變頻技術(shù)在工業(yè)熱處理爐上的應(yīng)用

夏明蘭

XIA Ming-lan

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 蘇州校區(qū)，蘇州 215137）

0 引言

我校校企業(yè)合作企業(yè)所采用強(qiáng)制空氣循環(huán)電加熱方式鋁及鋁合金進(jìn)行退火爐，最大裝爐量10t，加熱器安裝功率600KW，溫度控制采用晶閘管調(diào)功器，自動(dòng)控制爐溫，能現(xiàn)實(shí)適時(shí)記錄。主要溫度控制點(diǎn)為：100℃,250℃,450℃,600℃，爐內(nèi)溫度及金屬溫度誤差要求控制在±3℃范圍內(nèi)。

1 存在問(wèn)題

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際及工藝需要，退火爐內(nèi)的空氣循環(huán)系統(tǒng)是保證鋁合金達(dá)到加熱溫度及均勻性的關(guān)鍵，為了強(qiáng)化爐膛內(nèi)的熱交換，現(xiàn)采用循環(huán)風(fēng)機(jī)強(qiáng)制爐內(nèi)熱空氣循環(huán)來(lái)保證溫度的均勻性。一般類似的工業(yè)爐循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為高低兩檔，當(dāng)爐內(nèi)溫度大于200℃時(shí)循環(huán)風(fēng)機(jī)由低速擋自動(dòng)轉(zhuǎn)為高速擋。由于在中高溫段(即均熱，退火溫度段)都有成熟的經(jīng)驗(yàn)來(lái)保證爐溫的均勻性，即當(dāng)爐膛內(nèi)溫度升到200℃以上時(shí)，循環(huán)風(fēng)機(jī)由低速轉(zhuǎn)高速，按工藝設(shè)定的溫度控制曲線進(jìn)行升溫、保溫，就能保證堂內(nèi)溫度的均勻性，而該廠鋁合金用退火爐，還需要在100℃左右的低溫段對(duì)金屬溫度進(jìn)行定時(shí)溫度處理，循環(huán)風(fēng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)就難以確保要求的溫度誤差。這是因?yàn)榧词乖诓婚_(kāi)加熱器的情況下，循環(huán)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量也會(huì)使溫度波動(dòng)，在低溫段這就很難保證金屬溫度均勻性。因此，如何控制循環(huán)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是解決該退火爐低溫段，爐膛溫度是否均勻的關(guān)鍵。

2 改進(jìn)措施

傳統(tǒng)的退火爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖（如圖1所示）。該系統(tǒng)主要由PLC邏輯控制系統(tǒng)，溫度控制系統(tǒng)，晶閘管調(diào)工器控制系統(tǒng)，循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)及其他輔助控制系統(tǒng)組成，其控制對(duì)象為：電加熱器，循環(huán)風(fēng)機(jī)，爐門電機(jī)，冷卻風(fēng)機(jī)等。其中溫度控制系統(tǒng)是控制的核心，它是通過(guò)智能儀表來(lái)完成溫度的閉環(huán)控制，其工作原理如下：操作臺(tái)根據(jù)工藝要求將工藝參數(shù)設(shè)定值輸入溫度反饋信號(hào)，經(jīng)冷端補(bǔ)償，線性化處理，PID運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果作為給定值輸入進(jìn)閘管調(diào)功器，調(diào)功器將根據(jù)給定值改變調(diào)功器輸出的占空比，從而改變加熱器的加熱功率達(dá)到精確控溫的目的。

圖1 退火爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖

用對(duì)該工業(yè)爐控制系統(tǒng)來(lái)講，循環(huán)風(fēng)機(jī)控制是保證爐膛溫度均勻性的主要因素，其控制方式如下，當(dāng)加熱溫度在200℃以下時(shí)，循環(huán)風(fēng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)加熱溫度升到200℃以上時(shí)，循環(huán)風(fēng)機(jī)有低運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)高高速運(yùn)轉(zhuǎn)，按設(shè)定溫度曲線進(jìn)行退火處理。由于傳統(tǒng)工業(yè)爐控制裝置只有高，低速兩檔不能滿足該“多用途爐”對(duì)循環(huán)風(fēng)機(jī)的調(diào)速要求，為了保證該“多用爐途”溫度的均勻性，通過(guò)控制循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速使其能保證爐膛的均勻性，由于循環(huán)風(fēng)機(jī)功率37KW，功率較小，所以采用變頻器來(lái)控制循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速即經(jīng)濟(jì)又易于實(shí)現(xiàn)。

