燃?xì)馐捷伒谞t爐溫均勻性研究

徐新樂，蘇　震，王克偉，施建華，孫　林，沈明艷，張　怡

（中國兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所，北京100089）

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燃?xì)馐捷伒谞t爐溫均勻性研究

徐新樂，蘇震，王克偉，施建華，孫林，沈明艷，張怡

（中國兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所，北京100089）

針對(duì)燃?xì)馐捷伒谞t爐溫均勻性現(xiàn)狀，分析了影響爐溫均勻性的因素，提出了改進(jìn)爐溫均勻性的措施。實(shí)際結(jié)果表明：燒嘴分布、熱電偶位置以及爐溫控制方式等對(duì)爐溫均勻性影響大。合理分配燒嘴及其功率、準(zhǔn)確確定控溫點(diǎn)位置、選擇適當(dāng)?shù)臓t溫控制方式可以得到較為理想的爐溫均勻性，燃?xì)馐捷伒谞t爐溫均勻性在±5℃范圍內(nèi)，超過了國家ⅢA爐±8℃要求。

輥底爐；爐溫均勻性；燒嘴；熱電偶；控制方式

燃?xì)馐捷伒谞t是鋼板等平板類金屬件熱處理常用的設(shè)備，其爐溫均勻性可以直接影響平板熱處理后產(chǎn)品的質(zhì)量［1］，是輥底爐需要控制的重要參數(shù)。為了提高熱處理爐爐溫均勻性，科研人員開展了多方面的研究。劉增環(huán)等采用k-ε湍流雙方程模型，對(duì)臺(tái)車爐爐膛內(nèi)溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬和研究，得出了合理有效組織燃燒的燒嘴布置和偏移角度，保證了爐膛溫度的均勻性，為提高加熱質(zhì)量和優(yōu)化爐型結(jié)構(gòu)提供了參考依據(jù)［2］。潘繼宗等研究了不同爐型影響爐溫均勻性的因素及消除辦法［3］，吳建光等探討了步進(jìn)梁式燃?xì)廨伒谞t爐溫均勻性的優(yōu)化方法［4］，劉峰等利用數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)一座采用蓄熱燃燒的臺(tái)車式加熱爐加熱鋼坯的過程進(jìn)行了數(shù)學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)研究，得出了三種不同燒嘴布置方案的鋼坯溫度分布，模擬結(jié)果符合現(xiàn)場實(shí)際［5］。張西軍研究了臺(tái)車式與箱式電阻爐爐溫均勻性差的原因及解決辦法，保障了其爐溫均勻性在±10℃以內(nèi)［6］。

燃?xì)馐捷伒谞t爐溫均勻性影響因素很多，主要有爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、爐體保溫密封、熱源分布、燃?xì)獾膲毫εc熱值、測溫點(diǎn)布置、控制方式等。熱處理爐建造完成后，其均勻性的可控因素主要就是測溫點(diǎn)布置與控制方式。

2014年對(duì)某公司燃?xì)馐捷伒谞t爐溫均勻性進(jìn)行了分析，提出了提高爐溫均勻性的辦法，保證了爐溫均勻性符合工業(yè)爐A標(biāo)準(zhǔn)，不僅有效確保了輥底爐處理鋼板的性能，而且提高了輥底爐的生產(chǎn)效率。

1　燃?xì)馐捷伒谞t基本狀況

輥底爐有效尺寸為長度×內(nèi)寬×內(nèi)高=10 390 mm×2 600 mm×2 355 mm，爐輥直徑Φ210 mm，爐輥運(yùn)行采用變頻調(diào)速，最大速度可達(dá)2 m/s；處理最大鋼板規(guī)格是8 000 mm×2 200 mm×22 mm；爐體最高使用溫度為1 000℃，爐溫均勻性要求符合GB/T 9452-2012ⅢA爐溫度均勻性要求。

