环形加热炉的温度控制.docx

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环形加热炉的温度控制

基于PLC的环形加热炉温度控制系统设计

摘要

环形加热炉是无缝钢管生产的第一环节，其加热质量直接影响到钢管的质量，其能耗和氧化烧结直接影响钢管的成本。

因此，保证环形加热炉的最佳生产状况和炉温自动控制是关键。

为了提高环形加热炉产品的质量，本文研究主要是从工业控制的角度出发，对环形加热炉加热的温度控制系统作了研究和探讨。

本文通过了解整个环形加热炉的生产工艺及影响因素，首先在介绍加热炉工艺流程以及加热炉自动控制系统的控制要求的基础上，着重介绍了环形加热炉的炉温控制和燃烧控制的实际应用设计，然后，对控制系统中所使用的硬件及编程软件的功能和特点做了详细描述，对控制系统软硬件平台上所进行的监控和编程工作进行了具体设计。

本设计下位机采用PLC进行控制，上位机采用组态王软件进行监控画面显示，实现了加热炉温度和燃烧流量的自动控制功能。

最终可以达到加热炉安全、经济、高效的运行。

关键词：

环形加热炉；PLC；炉温控制；燃烧控制

PLC-basedannularfurnacetemperaturecontrolsystemdesign

Abstract

Annularheatingfurnaceisthefirstlinkintheproductionofseamlesssteeltubes,theheatdirectlyaffectsthequalityofthesteel,anditsenergyconsumptionandoxidationofsintereddirectimpactonsteelcosts.Therefore,toensureoptimumproductionconditionsoftheannularfurnaceandthetemperatureautomaticcontrolarethekeys.Toimprovethequalityoftheproductringfurnace,thispapermainlyfromtheperspectiveofindustrialcontrols,heatingtheringfurnacetemperaturecontrolsystemwerestudiedanddiscussed.

Byunderstandingtheannularfurnaceproductionprocessandinfluencingfactors,thefirst,basedontherequirementsofintroductiontheheatingprocessandcontroloffurnaceautomaticcontrolsystem,focusingonthepracticalapplicationoftheringfurnacetemperaturecontrolandcombustioncontroldesign，andthen,Thecontrolsystemusedinthehardwareandprogrammingsoftwarefunctionsandfeaturesdescribedindetail,aswellasinthecontrolsystembyhardwareandsoftwareplatformsimulationandprogrammingofthespecificdesignwork.Next-bitmachineusesthesoftwareofPLCtoprogramthesoftware,thehostcomputerusesthesoftwareofKingviewtomonitoranddisplayscreen,whichrealizestheautomaticcontrolfunctionofthetemperatureandflowofthefurnace.Finallyitachievestheheatingfurnaceoperatingsafely,economically,andhighlyeffective.

Keywords:

TheAnnularFurnace;PLC;TemperatureControl;BurningControl

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第一章引言

钢铁行业作为关系国计民生的基础性行业，具有较高的产业关联度。

钢铁工业是一个原材料的生产和加工部门，处于产业链的中间位置，它的发展与国家的基础建设以及工业发展的速度关联性很强。

一.1冶金行业中常见的加热炉

在冶金工业中，加热炉习惯上是指把金属加热到轧制成锻造温度的工业炉，包括有连续加热炉和室式加热炉等。

金属热处理用的加热炉另称为热处理炉。

初轧前加热钢锭或使钢锭内部温度均匀的炉子称为均热炉。

广义而言，加热炉也包括均热炉和热处理炉。

连续加热炉包括推钢式炉、步进式炉、转底式炉、分室式炉等连续加热炉,但习惯上常指推钢式炉。

连续加热炉多数用于轧制前加热金属料坯，少数用于锻造和热处理。

主要特点是：

料坯在炉内依轧制的节奏连续运动，炉气在炉内也连续流动；一般情况，在炉料的断面尺寸、品种和产量不变的情况下，炉子各部分的温度和炉中金属料的温度基本上不随时间变化而仅沿炉子长度变化。

