。

改进的步进式加热炉，属于冶金行业生产设施，它包括炉体，炉体的侧墙由内向外分别是低水泥料层、隔热砖层、硅酸铝纤维毡隔热层，炉体分为预热段、加热段、均热段，加热段的两面侧墙上设置调焰烧嘴，均热段的上加热段设置平焰烧嘴，均热段的下加热段设置调焰烧嘴，调焰烧嘴的煤气和空气的混合气管道上设置电磁阀和调节阀，平焰烧嘴的煤气和空气的混合气管道上设置调节阀，空气总管道和煤气总管道设置在炉顶。

加热炉将物料或工件加热的设备。

广泛应用遍及石油、化工、冶金、机械、热处理、表面处理、建材、电子、材料、轻工、日化、制药等诸多行业领域。

1.2炉温控制基本原理

炉温控制系统的主要目的是将炉温控制在允许的范围内,并保证燃烧的合理性,力求达到最佳的燃烧状态。

在燃烧过程中,如果空气过剩则会氧化所加热的钢坯;如果天然气过剩则会浪费燃料,污染环境。

本炉温控制基本原理为双交叉限幅燃烧控制系统,在升温或降温的过程中,空气流量和天然气流量交替的跟踪对方流量值的增大或减小,从而使空燃比始终保持在设定空燃比的允许范围内,使空气流量和天然气流量受到燃料过剩界限和空气过剩界线的限制。

从而严格控制了空燃比,以保证在炉温调节过程中,燃料和空气都达到充分燃烧,这样既可节约能源,减少烧损,又可防止环境污染。

[1]

引起炉温波动的因素

引起炉温波动的主要因素有以下3个方面:

（1）天然气压力突然大幅波动,引起炉温剧烈变化。

由于天然气由外部管网提供,用户种类复杂且投运的用户数量不稳定,造成天然气压力波动,特别是能源量不足的情况下,因本环形炉处于分配管网的低级别,会引起大幅波动,甚至低到天然气总管切断阀联锁值。

天然气压力的大幅波动会直接导致天然气流量的大波动,虽然为保证空燃比,空气流量也会跟着调节,但调节速度与波动值往往会不成比例,因此引起炉温剧烈变化,远远偏离设定值。

（2）开出料炉门引起均热段炉温变化。

环形炉出料炉门在均热II段一侧,故一开炉门会有冷空气进入炉内,炉内热量也会向外散出,所以均热段炉温会受到较大影响。

尤其当开、闭炉门之间的间隔时间比较久,炉温振荡比较大。

（3）炉膛压力一定要保证微正压范围,如果压力过高,会造成炉子向外喷火,增加热损失,且污染环境;如果压力过低,炉内吸进大量空气,致使炉内温度降低,要保持同样炉温,天然气需求量增加,同时由于吸进大量空气,使氧化铁皮增加,加大了烧损。

炉温控制系统的改进措施

针对上述影响环形炉炉温的各种因素,在控制程序中给出了相应的解决措施:

（1）天然气压力突然下降到报警联锁值,程序会自动关闭天然气切断阀。

操作人员接收到信号之后要将调节系统打到手动状态,更要及时联系天然气管网处,若不能在短时间内恢复压力,需要去现场关闭烧嘴,避免事故发生,一定要确定压力恢复正常之后再手动打开切断阀。

（2）PID快速调节:

前两个因素都可能导致炉温大幅度下降,当实际温度与设定值偏差大于等于10摄氏度,程序自动启动PID快速调节程序,P、I被赋给较大的参数值,加快了调节速度,因此避免了炉温大幅度变化。

当然,P、I参数值是经过反复调试,并且研究炉温曲线使其达到最佳而确定的。

（3）设定死区:

为了避免炉温在要求的精度范围内（温度设定值±5℃）PID控制器调节输出继续变化,从而引起炉温的较大波动,为PID调节输出设定±2℃的死区,当炉膛温度与设定值之间的偏差在±2℃之间时,PID的输出值不会发生变化,空气调节阀开度保持不变,避免了炉温的超调。

（4）炉膛压力调节系统设置了自动与手动2种控制方式,通过控制烟道闸板的开度来调节炉膛压力。

正常情况为自动控制,PLC系统接收现场检测到的炉膛压力信号,通过控制程序的PID运算得出输出信号,调节闸板开度,保证炉膛压力在工艺要求范围内。

1.2步进式加热炉结构

加热炉主要有步进式和推送式，目前国内钢铁企业大多采用步进式加热炉，以某钢厂的步进式加热炉为研究对象，沿着该加热炉的炉长方向可以把加热炉分为预热段、加热段、均热段三段。

