罩式爐的自動控制

張文斌

摘 要：主要介紹了不銹鋼400系退火設(shè)備罩式爐的自動控制系統(tǒng)的硬件及其功能。自動控制的應(yīng)用保證了設(shè)備的可靠運行，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：罩式爐；退火工藝；自動控制；不銹鋼

中圖分類號：TG155.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.10.099

不銹鋼按其成分可分為AISI200系、300系、400系和600系。而AISI400系不銹鋼是國家鼓勵發(fā)展的節(jié)約資源型產(chǎn)品，具有良好的焊接、塑性加工性能和性價比優(yōu)勢。參照國內(nèi)外市場消費比例，結(jié)合太鋼在不銹鋼產(chǎn)業(yè)中的地位，以及400系不銹鋼的發(fā)展趨勢，400系不銹鋼在國內(nèi)有著較大的需求。AISI400系不銹鋼的主要品種和冷加工成形要求較高的產(chǎn)品在國外知名的鋼鐵企業(yè)均采用罩式爐退火。因此，罩式爐退火已成為AISI400系不銹鋼的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 概述

罩式爐退火是在熱軋帶鋼處理線后的黑皮鋼卷與熱軋退火酸洗線的白皮卷之間銜接的工藝環(huán)節(jié)。罩式爐工藝設(shè)備包括爐臺、加熱罩、冷卻罩、內(nèi)罩、對流板、閥站、減壓站、液壓站和排煙系統(tǒng)等。罩式爐的工作過程為：爐臺裝料，放置內(nèi)罩并利用液壓裝置壓緊內(nèi)罩；檢查氫氣入口閥和爐臺內(nèi)罩的密封性，確保系統(tǒng)安全；用氮氣吹掃內(nèi)罩內(nèi)的空氣，使?fàn)t內(nèi)氧含量降低至1%以下，為通入氫氣做好準(zhǔn)備，在內(nèi)罩外放置加熱罩，內(nèi)罩與加熱罩之間為燃燒區(qū)域；采用氮氣置換完空氣后，氧含量低于1%，開始加熱點火，并用氫氣置換氮氣實現(xiàn)全氫退火過程；退火過程的加熱段、均熱段，氫氣定流量吹掃；待加熱罩冷卻，輻射冷卻，待冷卻罩冷卻，分流冷卻，用氮氣吹掃爐內(nèi)氫氣，爐卷出爐完成退火。

2 硬件配置

在筆者參與設(shè)計的新建的30座罩式爐項目中，計算機(jī)系統(tǒng)硬件配置采用西門子PLC系統(tǒng)。其中，30座罩式爐本體分別采用1套PLC（S7-300）系統(tǒng)，包括爐臺閥站氣氛控制PLC（S7-300）柜、加熱罩燃燒控制ET200柜（燃燒控制器+溫度限制控制器+ET200）。共享設(shè)備各采用1套PLC（S7-300）系統(tǒng)，即減壓閥站控制PLC（S7-300）柜。采用4個操作站（2臺為L1操作站、1臺為L2操作站、1臺為iba操作站）、1個工程師站和2臺罩式爐服務(wù)器對30座罩式爐本體及其共享設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)視、操作、參數(shù)計算設(shè)定和控制。30座罩式爐本體PLC系統(tǒng)、共享設(shè)備PLC系統(tǒng)、集中操作站、工程師站與數(shù)據(jù)服務(wù)器采用以太網(wǎng)和profibus網(wǎng)聯(lián)接。共用設(shè)施中，水泵房采用1套計算機(jī)系統(tǒng)，包括1套PLC（S7-300）和1個操作站。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置圖如圖1所示。

3 工藝流程

全氫煤氣罩式爐退火工藝流程如圖2所示。

3.1 鋼卷上裝

操作工通過遙控天車將AISI400系列不銹鋼熱軋卷通過鋼卷夾鉗吊裝到爐臺上。為了保證氣氛流動，在兩個鋼卷之間設(shè)有專用設(shè)備隔開。

3.2 退火工藝的選擇

常用不銹鋼的退火程序均存儲在罩式爐退火二級數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)中或一級現(xiàn)場控制系統(tǒng)PLC的程序中，從而為每種不銹鋼選擇相對應(yīng)的退火程序。當(dāng)某種不銹鋼進(jìn)行退火時，PLC按照程序指令執(zhí)行相應(yīng)程序，控制退火自動進(jìn)行。如果出現(xiàn)故障，則操作工可以中斷退火過程，保障設(shè)備和人員的安全。