一.2环形加热炉的现状

目前,世界上所有现代化钢管厂的管坯加热炉几乎全部采用环形加热炉,这是由其自身一系列优点所决定。

环形炉最适合加热圆管坯,并且能适用多种料坯规格（直径和长度）的加热要求,灵活调整加热制度,满足加热工艺要求。

管坯在炉底间隔放置,料坯三面受热,加热时间短,加热温度均匀,加热质量好。

炉内管坯可以出空也可以留出不装料的空炉底段,便于更换管坯规格,操作调度灵活。

环形炉的机械运行可靠,操作自动化程度高,热工控制方便、灵活。

但是,环形炉也有其自身的缺点:

如占地面积较大、炉底面积利用率低、单位炉底面积的产量较低,但这并不影响环形炉的技术发展。

现在环形炉的发展日趋大型化,如意大利DALMING厂的环形炉中径46m;阿根廷ALGOMA厂的环形炉中径36m;上海宝钢环形炉中径35m;天津钢管公司环形炉的中径达到48m,造价近一亿元人民币。

由意大利PIANTI公司设计建造的环形炉采用了许多当今世界先进工艺、控制技术。

通过几年的生产实践证明,该炉无论在炉温调节控制、管坯加热质量、能源消耗、烟尘排放等各方面均处于世界先进水平。

环形加热炉是无缝钢管热轧生产线上的重要热工设备,其加热质量直接影响钢管的质量,其能耗和氧化烧结直接影响钢管的成本,其设备状况及操作水平直接影响钢管的产量。

因此,保证环形加热炉的最佳生产状况是无缝钢管生产的关键,而加热炉炉温自动控制也就成为了重中之重。

2000年以前，国内冶金企业加热炉大多采用重油和直接燃煤加热炉，只有少部分的企业采用燃气加热炉。

对于重油加热炉，在控制上，虽然可以采用先进的控制技术，但由于重油中杂质太多，其流量监测系统寿命短，测量精度很难保证，在实际运行中，大多采用手动为主的燃烧方式。

随着石油炼制技术水平的不断提高，重油质量不断下降，但价格却不断上升。

冶金企业为了提高钢材质量，降低能源成本，于2000年前后，许多企业将燃油加热炉逐渐改成了然热脏发射炉煤气。

煤气发生炉的原料为块煤，因重油与煤的单价相差很大，故通过油改气改造，企业可节约能源运行成本30%—40%。

但因热脏发生炉煤气热值低、压力低，升降温度速度慢，较难满足高产的要求。

对于热脏煤气发生炉煤气，由于其单台炉煤气产量低，一般采用在加热炉附近建几台共同供气，这种煤气发生路产气量很难精确控制且产气量低、污染大，中间又无储气罐，所以一般用人工方式进行操作。

采用冷煤气作为燃料，一方面可以减少污染，另一方面可以将先进的控制技术应用到生产中去，并可降低燃料成本、减少原材料的氧化烧损。

一.3加热炉的结构及工作方式

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。

在锻造和轧制生产中，钢坯一般在完全燃烧火焰的氧化气氛中加热。

采用不完全燃烧的还原性火焰（即“自身保护气氛”）来直接加热金属，可以达到无氧化或少氧化的目的。

这种加热方式称为明火式或敞焰式无氧化加热，成功地应用于转底式加热炉和室式加热炉。

第二章环形加热炉的工艺

包钢Φ180无缝钢管厂,现有一座环形加热炉,炉子有效直径长度35m。

最大入炉根数256根、最大出钢能力120根/h,使用的燃料为高焦炉混合煤气,烟道内设有空气预热器等余热回收装置,环形加热炉内有液压炉底系统、炉外有装料系统、出料系统、扇形辊道、出炉辊道、120个控制烧嘴等设备。