按炉温分布，炉膛沿长度方向分为预热段、加热段和均热段；进料端炉温较低为预热段，其作用在于利用炉气热量，以提高炉子的热效率。

加热段为主要供热段，炉气温度较高，以利于实现快速加热。

均热段位于出料端，炉气温度与金属料温度差别很小，保证出炉料坯的断面温度均匀。

用于加热小断面料坯的炉子只有预热段和加热段。

习惯上还按炉内安装烧嘴的供热带划分炉段，依供热带的数目把炉子称为一段式、二段式，以至五段式、六段式等。

50～60年代，由于轧机能力加大，而推钢式炉的长度受到推钢长度的限制不能太长，所以开始在进料端增加供热带，取消不供热的预热段，以提高单位炉底面积的生产率。

用这种炉子加热板坯，炉底的单位面积产量达900～1000公斤/（米2·时），热耗约为（0.5～0.65）×106千卡/吨。

70年代以来，由于节能需要，又由于新兴的步进式炉允许增加炉子长度，所以又增设不供热的预热段,最佳的炉底单位面积产量在600～650公斤/（米2·时）,热耗约为（0.3～0.5）×106千卡/吨。

连续加热炉通常使用气体燃料、重油或粉煤，有的烧块煤。

为了有效地利用废气热量，在烟道内安装预热空气和煤气的换热器，或安装余热锅炉。

1.3步进式加热炉工艺流程

⒈步进式加热炉简介

⑴步进式加热炉

步进式加热炉是一种靠炉底或水冷金属梁的上升、前进、下降、后退的动作把料坯一步一步地移送前进的连续加热炉。

炉子有固定炉底和步进炉底，或者有固定梁和步进梁。

前者叫做步进底式炉，后者叫做步进梁式炉。

轧钢用加热炉的步进梁通常由水冷管组成。

步进梁式炉可对料坯实现上下双面加热。

⑵步进式加热炉特点　

和推送式连续加热炉相比，步进式加热炉具有以下优点：

1.可以加热各种形状相比的料坯，特别适合推送式炉不便加热的大板坯和异型坯。

2.生产能力大，炉底强度可以达到800-100kg/m2h,与推送式炉相比，加热等量的料坯，炉子长度可以缩短10%-15%。

3.炉子长度不受推送比的限制，不会产生拱料、粘连现象。

4.炉子的灵活性大，在炉长不变的情况下，通过改变料坯之间的距离，就可以改变炉内料块的数目，适应产量变化的需要。

而且步进周期也是可调的，如果加大每一周期前进的步距，就意味着料坯在炉内的时间缩短，从而可以适应不同金属加热要求。

5.单面加热的步进式炉没有水管黑印，不需要均热床。

两面加热的情况比较复杂，对黑印的影响要看水管绝热良好与否而定。

6.由于坯料不在炉底滑道上滑动，料坯的下面不会有划痕。

推送式炉由于推力震动，使滑道及绝热材料经常损坏，而步进式炉不需要这些维修费用。

7.轧机故障或停轧时，能踏步或将物料退出炉膛，以免料坯长期停留炉内造成氧化和脱碳。

8.可以准确计算和控制加热时间，便于实现过程自动化。

步进式加热炉存在的缺点：

和同样生产能力的推送式炉相比，造价高15%-20%；其次步进式炉（两面加热的）炉底支撑水管较多，水耗量和热耗量超过同样生产能力的推送式炉。

经数据表明，在同样小时产量下，步进式炉的热耗量比推送式炉高160KJ。

工艺过程如图

第二章控制系统具体方案设计

加热炉燃烧控制系统对加热炉控制来说，占有很重要的地位。

它对于坯料加热温度的均匀，温度控制的准确，合理的进行燃烧，节约燃料，防止冒黑烟，减少有害气体对环境的污染，都有重要的意义。

传统的加热炉炉温控制通常采用并行串级控制方法或双交叉限幅控制燃烧方法。

并行串级控制方法比较简单、实用，而且负荷跟踪速度较快，但是在动态特性变化比较频繁的生产过程中，不能保持空气、燃料的较好跟随关系，难以实现最佳空燃配比。

而双交叉限幅控制方法则能保证最佳空燃配比的实现，但同时也导致了整体上负荷跟踪速度的降低。

所谓双交叉就是煤气折算流量Ig和空气折算流量Ia通过一些环节，各自送入对方的主调节系统。

煤气流量Ig直接送入第二重比例积分（PI1）调节运算单元中去，作为煤气流量的被调参数；此Ig还通过增量单元+K4或-K2，与空气量调节的第三重比例积分（PI2）运算单元联系起来，这就叫煤气流量与空气调节回路的交叉。