輥底爐本體由爐體鋼結(jié)構(gòu)、筑爐材料組成。爐體鋼結(jié)構(gòu)由標(biāo)準(zhǔn)的型鋼和鋼板焊接在一起。爐體鋼結(jié)構(gòu)還包括爐輥和燒嘴的支撐和密封件。爐頂及爐輥以上側(cè)墻采用陶瓷纖維模塊、纖維毯等輕型結(jié)構(gòu)，可使輥底爐具有較小的熱惰性。爐底及爐輥以下側(cè)墻采用粘土磚、保溫磚和絕熱毯等，既保溫又有一定的強(qiáng)度。

燃燒系統(tǒng)由助燃風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、燃?xì)忾y站、鼓風(fēng)空氣管道、引風(fēng)空氣管道、燒嘴等組成，燃料為天然氣。該爐采用明火式燒嘴及換熱器、ON/OFF燃燒控制方式。全爐共有16個(gè)燒嘴，該燒嘴是燃燒系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其控制原理是燃燒控制器得到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)，分別向空燃?xì)怆姶砰y和點(diǎn)火器發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，使燒嘴按預(yù)先設(shè)定的加熱制度向爐內(nèi)供熱。每個(gè)燒嘴都配有火花電極和火焰監(jiān)測裝置，通過空氣和燃?xì)庠谌紵覂?nèi)混合，熱風(fēng)溫度可以達(dá)到550℃以上，燃燒更加充分；形成的火焰長度可達(dá)500 mm，且火焰噴出速度可達(dá)120～150 m/s，保證了火焰在爐內(nèi)產(chǎn)生充分?jǐn)_動(dòng)，從而確保爐內(nèi)有效加熱區(qū)內(nèi)的溫度均勻性。

排煙系統(tǒng)由一臺(tái)引風(fēng)機(jī)、燒嘴引射器及排煙管道等組成，可以將燃?xì)馊紵娜繜煔馔ㄟ^換熱器排出。在靠近引射器出口有一個(gè)罩式喇叭管來收集與空氣混合的煙氣，以降低廢氣的溫度，然后匯入煙氣支管、總管，經(jīng)過排煙引風(fēng)機(jī)進(jìn)入煙囪排出。

2　控制系統(tǒng)

輥底爐的控制系統(tǒng)由工控機(jī)、西門子S7-300系列PLC、Profibus-DP總線、變頻器等構(gòu)成，包括熱工和傳動(dòng)控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可以對(duì)熱處理設(shè)備進(jìn)行集中操作和控制。輥底式熱處理爐采用自身預(yù)熱式燒嘴、ON/OFF脈沖控制、引風(fēng)機(jī)引射式強(qiáng)制排煙。爐輥傳動(dòng)通過變頻器控制，可實(shí)現(xiàn)正反傳動(dòng)、快慢傳動(dòng)、爐內(nèi)擺動(dòng)。圖1為輥底爐控制系統(tǒng)框圖。

3　均勻性測試

圖1　輥底爐控制系統(tǒng)框圖

輥底爐布置由16只自預(yù)熱燒嘴組成，爐輥上下各8只，錯(cuò)位平行布置，如圖1所示，A序號(hào)燒嘴為爐輥上布置，B序號(hào)燒嘴布置在爐輥下方。全爐分8個(gè)控制區(qū)，每區(qū)控制2只燒嘴，圓點(diǎn)為輥底爐各控制區(qū)測溫點(diǎn)，一至四區(qū)控制熱電偶由爐頂插入，五至八區(qū)控制熱電偶由爐側(cè)墻插入（爐輥下方），熱電偶插入點(diǎn)錯(cuò)開各燒嘴火焰直射區(qū)。依據(jù)GB/T 9452-2012［7］采用特穩(wěn)攜式效驗(yàn)儀（型號(hào)JY822，0.02級(jí)）及Ⅰ級(jí)N型熱電偶對(duì)輥底爐的有效加熱區(qū)的溫度進(jìn)行了測量，同時(shí)為分析爐膛溫度分布趨勢，檢測了爐膛橫截面的溫度。由于本燃?xì)馐捷伒谞t只處理鋼板，因此其有效加熱區(qū)長×寬×高定位為9 000 mm×2 300 mm× 400 mm，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ⅢA爐測量12個(gè)點(diǎn)溫度即可，但筆者提高要求，測量了14個(gè)點(diǎn)溫度，具體測量溫度點(diǎn)位置如圖2所示。