采用较先进PLC实现烧钢。

二.1工艺特点及流程

二.1.1工艺特点

无缝钢管由于其规格、品种、钢种较多，因而生产工艺与其它轧钢车间相比有较大的差别，因此，环形加热炉的加热工艺也随之具有不同的特点。

主要表现在：

⑴环形加热炉具有加热钢种多、批量小、更换规格频繁和加热工艺制度变化大等特点，所以要求环形加热炉必须配备灵活、快速、准确的燃烧控制系统。

⑵由于加热的钢种有很大一部分是合金钢和不锈钢。

根据我们以往的经验可知，这部分钢种对加热温度要求十分严格，必须在低温时均匀缓慢的加热，严格禁止在加热过程中产生热应力而导致废品。

⑶加热易脱碳钢种时，为防止高温脱碳，在低温段应采用缓慢加热（以提高心部温度，所小心表温差）；在高温段采用快速加热的供热制度，从而防止钢种脱碳。

二.1.2工艺流程

环形加热炉分为：

1隔热回收段、一个预热段、3个加热段和3个均热段。

热回收段主要是利用逆时针流向烟道的高温烟气对进入炉内的管坯进行预热，然后随着炉底的顺时针转动，钢坯依次进入预热段、加热Ⅰ段、加热Ⅱ段和加热Ⅲ段进行加热，在这4段采用空煤气双蓄热的蓄热式燃烧技术；经过加热段之后管坯依次进入均热Ⅰ段、均热Ⅱ段和均热Ⅲ段，均热段燃料为天然气，采用常规燃烧方式。

2.1.2.1炉子辅助设备

⑴排烟系统

环形路为外侧排烟方式，侧排烟道出炉后扎入地下，后接入烟囱。

空气预热置于地下烟道内，结构形式为带插入件的金属管状预热器，换热面积131㎜²，设计入口烟温度720℃，出口烟气温度326℃，预热后空气温度400℃。

预热器后设有自动烟道闸板，用于炉膛压力控制。

⑵助燃空气系统

包括助燃风机、热风自动放散阀、三段空气流量孔板等。

⑶燃烧系统

煤气发射炉三台、烧嘴前手动碟阀等。

⑷水冷系统

环形炉有液压站需要水冷，炉底水封槽需要少量补充水。

2.1.2.2仪控系统组成

⑴系统仪控检测系统

通过安装在管路孔板上的差压变送器采集并转换成标准信号送入PLC。

⑵炉压控制

炉压控制包括助燃空气压力控制、煤气压力控制、炉内压力控制三部分，以保证助燃空气和煤气压力稳定，使燃烧顺利进行。

⑶换热器保护

换热器起到节约能源、助燃的作用，换热器的温度不能过高或过低。

过高损坏设备，过低会使煤气结露，腐蚀换热器。

⑷燃烧控制

燃烧控制部分由温度控制、空气与煤气的空燃比控制和空气的换向控制几部分组成。

⑸执行机构

执行机构采用PLC输出控制，具有手自动切换功能。

二.2加热炉总体设计要求

二.2.1工业控制系统设计的原则

工业控制系统的设计与其他类型控制系统的设计一样都以计算机控制技术和通信技术为基础，但他又有自身的特点。

这些特点主要表现在：

⑴实用性：

工业控制系统的设计强调控制设备如PLC与工业现场设备如电机、开关等之间在功能上要和谐搭配，在控制要求上符合工业控制的行业标准。

在系统控制和功能实现上要求简单明确，显示信息直观清楚，操作上要方便易学，便于掌握。

⑵安全性：

工业控制系统的目的是通过采用先进的计算机技术，实现工业现场设备的自动化运行，减少人为参与工业控制的行为，其目的就是为了提高系统运行的可靠性和安全性。

因此，在实现系统功能的同时，要最大限度的考虑到设备运行期间可能产生的各种故障，并且在系统实现时给出各种故障处理的方法，尽可能减少意外故障引发的灾难性后果，带来生产甚至人身安全的重大损失。

⑶可靠性：

工业控制系统必须保证能够连续可靠的运行。

为此，必须选用技术成熟可控制的器件，在安装工艺方面尽量提高系统的抗干扰能力，主要的控制设备必须能够防震、防电磁干扰、防尘、防潮，同时必须注意系统的散热或加热，以保证各电子设备工作在收益的温度下。

在信号的采集、开关确认等方面都加强，确保系统可靠稳定的运行。

在系统设计中必须采用种种措施，确保系统的高可靠性，它包括元器件的选择、冗余设计、环境设计、人机工程设计、故障模式影响及危害性分析、模块化设计、标准规范的组态软件设计等。