同样，空气折算流量Ia直接与空气回路的主调节器PI2相连，作为它的被调参数；此Ia的另一路，通过比值器2后，Ia／β=I'a，再连接于增量单元-K3或+K1后，与煤气回路主调节器PI1联系起来，这叫空气流量与煤气调节回路的交叉。

所谓限幅就是通过增量单元，使阀门开度每一次的变化量限制在某一值范围内，目的是使炉温较平缓的变化。

图中，-K3、+K1与+K4或-K2，就是增量值。

⑴炉温控制

采用具有快速补偿响应及抗积分饱和功能的双交叉限幅燃烧控制方法.

加热炉各段炉温控制采用PID控制，过程值来自于选定的热电偶的测量值。

2根热电偶检测的温度偏差回路实时监视偏差值，温度偏差高时将报警提示操作工。

炉温控制器有自动、手动两种控制方式。

当煤气/空气调节阀输出达到60%以上而煤气/空气的流量过程值低于20%时，煤气/空气显示故障并停段。

在燃烧负荷发生急剧变化的情况下，由于空气流动管道与煤气流动管道特性间的差异，各阀门的响应速度和系统的响应速度不同，会带来缺氧燃烧现象和过氧燃烧现象的发生。

当负荷增加时，燃料系统所需的煤气流量和空气流量理论上同时上升，但由于空气流量通常滞后，燃烧空气过少，此时燃料不能得到充分燃烧，致使热效率降低，同时造成烟囱冒黑烟，污染环境。

相反负荷减少时，燃烧空气过多，多余的空气被加热后随废气一同带走，造成热效率降低，因此在燃烧控制中采用双交叉限幅控制。

其结构是以出炉温度为一个主控回路，煤气流量和空气流量构成两个并联串级控制系统。

其中，温度控制器是主控制器，实现温度的粗调，煤气流量控制器和空气流量控制器是平行的副控制器，完成精确控制。

通过双交叉限幅，副回路控制器会在主回路的输出以及防止燃烧系统出现过氧和缺氧燃烧的上下限中选择一个合适的值给副回路控制器作为设定值，这样，煤气流量和空气流量会严格地按照一个合理的比值交替地上升，使实际的空燃比保持在合理的范围之内，从而克服了传统的串级控制系统存在的不足。

具有快速补偿响应功能的交叉限幅控制方法,双交叉限幅燃烧控制的响应速度受燃料流量控制和空气流量控制,响应速度的制约取决于其应较慢一方,通常是空气流量.控制的响应速度在炉温设定值动态优化设定的燃烧系统中,这一问题显得尤为突出，通常的解决方法,是当炉温设定值的变化率较大时,取消双交叉限幅功能代之以串级并行控制.本文采用的方法是在现有的双交叉限幅燃烧控制的基础上增加一快速响应功能,以改善空气流量控制系统的响应速度.

这种控制方法主要思想是在正常状态下采用双交叉限幅燃烧控制方法,当负荷大幅度升降变化超过响应速度和较快的燃料系统限制的能力时,燃料系统限制环节的输入输出之差,经过特性补偿方向性增益补偿和补偿量限制环节后,与空气系统限制环节的输出相加,以此信号作为空气流量控制系统的设定值。

实行强制性前馈作用以此来加快空气系统的响应速度,迅速解除对燃料系统的限制作用。

图中A为炉温调节器的输出,B和D分别为根据空气流量测量值求得的黑烟界限和空气过剩界限，C和E分别为根据燃料流量测量求得的黑烟界限和空气过剩界限，K1-K4为偏置数,β为量程修正系数,μ为空气过剩率设定。

当空气和煤气管道压力过小的时候会造成回火事故，使加热炉既不能正常工作。

为了保证不发生这样的事故，煤气管道压力不能太小，因此需要在煤气和空气管道压力持续减小，而温度调节系统无法发挥作用的时候需要完全切断煤气供应，对燃烧系统进行保护，以防止回火，造成不必要的损失。