圖2　輥底爐燒嘴分布圖

4　結(jié)果討論與分析

影響輥底爐爐溫均勻性的因素很多，關(guān)鍵因素有燒嘴的布置及其功率分布、控制方式及手段、控溫點(diǎn)的確定等。

4.1燒嘴分布及其功率大小

燒嘴分布需要在爐體建造之前設(shè)計(jì)好，一旦建造好爐體，其燒嘴分布就難以變更。但是，燒嘴的功率可以根據(jù)輥底爐實(shí)際狀況進(jìn)行調(diào)整。燒嘴的燃燒能力計(jì)算公式［8］：

式中：V0為燒嘴燃燒能力；F為燒嘴出口截面積；T0為標(biāo)準(zhǔn)溫度273 K；P為燃?xì)鈮毫?；ξ為阻力系?shù)，ρ0為燃?xì)饷芏龋籘為燃?xì)鈱?shí)際溫度。

由式（1）可知，通過改變?nèi)細(xì)獾膲毫?，同時(shí)相應(yīng)改變助燃空氣的壓力（確定好燃燒充分的空燃比），即可以調(diào)整燒嘴的燃燒能力（功率）。

4.2控溫點(diǎn)的確定

輥底爐控溫點(diǎn)的位置至關(guān)重要，如果熱電偶放置位置不合適，其爐溫均勻性及準(zhǔn)確性是很難保證的。圖3為輥底爐橫截面溫度分布曲線（設(shè)定溫度860℃），其中工件有效加熱區(qū)域在距爐頂950 mm以下，這一區(qū)域的溫度與距爐頂330 mm上下區(qū)域的溫度非常接近。因此為了獲得與工藝溫度相一致的控制溫度，控溫點(diǎn)即熱電偶插入位置應(yīng)確定在距爐頂330 mm附近，這樣既確保了工藝溫度的準(zhǔn)確性，又使得工件不會(huì)與熱電偶碰撞，同時(shí)還可以避免燒嘴燃燒時(shí)火焰對(duì)熱電偶的沖擊。

圖3　輥底爐橫截面溫度分布圖

4.3控制模式的確定

使用的燒嘴是高速明火式燒嘴，火焰速度快，且火焰較長，每次燃燒及火焰熄滅都會(huì)破壞火焰周圍的熱平衡，這些過程既是為有效加熱區(qū)輸送熱能，也是對(duì)有效加熱區(qū)的氣氛進(jìn)行攪動(dòng)，使有效加熱區(qū)溫度趨于平衡、穩(wěn)定。因此，將控溫點(diǎn)的控溫精度提高，也即處理好控溫點(diǎn)與燒嘴供能、擾動(dòng)的平衡關(guān)系，就能在有效加熱區(qū)得到比較理想的均勻爐溫。從控制角度看，控制參數(shù)與影響控制參數(shù)的因素之間關(guān)系越簡單，越易控制。但實(shí)際上，影響溫度控制的因素很多，其關(guān)系復(fù)雜、非線性，且耦合因素多。為此，主要采取了一些簡化的方式：

（1）控溫對(duì)象不考慮其數(shù)學(xué)關(guān)系，只將其作為一個(gè)黑盒子考慮，即只考慮輸入與輸出；

（2）每個(gè)控溫點(diǎn)要控制多個(gè)燒嘴的通斷，不考慮每個(gè)燒嘴的工作狀況，將一個(gè)控溫點(diǎn)控制的所有燒嘴作為一個(gè)整體來考慮；