3 循環(huán)風(fēng)機(jī)變頻調(diào)控原理

交流電動(dòng)機(jī)的輸出功率為P=MZw，式中MZ為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，w為電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)角頻率。循環(huán)風(fēng)機(jī)負(fù)載特性為MZ∞Kw，即：P∝Kw，式中K對(duì)于循環(huán)風(fēng)機(jī)而言為一定常數(shù)。因此，對(duì)于交流異步電動(dòng)機(jī)實(shí)施變頻調(diào)速就可改變循環(huán)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變爐膛內(nèi)熱空氣的循環(huán)。變頻調(diào)速的基本原理是根據(jù)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與輸入頻率的比值的線性關(guān)系，即：n=60f(1-s)p，式中N電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；為電動(dòng)機(jī)定子供電頻率；P為電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)；S為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率。

從上式中可以看出，通過(guò)改變供給電動(dòng)機(jī)電源的頻率，可以實(shí)現(xiàn)改變循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。因此可根據(jù)工業(yè)爐的不同用途，設(shè)置相應(yīng)的電源工作頻率，以調(diào)整循環(huán)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)堂內(nèi)熱空氣的循環(huán)，保證爐膛內(nèi)爐氣及金屬溫度的均勻性，滿足生產(chǎn)工藝要求。

4 實(shí)施方案

根據(jù)上述對(duì)循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制原理分析，結(jié)合該工業(yè)爐具體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，改進(jìn)該工業(yè)爐循環(huán)風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)（如圖2所示）

現(xiàn)場(chǎng)退火爐變頻器為ABB ACS-40-37KW,兩臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，整個(gè)爐子工作過(guò)程分為四個(gè)階段：加熱、除油吹洗、再加熱、保溫等。在整個(gè)爐子工作過(guò)程中，為了保證爐溫溫度均勻，循環(huán)風(fēng)機(jī)一直工作，在每一個(gè)階段，變頻調(diào)速控制系統(tǒng)都相同，采用變頻器溫度閉環(huán)調(diào)速裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，即：只需通過(guò)采集爐內(nèi)溫度信號(hào)，返饋給變頻器的反饋輸入端，由變頻器內(nèi)部PID運(yùn)算后，控制變頻器輸出，來(lái)改變變頻器風(fēng)機(jī)速度快慢。另外，包括循環(huán)風(fēng)機(jī)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)、低速運(yùn)轉(zhuǎn)、啟動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及變頻器故障處理、爐門關(guān)上壓緊后，循環(huán)風(fēng)機(jī)即可啟動(dòng)，加熱器加熱，該系統(tǒng)控制以及連鎖保護(hù)都由PLC來(lái)完成。其中循環(huán)風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)，停止既可由PLC自動(dòng)控制，又可通過(guò)變頻器上的控制裝置進(jìn)行控制。作為退火爐使用時(shí)，按工藝要求參數(shù)設(shè)定相應(yīng)溫度控制區(qū)間進(jìn)行加熱，退火，來(lái)保爐溫的均勻性以保證產(chǎn)品質(zhì)量。

圖2 循環(huán)風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)框圖

5 實(shí)際運(yùn)行效果

采用變頻器控制循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速后，通過(guò)空爐測(cè)溫及待料測(cè)溫表明，該方案達(dá)到了預(yù)期目的，取得了較好效果。其空爐及待料試車測(cè)溫結(jié)果分別如表1和表2 所示。

表1 空爐測(cè)溫記錄

表2 待料測(cè)溫記錄

從表 1可以看出，低溫段即100℃點(diǎn)空爐試車時(shí)，頻率設(shè)定為15HZ，實(shí)測(cè)9點(diǎn)，各點(diǎn)溫度均控制在±3℃內(nèi)，達(dá)到了工藝要求。其它各溫度段亦控制在±3℃范圍，保證了爐溫的均勻性。從表2可以看出，低溫段100℃帶料試車時(shí)，頻率設(shè)定35HZ，其他各溫設(shè)定為50HZ，爐氣溫度均控制在±3℃內(nèi)，滿足工藝要求。

綜上所述，采用變頻器控制循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速既保證了在低溫段（100℃）金屬溫度的均勻性，又保證了中高溫段退火時(shí)金屬溫度的均勻性，滿足了生產(chǎn)工藝要求。同時(shí)采用變頻調(diào)速器裝置，循環(huán)風(fēng)機(jī)能實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，降低啟動(dòng)噪音，提高了皮帶的使用壽命。采用變頻調(diào)整裝置，還可縮短加熱時(shí)間，提高加熱質(zhì)量，節(jié)能效果顯著，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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