煤气空气管道压力控制系统框图如图（5）所示：

其控制流程图如图（6）所示：

⑶炉膛压力控制

炉膛压力是实现加热炉自动控制的一个重要参数。

当炉膛压力过高时，火烟就会从入（出）料口处大量冒出。

这不仅使大量有效热量散失，增加炉子的燃料消耗，而且也容易烧坏炉子的钢结构和炉墙钢板，降低炉子的使用寿命。

同时，炉压过大引起的冒火还会导致劳动环境的恶化。

当炉膛压力过低时，会吸入大量的冷风，不但增加炉子的热耗还会增加钢坯的氧化烧损，甚至引起烧钢。

因此，必须对炉膛压力进行有效控制。

在加热炉最佳燃烧控制系统的基础上，炉膛压力控制可以通过控制烟道闸门的开启度或引风机调速来实现。

炉膛压力主要通过设于排烟管道上调节阀的开度进行调节，正常时应保持炉膛微正压10~20Pa，以防止外部冷空气侵入和火焰外逸。

以均热段炉压测点为被控参数，蓄热系统的排烟管道上的调节阀为操纵量。

以炉气平衡出发，烟道排烟量应该以供风量相平衡，故采用简单的单回路控制系统对炉膛压力进行控制，有压力检测变送装置反馈回来的信号与给定值进行比较，当炉膛压力增大时，增大烟道阀门的开度；当炉膛压力减小时，减小烟道阀门的开度；炉子待轧熄火时，烟道闸门应完全关闭，以保证炉温不会很快降低。

炉压控制系统方框图如图（7）所示：

其控制流程图如图（8）所示：

图（8）炉内压力控制流程图

第三章步进式加热炉过程控制方案的设计过程

步进式加热炉过程控制系统主要包括炉膛温度控制系统、空燃比控制系统、炉膛压力控制系统、热空气温度控制系统、煤气压力控制系统、废气温度控制系统等几个子控制系统。

这个系统的任务是炉膛温度控制系统、空燃比控制系统和炉膛压力控制系统。

3.1控制系统的选择

3.1.1炉膛温度控制系统

以炉膛温度为主被控量、燃料流量和空气流量并列为副被控变量的串级控制系统方框图如图3.1所示，其中，两个并列的副环具有逻辑比值功能。

使该控制系统在稳定工作的情况下保证空气和燃料的最佳比值，也能在动态过程中尽量维持空气、燃料在最佳比值附近。

图3.1炉膛温度控制系统方块图

3.3系统仪表选型

3.3.1温度传感器的选择

由于所选测量仪表是为了测的炉膛温度，其测量范围在950℃～1250℃，所以选型应为K型热电偶。

图3-5步进式加热炉控制系统图

第四章心得体会

通过这次的过程控制课程设计，我学到了很多，不仅仅是知识方面。

刚接触到这个题目，感觉非常棘手，对各种只是都不了解，因而，就开始了搜索资料的过程。

但是网上的资料也并不是很全面，很多东西还是很模糊，也去图书馆查阅了一些资料，再结合这自己所学的知识，慢慢的摸索出了一些门道。

课程设计是一个综合性的题目，它包括的不只是过程控制的知识，还有像DCS，自动控制原理等等的知识的结合，是融会贯通的。

这就让我将自己大学几年里学的知识综合到了一起，对自己所学的知识体系有了更进一步的理解。

老师也进行了课程设计的答疑，让一些同学分享了自己做课程设计的经验，再加上老师的讲解，我对这次课程设计的思路、知识有了更加深刻的认识，也给我做课程设计时有了一定的指导方向。

通过我们小组成员的共同努力，我们成功的将这次过程控制课程设计完成了。

这次课程设计，让我学到了不少实际工程运用的知识，加深了我对课本知识的理解。

同时，也锻炼了我对于问题分析，进而进行搜索、汇集、整理资料的能力。

不仅如此，他还增强了我的团队意识，学习了团队的精神。

总之，这是课程设计不只是一次知识的领悟，而且是对我人生发展的综合考验。

我也能不断督促自己做的更好，不断的进步。

参考文献

[l]过程控制李文涛

[2]李连诗.我国轧钢生产电耗分析.钢铁，1989，24（12）:

34-38

[3]杨宗山译.轧钢加热基础知识.北京:

冶金工业出版社，1981

[4]蔡乔方.加热炉.北京:

冶金工业出版社，1996

[5]RoneyJE.SlabTemperatureMeasurementinReheatFurnaee.Iron&steelengineer，1982，59（6）:

35-3