中厚板熱處理爐自動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化研究

武秀琪

（廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 韶關(guān)512100）

1 背景分析

目前，中國(guó)鋼鐵工業(yè)雖然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量的突破，但是對(duì)于重點(diǎn)工程急需的優(yōu)質(zhì)、高附加值鋼材依然依賴進(jìn)口。因此，現(xiàn)階段中國(guó)處于從鋼鐵大國(guó)向鋼鐵強(qiáng)國(guó)過(guò)渡的關(guān)鍵時(shí)期[1]，重點(diǎn)在于提高鋼鐵工業(yè)的生產(chǎn)水平、技術(shù)裝備水平、管理水平。中厚板是指厚度為5～120 mm 的各類鋼板，其生產(chǎn)水平是衡量一個(gè)國(guó)家鋼鐵工業(yè)水平的標(biāo)志之一。在造船業(yè)、機(jī)械加工業(yè)、石油化工、橋梁建筑等行業(yè)方面中厚板都發(fā)揮著舉足輕重的作用。但是隨著行業(yè)的調(diào)整和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的提升，普通鋼板已經(jīng)難以滿足日益增長(zhǎng)的工業(yè)發(fā)展需求，而對(duì)高等級(jí)、高強(qiáng)度、高附加值的中厚鋼板的需求變得與日俱增[2]，比如性能均勻的高強(qiáng)度船板、海上石油平臺(tái)用板、大跨度公路和鐵路兩用的橋梁板、高強(qiáng)度低焊接裂紋的低溫壓力容器板、高強(qiáng)度的石油儲(chǔ)罐用鋼以及用于國(guó)防業(yè)的軍工鋼等都是有著非常廣闊的市場(chǎng)空間。這些高等級(jí)鋼板來(lái)源于熱處理爐對(duì)鋼板進(jìn)行的二次加熱處理，通過(guò)將鋼板加熱到預(yù)定的溫度并保持一定的時(shí)間后，控制鋼板的冷卻速度，使鋼板內(nèi)部的結(jié)構(gòu)組織發(fā)生物理和化學(xué)的變化，從而改善鋼板的性能，生產(chǎn)出不同種類的高附加值鋼板[3]。從工藝設(shè)備和技術(shù)水平的角度來(lái)看，熱處理生產(chǎn)線缺乏和在線控制技術(shù)的落后，是造成中厚板產(chǎn)品單一、質(zhì)量不高的主要原因。所以，從中國(guó)鋼鐵工業(yè)的整體發(fā)展以及國(guó)內(nèi)鋼材市場(chǎng)良態(tài)發(fā)展的角度出發(fā)，加熱爐過(guò)程自動(dòng)控制技術(shù)的研究對(duì)于國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)的設(shè)備更新、技術(shù)更新具有重要意義。

2 研究?jī)?nèi)容

廣東某鋼鐵集團(tuán)特軋廠中厚板生產(chǎn)線熱處理爐于2008年投產(chǎn)，主要完成熱處理鋼板的正火和回火處理。熱處理爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)由L1 系統(tǒng)和L2 系統(tǒng)構(gòu)成，L1 系統(tǒng)分為電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)和儀表自動(dòng)化控制系統(tǒng)，L2 為加熱溫度閉環(huán)自動(dòng)化控制系統(tǒng)。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，逐漸不能滿足產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本控制需要。因此，針對(duì)中厚生產(chǎn)線熱處理爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)研究。

本文以某廠中厚板生產(chǎn)線熱處理爐及其配套的控制系統(tǒng)為載體，在利用現(xiàn)有硬件基礎(chǔ)上，采用當(dāng)前最新的控制思路和控制理念，對(duì)控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行深入研究和優(yōu)化改進(jìn)，提升自動(dòng)化控制效果，力爭(zhēng)最大化發(fā)揮現(xiàn)有硬件的能力，提高爐內(nèi)有效加熱空間利用率和加快熱處理爐生產(chǎn)節(jié)奏，并對(duì)出爐后鋼板噴水冷卻裝置增加控制系統(tǒng)，從而幫助企業(yè)提高產(chǎn)品熱處理質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，進(jìn)一步節(jié)能降耗增效。

具體內(nèi)容如下：①建立中厚板熱處理過(guò)程溫度計(jì)算數(shù)學(xué)模型。鋼板溫度涉及到鋼板的加熱效果，由于鋼板溫度無(wú)法實(shí)時(shí)測(cè)量，需對(duì)鋼板表面和內(nèi)部各點(diǎn)溫度進(jìn)行建模，預(yù)報(bào)鋼板溫度。通過(guò)該模型可以計(jì)算出特定時(shí)刻鋼板在爐內(nèi)的溫度。假設(shè)爐溫理想化的情況下，按照工藝要求的保溫時(shí)間，利用模型對(duì)鋼板的在爐時(shí)間做出估算，作為指導(dǎo)生產(chǎn)的依據(jù)。②基于鋼板溫度跟蹤結(jié)果，制訂對(duì)鋼板速度和各段爐溫設(shè)定值做出實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整的策略并編程實(shí)現(xiàn)。以幾種典型規(guī)格和鋼種的鋼板為例，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)優(yōu)化研究，尋求合理的供熱制度和爐溫制度，為在線模型提供參考依據(jù)。③研究和改進(jìn)入爐鋼板爐內(nèi)輥道分組方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)爐內(nèi)鋼板間距靈活有效安全的自動(dòng)控制，解決短鋼板占用過(guò)長(zhǎng)加熱空間問(wèn)題，以減少鋼板間距，提高爐內(nèi)有效加熱空間利用率，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化溫度控制模型。④研究輥底式熱處理爐連續(xù)運(yùn)行制度和擺動(dòng)運(yùn)行制度下，輥速設(shè)定、鋼板物料跟蹤和溫度跟蹤的不同特點(diǎn)，著重研究鋼板在爐內(nèi)的檢測(cè)跟蹤方式、檢測(cè)位置，以適應(yīng)更廣寬度范圍的鋼板檢測(cè)，解決目前中厚板生產(chǎn)線熱處理爐現(xiàn)有控制系統(tǒng)不能檢測(cè)薄鋼板的問(wèn)題、部分鋼板不能連續(xù)入爐生產(chǎn)的問(wèn)題。完善現(xiàn)有控制系統(tǒng)的L2 級(jí)功能，實(shí)現(xiàn)各工藝參數(shù)的可視化和功能完整化。⑤整個(gè)控制系統(tǒng)包括熱處理爐電氣PLC01、熱處理爐儀表PLC02 控制系統(tǒng)以及熱處理爐L2 控制系統(tǒng)，相應(yīng)的自動(dòng)化系統(tǒng)軟硬件、電氣儀表控制系統(tǒng)之間接口、電氣控制系統(tǒng)與傳動(dòng)系統(tǒng)之間接口、自動(dòng)化系統(tǒng)與L2 過(guò)程控制系統(tǒng)之間接口、電氣儀表及L2 的HMI 畫面程序等。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 技術(shù)研究路線