（3）設(shè)定溫度高低限，高于高限，則關(guān)閉此控溫點(diǎn)控制的所有燒嘴，低于低限，則打開所有燒嘴，在高低限之間則按照專門的PID算法進(jìn)行控制。圖4為輥底爐爐溫均勻性測試結(jié)果 （設(shè)定溫度860℃），其均勻性較好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖4　均勻性檢測溫度分布圖

5　結(jié)論

通過對(duì)燃?xì)馐捷伒谞t控溫點(diǎn)的確定，控制模式的選擇，其溫度控制比較理想，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但也發(fā)現(xiàn)了一些問題：一是本輥底爐燒嘴布置不甚合理，爐輥以上燒嘴布置太多，其利用率較低，特別是在冷爐升溫和有工件保溫階段，燒嘴開通時(shí)間很少，以至于燒嘴外觀因熱變色，不美觀；二是爐輥上下的燒嘴功率分布不合適，爐輥上燒嘴功率明顯偏大，既浪費(fèi)資源，也增加了制造成本。實(shí)際上爐溫達(dá)到900℃或以上時(shí)，爐輥已成為了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的熱源（紅熱狀態(tài)），當(dāng)工件進(jìn)爐后，通過燒嘴快速補(bǔ)充工件加熱所需熱能，設(shè)計(jì)時(shí)燒嘴功率只要滿足最大工件加熱工藝要求時(shí)間就可以，當(dāng)然需要加入爐體本身的熱損失。輥底爐的爐溫均勻性控制是一個(gè)系統(tǒng)工程，要實(shí)現(xiàn)理想的均勻性要求，需從爐體設(shè)計(jì)開始，全方位考慮其影響因素。

［1］唐鄭磊，張紅偉，楊東，等.輥底式熱處理爐過程控制系統(tǒng)及應(yīng)用［J］.金屬材料與冶金工程，2011，39（3）：19-23.

［2］劉增環(huán)，王利珍，何廣祥.加熱爐爐溫均勻性優(yōu)化控制研究［J］.工業(yè)爐，2011（1）：9-11.

［3］潘繼宗，王光霞.影響爐溫均勻性的因素及消除辦法［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2003，24（2）：36-37.

［4］吳建光，秦建超.加熱爐優(yōu)化爐溫分布均勻性的研究［J］.冶金自動(dòng)化，2011（S2）：441-443.

［5］劉峰，朱梅，劉坤，等.蓄熱式臺(tái)車加熱爐加熱鋼坯溫度均勻性數(shù)值研究［J］.冶金能源，2011，30（1）：27-29。

［6］張西軍.電阻加熱爐爐溫均勻性差的原因及解決辦法［J］.金屬熱處理，2011，36（9）：112-113.

［7］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.熱處理有效加熱區(qū)測定辦法［S］.北京，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

［8］蒂姆恰克，占索夫斯基.加熱爐與熱處理計(jì)算手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989.

Research of Temperature Uniformity in Gas Roller Hearth Furnace

XU Xinle，SU Zhen，WANG Kewei，SHI Jianhua，SUN Lin，SHEN Mingyan，ZHANG Yi
（Advanced Technology Generalization Institute of China North Industries Group，Beijing 100089，China）

Aiming at the situation of gas roller hearth furnace temperature uniformity，the factors affecting furnace temperature uniformity are analyzed，and the improvement methods are presented.Actual results show that the burners scatter，thermal couple place and furnace temperature control mode affect obviously temperature uniformity.Rational distribution of burners and their power，precise fixing temperature position and proper control mode can get ideal furnace temperature uniformity，the gas roller-furnace′s range is±5℃，which is aboveⅢA furnace′s±8℃.

roller hearth furnace；furnace temperature uniformity；burner；thermal couple；control mode

TG155.1

B

1001-6988（2016）02-0055-03

2015-12-24

徐新樂（1962—），男，研究員，從事自動(dòng)控制與熱工工作.