在控制方面，对系统采取一些安全措施，如手动/自动切换、多级控制、报警和输出锁定等。

⑷开放性：

系统在设计时应考虑以后的扩充和升级。

在设备的选型时应考虑到其接口的通用性和互联性，不宜采用封闭的、自成体系的设备。

二.2.2环形加热炉控制系统设计的总体要求

为了实现加热炉这个复杂工业生产过程的自动控制，该控制系统的总体设计应具备以下要求：

⑴安全性设置：

从工厂安全要求的角度操作可分为操作员、系统工程师和管理人员三个等级。

⑵控制系统实现工艺流程的自动监控。

在生产工段上，各个控制的设备应严格按照工艺规定的顺序启动停止。

在上一步未执行完成时，下一步的设备禁止工作。

在生产的自动控制过程中还必须考虑对电网的影响，大量设备不能同时启动。

⑶监控功能：

具有设备运行状态和过程参数的实时显示，时序流程图程序运行显示，实现监控功能；采用弹出菜单方式进行参数设定、调整及回路控制参数的在线整定，实现控制功能。

整个自动化控制系统通过对生产流程的流量、液位、压力、温度、速率和功率等参数的控制，达到满足控制要求的目的。

⑷报警功能：

实时监控各电气参数、工艺参数，一旦故障及时报警，显示报警记录，可进行故障排除及确认，并可在线打印报警记录。

⑸信息管理：

计算机可以存储、查询和打印设备故障记录，各种生产报表，便于进行数据分析。

第三章加热炉温度控制系统的控制策略

环形加热炉控制的基本任务是：

首先维持炉膛温度稳定在设定值，其次是保证燃烧过程的经济性、环保性和操作的安全性等。

环形加热炉对加热炉的炉膛的温度控制是最重要的。

对于不同材质的钢坯必须按照不同的升温曲线进行钢坯的烘烤。

因为如果温度过低，达不到轧制工艺的质量要求，温度过高则也会带来一些不良的后果，如钢过热时钢的品粒增大，使钢的机械性能下降，加工时容易产生裂纹等。

而温度的变化主要受燃料流量和空气流量的影响，为了充分燃烧，燃料流量和空气流量必须按一定的比例送入管道，所以将燃料和空气构成双闭环比值控制系统，这样不仅实现了比较精确的流量比值，而且使燃料流量和空气流量变得比较平稳，确保了两物料总量基本不变，为后续温度的控制提供了前提条件。

对于温度的控制采用双交叉限幅方式的串级控制系统，这样可以在炉温偏低时，先增加空气量，后增加煤气量；炉温偏高时，先减煤气量，后减空气量，实现空气煤气交叉控制，保证了燃料的完全燃烧，最终通过控制燃料和空气流量以达到控制炉温的目的。

三.1炉温的控制系统

三.1.1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。

本环形路炉温控制基本原理为双交叉限幅燃烧控制系统，在升温或降温过程中，空气流量和煤气流量交替的跟踪对方流量值的大小，从而使空燃比始终保持在设定空燃比的允许范围内，是空气流量和煤气流量受到燃料过剩界限和空气过剩界限的限制。

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。

在环形加热炉加热钢坯的过程中，空燃比过高，使钢坯表面氧化，热量损失增加；空燃比过低，使燃料不能完全燃烧，造成煤气外流，浪费了燃料并污染了环境。

所以为了控制温度，工艺上不但要求燃料量与空气量成一定比例，而且要求在温度发生变化时，燃料与空气的提降量有一定的先后次序，以保证空燃比的合理性及供热区段温度的可控性。

