冷軋罩式退火爐控制系統(tǒng)的研究

李 坤

（山鋼股份萊鋼分公司 自動(dòng)化部，山東 萊蕪 271104）

0 引言

全氫罩式退火爐是高質(zhì)量冷軋帶鋼產(chǎn)品的退火工藝設(shè)備，該設(shè)備具有生產(chǎn)效率高、退火產(chǎn)品質(zhì)量高、能量消耗低等優(yōu)點(diǎn)。該退火爐的生產(chǎn)工藝包括將冷軋過后的帶鋼卷放置在氫氣包圍的密閉空間中加熱（800℃左右）、保溫、冷卻的全過程。經(jīng)過退火的鋼卷，其表面質(zhì)量、光澤度、韌性等得到了很大的提高。但是，由于鋼卷是在密閉的空間并且伴有強(qiáng)對(duì)流循環(huán)的純氫氣包圍中進(jìn)行分階段加熱的，因此在整個(gè)退火生產(chǎn)過程中對(duì)溫度的控制要求很高，并且要保證整個(gè)生產(chǎn)過程的安全性，因此，該生產(chǎn)工藝對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)及控制方式有很高的要求，既要有可靠性又要有穩(wěn)定性。

罩式退火爐主要由基座、加熱罩、冷卻罩、內(nèi)罩、供氣閥架等基礎(chǔ)設(shè)備構(gòu)成，控制系統(tǒng)由西門子PLC、I／O等組成。目前罩式退火爐大多采用間歇式的生產(chǎn)節(jié)奏，即先把冷軋后的帶鋼卷置于退火爐的基座上，并套上內(nèi)罩，同時(shí)將內(nèi)罩與基座卡嚴(yán)貼緊；通過冷泄漏試驗(yàn)排盡內(nèi)罩的所有空氣，然后將加熱罩套在內(nèi)罩外面，再根據(jù)工藝設(shè)定的溫度曲線進(jìn)行程序調(diào)用、自動(dòng)加熱；待整個(gè)加熱工藝完成后，經(jīng)過熱泄漏測(cè)試其密閉性，再將冷卻罩套在內(nèi)罩上進(jìn)行冷卻。在整個(gè)生產(chǎn)過程中，必須防止空氣進(jìn)入裝料工作區(qū)，同時(shí)也要保證裝料工作區(qū)域內(nèi)的氣體壓力恒定。

1 退火工藝流程

退火工藝流程（即加熱－保溫－冷卻吹掃）主要是根據(jù)帶鋼內(nèi)部化學(xué)成分、目標(biāo)產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、帶鋼幾何尺寸和鋼卷重量等因素確定的。生產(chǎn)工藝流程過程中要確保層間不粘連、表面不氧化等。

1．1 加熱過程

冷軋后鋼卷的加熱速度主要取決于鋼的導(dǎo)熱系數(shù)的大小。鋼中碳含量、合金含量對(duì)熱傳導(dǎo)影響很大。若其含量過高，則導(dǎo)熱系數(shù)必然減小，那么就要求加熱速度適當(dāng)放慢，以避免罩內(nèi)外溫差過大，造成退火鋼帶組織和性能的不均勻分布。目前自然加熱控制工藝為：室溫到400℃，加熱速度可快可慢，一般來說應(yīng)盡可能快些。因?yàn)楦鶕?jù)鋼的結(jié)晶原理，從室溫到400℃，鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯變化，在冷軋的過程中被拉長的晶粒才獲得復(fù)原，并未再結(jié)晶。加熱鋼卷從400℃到保溫溫度時(shí)，加熱速度對(duì)鋼的內(nèi)部性能和表面質(zhì)量都有很大的影響；根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，加熱速度應(yīng)控制在30℃／h～50℃／h最為合適。因?yàn)樵?00℃～730℃，正是鋼體內(nèi)部晶粒重新結(jié)晶的階段，因此在這個(gè)溫度區(qū)間加熱速率必須精確控制。

1．2 保溫溫度和時(shí)間

帶鋼的再結(jié)晶溫度不是固定的某一溫度，它同帶鋼的內(nèi)部組織狀態(tài)有關(guān)，實(shí)際生產(chǎn)中的再結(jié)晶溫度是在570℃～720℃之間根據(jù)產(chǎn)品選擇的，故保溫的溫度和時(shí)間主要根據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)成熟條件及帶鋼鋼種和帶鋼的厚度來確定，此外它還與鋼卷卷重、帶鋼厚度有直接關(guān)系。卷重大、鋼板厚，則保溫溫度相對(duì)要高，保溫時(shí)間也相對(duì)要長。對(duì)于容易在層間產(chǎn)生粘結(jié)缺陷的鋼卷以及薄規(guī)格的帶鋼，其保溫溫度可適當(dāng)放低，同時(shí)保溫時(shí)間也要縮短。

1．3 吹掃

要使帶鋼無脫碳、無氧化必須進(jìn)行退火。退火鋼卷防止氧化的關(guān)鍵是必須使保護(hù)罩內(nèi)的壓力滿足工藝要求。另外，還要認(rèn)真搞好冷吹和熱吹。冷吹和熱吹的目的是利用保護(hù)氣體驅(qū)走內(nèi)罩中的空氣和鋼卷帶進(jìn)的油氣水分。熱吹的作用除了將內(nèi)罩中的殘余氣體進(jìn)一步趕盡之外，更重要的是將板卷帶來的乳化液產(chǎn)生的油煙、水蒸氣等有害物質(zhì)全部吹凈，避免玷污鋼板表面而降低鋼板表面質(zhì)量。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)退火的工藝特點(diǎn)和自動(dòng)控制的要求，該控制系統(tǒng)采用了一套PLC同時(shí)控制2臺(tái)全氫罩式退火爐的控制模式?？刂葡到y(tǒng)包括S7－400控制器、分布式I／O ET200從站、OP操作面板以及CIMPLICITY顯示器等，它采用SIEMENS公司的Profibus＿DP現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行通訊。