3.3 扣上并鎖緊內(nèi)罩

操作工根據(jù)內(nèi)罩高度堆好三四個鋼卷后，將波紋板內(nèi)罩放到爐臺上。用液壓自動夾鉗鎖緊裝置將內(nèi)罩與爐臺鎖緊，內(nèi)罩安裝完成，冷卻系統(tǒng)具備工作條件。

3.4 初始泄漏檢測

內(nèi)罩安裝完成后，系統(tǒng)將開始初始泄漏檢測。系統(tǒng)會關(guān)閉所有氣體的進(jìn)口和出口閥門，內(nèi)罩根據(jù)程序設(shè)定調(diào)整到5 kPa左右。如果罩式爐內(nèi)壓力在規(guī)定時間范圍內(nèi)保持在要求的壓力量程內(nèi)，則罩式爐操作員站自動給出內(nèi)罩泄漏檢測合格證，可進(jìn)行下一步退火工作。

3.5 內(nèi)部氣氛置換

如果罩式爐操作界面顯示“內(nèi)罩無泄漏”，程序會自動以120 m3/h的流量向內(nèi)罩內(nèi)充入N2，N2的充入時間約40 min。在充入過程中，系統(tǒng)會自動監(jiān)測N2的充入時間和充入量。通過壓力檢測儀測量內(nèi)外壓差，流量計檢測氣體流量，氧分析儀檢測內(nèi)罩氣氛中的氧氣濃度。只有當(dāng)內(nèi)罩內(nèi)的氧氣濃度≤1%時，才開始將氫氣充入到內(nèi)罩中。在氫氣充氣的過程中，操作工將加熱罩對準(zhǔn)導(dǎo)向柱安裝到內(nèi)罩外。

為了保證系統(tǒng)安全，系統(tǒng)會一直進(jìn)行內(nèi)罩的壓力監(jiān)控。當(dāng)檢測到內(nèi)罩壓力低于安全要求時，會自動打開介質(zhì)管網(wǎng)上的閥門，往內(nèi)罩充入保安氣體N2，退火氣體氫氣供應(yīng)自動斷開，由N2對罩式爐內(nèi)進(jìn)行保壓。

3.6 加熱階段

在罩式爐加熱罩外部安裝了48個點火燒嘴，每個燒嘴均自帶自動點火裝置。PLC自動控制系統(tǒng)根據(jù)鋼種的退火曲線控制每個點火燒嘴的開關(guān)狀態(tài)，并按照數(shù)學(xué)模型中設(shè)定的退火溫度，適當(dāng)調(diào)整點火燒嘴的數(shù)量和點火燒嘴的分布位置，以達(dá)到罩式爐內(nèi)溫度的均勻，從而使鋼卷退火均勻，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

加熱罩上設(shè)置了1個高溫報警器。當(dāng)加熱罩內(nèi)的溫度達(dá)到溫度報警器的報警值時，則發(fā)出高溫報警給自動控制系統(tǒng)，PLC自動控制系統(tǒng)快速響應(yīng)，做出相應(yīng)動作，以保護(hù)退火設(shè)備和鋼

卷。加熱罩燃燒系統(tǒng)的安全防護(hù)措施為：煤氣管路閥組的泄漏檢測；燃燒系統(tǒng)的自動監(jiān)測和控制。燃燒系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型統(tǒng)一控制加熱罩上的所有燒嘴，每個燒嘴由1個燃燒安全監(jiān)控器即時進(jìn)行燃燒狀態(tài)的監(jiān)測。如果點火失敗或發(fā)生脫火、回火現(xiàn)象，系統(tǒng)會自動關(guān)閉燃?xì)夤苈贰Ｔ跓烊紵业念A(yù)吹掃中，由于加熱罩上的燒嘴常需關(guān)閉，當(dāng)重新打開時，系統(tǒng)會先充入空氣，經(jīng)過一定的時間后，才自動開啟燃?xì)夤苈烽y門。