本设计采用双交叉限幅控制，即以炉内温度为主环，空、煤气为副环的串级炉温控制回路。

串级控制系统是由其结构上的特征而得名的。

它是由主、副两个控制器串接工作的。

主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对变量的定值控制。

在这个设计中，主控制器是温度控制器，副控制器是燃料控制器或者是空气控制器，这要依据提降时的先后顺序而定。

三.1.2炉温控制系统

本环形加热炉炉温控制系统主要由炉温检测和炉温调节两个系统组成。

炉温检测系统：

环形炉每段设2支热电偶检测炉膛温度，检测信号通过温度变送器转换进入PLC的AI模块，通过程序判断取其中一个参与炉膛温度调节。

每加热段的空气和煤气的流量检测仪表为涡街流量计，差压变送器将4—20mADC信号送到PLC的AI模块，通过程序计算得出流量瞬时值，并参与炉膛温度调节。

炉温调节系统：

环形炉共有6段炉温自动控制，每段两个流量调节阀，分别为空气支管上的流量调节比例阀和煤气支管上的调节比例阀。

当加热炉正常生产时，PLC系统接收来自现场的路膛温度值，通过控制程序的PI运算及一系列边界条件的处理输出控制信号，在保证设定空燃比的条件下，控制空气支管及煤气支管上调节比例阀的开度，由此调节该段助燃空气及煤气流量相互限幅而又交替上升或下降，从而调节炉膛各个燃烧段的温度值达到设定温度值。

现场调试时反复调节PD参数，使燃烧过程达到最佳，炉温曲线达到最优，炉温平稳变化不超调，且响应时间最短，由此确定P、I参数值，作为PD调节的最终参数。

但由于温度变化比较缓慢，即使空气流量和煤气流量已达合理值，所要控制的温度仍未增加或减小到设定值，这样阀门开度将继续增大或减小，等温度达到设定值时，流量已偏离合理值，这样温度将反复波动甚至震荡，而且在环形炉正常生产过程中，存在其他影响炉温稳定的因素，所以，必须采取一系列措施避免或减弱因此而引起的炉温的大幅震荡。

三.1.3引起炉温波动的因素

通过在现场实际调试，发现引起炉温波动的主要因素有以下3个方面：

⑴煤气压力突然大幅波动，引起炉温剧烈变化。

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

煤气压力的大幅波动会直接导致煤气流量的大波动，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。

⑵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较大影响。

尤其当开、闭炉门之间的间隔时间比较久，炉温震荡比较大。

⑶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，要保持同样的炉温，煤气需求量增加，同时由于吸进大量空气，是氧化铁皮增加，加大了烧损。

三.1.4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:

⑴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。

⑵PID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℃,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。

⑶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。

⑷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。

三.2燃烧控制系统

三.2.1双交叉限幅控制

加热炉生产控制过程中使空气和煤气保持一定的比例，是加热炉达到最佳燃烧的关键所在。

当空气流量过小时，空气过剩系数μ<1.0，由于此时燃料不能得到充分燃烧，导致热效率降低，同时造成烟囱冒黑烟，污染环境。

相反，如果燃烧空气过多，多余的空气被加热后随着废气一同带走，造成热效率降低，而且造成钢坯表面过氧化。

热效率与热损失及空气过剩系数之间的关系如图3.1所示。

图3.1空气过剩系数与节能燃烧示意图

由此可见，在上述两种情况之间存在一个热损失小和污染小、热效率最高的低氧燃烧区，这种状态使排烟量减少，火焰温度升高，并使高温区热效率提高，这就是最佳燃烧区。

一般以煤气为燃料的燃烧系统最佳燃烧区的空气过剩系数在1.02—1.10之间，理想的燃烧过程应该是无论负荷稳定还是急剧变化的情况下都能在最佳燃烧区内进行。

环形加热炉燃烧系统常用的控制方式为双交叉燃料流量控制、炉膛温度串级控制、上下部燃烧区域温度主副控制、燃料温度压力控制等，燃烧控制回路如图3.2所示。

图3.2燃烧控制回路

我们选择在加热Ⅱ段和均热段采用双交叉限幅燃烧控制。

系统构成的基础是炉温与煤气流量和空气流量的并列串级控制系统。

其中，温度控制回路是主回路，温度控制器是主控制器，实现系统的粗调，煤气和空气流量回路是平行的副回路，煤气控制器和空气控制器是平行的副控制器，完成精确控制，如图3.3所示。

图3.3双交叉限幅系统控制图

图中β为空燃比，煤气交叉限幅器的输出（G）是煤气流量控制器的设定值，空气交叉限幅器的输出（H）是预热空气控制器的设定值，煤气和空气交叉限幅器由一个高选择器和一个低选择器组成。

当负荷发生变化时，空气流量的变化和煤气流量的变化相互制约，并使空气流量和煤气流量在预先设