本研究關(guān)鍵點(diǎn)在于準(zhǔn)確掌握分析某鋼廠中厚板熱處理爐控制系統(tǒng)中存在的對(duì)生產(chǎn)效率、質(zhì)量控制上存在的不足，改進(jìn)控制系統(tǒng)以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。主要解決以下3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：①中厚板熱處理溫度控制模型；②實(shí)現(xiàn)中厚板熱處理爐后的冷卻裝置自動(dòng)化控制；③中厚板熱處理爐內(nèi)輥道分組方式不合理，鋼板入爐后鋼板之間的間距大，造成生產(chǎn)效率低能耗高，要實(shí)現(xiàn)對(duì)爐內(nèi)鋼板間距靈活、有效、安全的自動(dòng)控制，以減少鋼板間距，解決短鋼板占用過(guò)長(zhǎng)加熱空間問(wèn)題，提高爐內(nèi)有效加熱空間利用率。

具體的技術(shù)研究路線如圖2 所示。

圖2 技術(shù)研究路線圖

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定率≥97.5%，熱處理板產(chǎn)量由10 t/h提高到12 t/h；正火板性能合格率提高8%。

5 經(jīng)濟(jì)效益

企業(yè)熱處理板機(jī)時(shí)產(chǎn)量每提高2 t，可節(jié)約能耗成本為76 元，按企業(yè)熱處理爐作業(yè)率60%測(cè)算，則每年增效（萬(wàn)元）=76 元×8760 h×60%=39.9 萬(wàn)元；企業(yè)年生產(chǎn)正火板按10000 t 計(jì)算，合格品和不合格品差價(jià)為1800 元/t，性能合格率提高8%，每年節(jié)約成本（萬(wàn)元）=10000 t×8%×1800元/t=144 萬(wàn)元；合計(jì)企業(yè)年經(jīng)濟(jì)效益增加（萬(wàn)元）=39.9 萬(wàn)元+144 萬(wàn)元=183.9 萬(wàn)元。

6 發(fā)展趨勢(shì)

熱處理的效果將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。隨著工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量提出了越來(lái)越高的要求。目前，雖然中國(guó)的熱處理生產(chǎn)技術(shù)也有了較大的進(jìn)步，但生產(chǎn)整體技術(shù)水平還比較低，尤其是一些中小企業(yè)，對(duì)于工藝參數(shù)控制的精確程度較差，機(jī)械化自動(dòng)化水平較低，熱處理工藝的制訂在很大程度上依賴現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，不能對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行精確的定量預(yù)測(cè)，影響金屬產(chǎn)品的熱處理質(zhì)量。熱處理爐作為實(shí)現(xiàn)熱處理工藝的主要設(shè)備，提高其自動(dòng)化操作水平及加熱控制水平已成為近年來(lái)熱處理爐改造的主要趨勢(shì)。

7 社會(huì)效益

隨著傳感技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，熱處理工藝的智能化技術(shù)逐漸形成。如今作為能將普通知識(shí)轉(zhuǎn)化成現(xiàn)代生產(chǎn)力的強(qiáng)大工具的計(jì)算機(jī)，它的使用可擺脫以往主要憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行生產(chǎn)的落后狀態(tài)，使其向預(yù)設(shè)工藝參數(shù)的方向發(fā)展；開(kāi)發(fā)具有高度知識(shí)結(jié)合型的熱處理智能化技術(shù)的關(guān)鍵是對(duì)熱處理成熟的數(shù)學(xué)模型配合計(jì)算機(jī)的仿真模擬分析，并且熱處理智能化已是信息時(shí)代先進(jìn)熱處理技術(shù)發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)之一。通過(guò)對(duì)不同材料熱處理工藝的智能仿真建立與實(shí)際更為接近的仿真數(shù)學(xué)模型，從而達(dá)到真實(shí)的仿真效果，為熱處理工藝制訂提供依據(jù)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)熱處理全過(guò)程的在線跟蹤和熱處理全過(guò)程的無(wú)人自動(dòng)化操作。不僅提高了企業(yè)中厚板熱處理生產(chǎn)過(guò)程的生產(chǎn)效率，降低能耗，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，還為高附加值產(chǎn)品的品種開(kāi)發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，社會(huì)效益顯著。