3.7 保溫泄漏檢查

在加熱曲線結(jié)束后，需要進(jìn)行一定的保溫。通常在保溫結(jié)束前，要進(jìn)行保溫泄漏檢查，為結(jié)束加熱罩的工作做準(zhǔn)備。在保溫結(jié)束前的15 min內(nèi)會對氫氣進(jìn)行泄漏檢查，如果一切正常，則結(jié)束保溫，吊走加熱罩，加熱罩工作結(jié)束。

3.8 冷卻階段

加熱罩工作結(jié)束后，冷卻罩開始工作。通過導(dǎo)向柱定位，冷卻罩很容易吊裝到位，PLC控制系統(tǒng)的冷卻程序自動啟動并進(jìn)行鋼卷的冷卻流程。冷卻罩上的冷卻風(fēng)機(jī)高速運行，將鋼卷冷卻至漏點溫度，然后雙速冷卻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)入低速運行，直至冷卻結(jié)束。

3.9 最終氣體的置換

當(dāng)罩式爐內(nèi)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)的冷卻溫度時，冷卻工作結(jié)束，需要進(jìn)行最終氣體置換，使用氮氣將罩式爐內(nèi)的氫氣置換出來。具體流程為：停止冷卻風(fēng)機(jī)，爐臺變頻風(fēng)機(jī)的速度開始減小，氮氣回路的進(jìn)、出閥門重新打開；當(dāng)?shù)獨獬淙肓繚M足設(shè)定的要求，或者氮氣充入時間滿足要求時，停止?fàn)t臺變頻風(fēng)機(jī)；操作工人利用遙控天車吊走冷卻罩，液壓系統(tǒng)啟動松開內(nèi)罩夾鉗，吊走內(nèi)罩；操作工人將已退火完畢的鋼卷吊離爐臺。1個退火周期結(jié)束。

4 系統(tǒng)說明

罩式爐L1控制系統(tǒng)主要控制設(shè)備的邏輯和連鎖關(guān)系、安全保護(hù)和操作方式等。在控制設(shè)備中，控制器、檢測設(shè)備、自動調(diào)節(jié)閥門和特殊儀表等可確保連鎖功能。操作以COS為主，現(xiàn)場操作的確認(rèn)通過現(xiàn)場按鈕和指示燈進(jìn)行，爐臺PLC柜面板上安裝的OP面板可在調(diào)試或COS故障時對罩式爐進(jìn)行應(yīng)急操作。罩式爐L2系統(tǒng)主要用于優(yōu)化退火工藝，方便操作人員對鋼卷進(jìn)行組垛和分配爐臺，并能實現(xiàn)對罩式爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)的管理。系統(tǒng)提供的鋼卷退火模型包括經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃蜋C(jī)理模型（離線和在線退火模型）。經(jīng)驗?zāi)Ｐ突谕嘶鸸に?，可重?fù)，即相同的鋼卷垛，如果爐況相同，則其退火工藝也相同，因此，對于新組的鋼卷垛，通過從庫中選取對應(yīng)的經(jīng)驗，可給出工藝曲線，對于組成的鋼卷垛沒有對應(yīng)的經(jīng)驗，可采用模糊算法，對相近的經(jīng)驗進(jìn)行模糊運算，從而給出最佳工藝曲線；機(jī)理模型用于計算從鋼卷垛加熱段，可滿足垛中鋼卷冷點達(dá)到退火設(shè)定溫度所需的時間間隔。

預(yù)設(shè)的退火曲線只是根據(jù)鋼種的特性而設(shè)定的，不能根據(jù)實際鋼卷垛的卷數(shù)和鋼卷的具體參數(shù)調(diào)整。由于經(jīng)驗?zāi)Ｐ烷_發(fā)周期短、效果明顯，可作為過渡時期的選用模型。待積累了豐富的現(xiàn)場數(shù)據(jù)、機(jī)理模型參數(shù)獲取完備后，逐步由機(jī)理模型取代經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?/p>

5 結(jié)束語

我公司大批量地使用了罩式爐退火設(shè)備，其系統(tǒng)穩(wěn)定、自動化程度高、各項控制要求和精度達(dá)到了國內(nèi)較高水平，帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，生產(chǎn)出了優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。

〔編輯：張思楠〕