2．1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

工程計(jì)算機(jī)和主站S7－400之間采用Profibus－FMS協(xié)議，主控制站S7－400與遠(yuǎn)程從站I／O之間采用Profibus－DP協(xié)議。

2．2 從站分布及其特點(diǎn)

該系統(tǒng)由3個(gè)從站組成，即爐臺(tái)閥站（ET200M）、加熱罩 （ET200M）和 各類風(fēng)機(jī) （ET200B）。為了今后控制系統(tǒng)能有足夠的升級(jí)空間，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)者應(yīng)充分考慮到擴(kuò)展問題，在主PLC控制站內(nèi)為其他爐臺(tái)預(yù)留了一定的硬件空間。

該控制系統(tǒng)采用ET200從站的分布式I／O控制方案，有效提高了該控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性及抗干擾能力，同時(shí)在很大程度上節(jié)約了硬件配置成本。其主要特點(diǎn)如下：①可靠性高，主PLC系統(tǒng)與通信網(wǎng)絡(luò)、分布式I／O從站之間實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，徹底杜絕了由于其中一設(shè)備發(fā)生故障而影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中其余電氣設(shè)備的正常運(yùn)行；②設(shè)備之間連接線短，可就地處理信號(hào)，引入干擾大大減小，同時(shí)卡件供電分散處理也相對(duì)降低了電源引入干擾造成的故障，或者由于某個(gè)電源故障而引起的整套系統(tǒng)的故障；③其靈活性好，若生產(chǎn)工藝改變時(shí)需增加信號(hào)，只要將新增信號(hào)直接接入附近I／O從站柜即可，改造簡(jiǎn)單方便，降低了成本。

3 功能控制設(shè)計(jì)思想

采用計(jì)算機(jī)的離線數(shù)學(xué)模型作為退火控制的控制基礎(chǔ)，來完成退火整個(gè)過程的系統(tǒng)控制，具體包括：①點(diǎn)火的自動(dòng)控制、燃燒過程的控制；②旁路風(fēng)機(jī)、循環(huán)風(fēng)機(jī)、冷卻風(fēng)機(jī)等的變頻器通訊控制；③氮?dú)夂蜌錃饬髁?、壓力控制；④爐內(nèi)溫度、壓力監(jiān)測(cè)與控制；⑤緊急吹掃控制、冷卻水等輔助系統(tǒng)控制；⑥各種閥門控制等。

3．1 氫氣流量的PID自動(dòng)調(diào)節(jié)

退火加熱以及保溫過程中要一直保持氫氣吹掃，然而為達(dá)到節(jié)能降耗、降低噸鋼成本、增加企業(yè)效益的目的，在保證帶鋼退火質(zhì)量的情況下應(yīng)使所用的氫氣量達(dá)到理想的最小值，并要使?fàn)t內(nèi)氣體壓力保持恒定。根據(jù)此工藝要求，在退火前應(yīng)該對(duì)氫氣流量采取PID調(diào)節(jié)控制，后期應(yīng)該采用爐內(nèi)壓力穩(wěn)定的閉環(huán)控制，并且能夠保證內(nèi)罩壓力在控制范圍內(nèi)，對(duì)氫氣流量的調(diào)節(jié)閥則使用時(shí)序控制方式。根據(jù)改造后現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際使用情況，該控制方式可以滿足其工藝要求。

3．2 精確控制退火溫度

按生產(chǎn)工藝，可以將退火爐在退火時(shí)的溫度分為兩段，即加熱段和均熱段。加熱段通過控制初始的燃燒量來控制整個(gè)燃燒過程；均熱段則根據(jù)爐內(nèi)溫度來控制爐內(nèi)的燃燒過程。根據(jù)生產(chǎn)工藝的設(shè)備情況，采用PID調(diào)節(jié)器來控制退火過程的燃燒過程，利用串級(jí)控制調(diào)節(jié)，主環(huán)為溫度環(huán)，副環(huán)為燃?xì)饬髁靠刂骗h(huán)，并在副環(huán)控制過程中進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)校正值系數(shù)的校正、以優(yōu)化流量的設(shè)定值。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，驗(yàn)證了該控制方法的可行性。

4 結(jié)束語

該控制系統(tǒng)改造主要采用PID控制器替代常規(guī)控制器，降低了預(yù)測(cè)誤差及干擾對(duì)系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響，提高了控制系統(tǒng)的魯棒性；而且控制算法簡(jiǎn)單快捷、易于實(shí)現(xiàn)，具有很好的應(yīng)用前景。

［1］ 陳智華，田小果．全氫罩式退火爐的控制系統(tǒng)［J］．鋼鐵技術(shù)，2003（5）：34－36．

［2］ 李紅梅，向順華 黃夏蘭，等．鋼絲氫氣罩式退火爐自動(dòng)控制系統(tǒng)［J］．自動(dòng)化儀表，2005，26（1）：53－54．

［3］ 張紀(jì)勇．全氫罩式退火爐控制系統(tǒng)綜述［J］．裝備制造技術(shù)，2009（5）：137－138．