空氣循環(huán)爐低溫度段的控溫方式探討

高玉峰，萬(wàn) 明，秦明臣

（中航工程集成設(shè)備有限公司，北京102206）

空氣循環(huán)爐廣泛應(yīng)用于進(jìn)行低溫?zé)崽幚砉に嚠a(chǎn)品的生產(chǎn)制造，如鋁合金均熱、固溶、退火、時(shí)效熱處理領(lǐng)域，作為主要熱處理設(shè)備，具有工件受熱均勻的特點(diǎn)，用于對(duì)溫度均勻性要求高的產(chǎn)品熱處理過(guò)程。

根據(jù)金屬材質(zhì)與熱處理后性能要求的不同，需要的熱處理溫度亦不相同。 其中時(shí)效熱處理的溫度相對(duì)較低， 并且產(chǎn)品要求達(dá)到較高的溫度控制精度和較小的溫度過(guò)沖量， 并且對(duì)于一些金屬的時(shí)效熱處理工藝要求保溫時(shí)間較長(zhǎng)（例如7057 系鋁合金由W 態(tài)處理到T6 態(tài)的保溫時(shí)間在23～25 h）。 對(duì)于時(shí)效熱處理爐的溫度控制過(guò)程提出了較高的要求。 尤其在時(shí)效熱處理過(guò)程中， 對(duì)在長(zhǎng)時(shí)間保溫過(guò)程中控制溫度的波動(dòng)范圍及爐溫穩(wěn)定性尤為重要。

在熱處理設(shè)備設(shè)計(jì)制造時(shí)， 除設(shè)計(jì)合理的爐內(nèi)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，使?fàn)t內(nèi)氣流速度與溫度均勻分布外，采用精準(zhǔn)的控溫方式， 也是決定設(shè)備性能能否滿(mǎn)足要求的關(guān)鍵因素。

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外高端的低溫?zé)崽幚頎t均采用電加熱的方式實(shí)現(xiàn)。熱處理爐內(nèi)有效工作區(qū)域安裝溫度傳感器用于溫度的檢測(cè)， 溫度信號(hào)接到工業(yè)控制器中，工業(yè)控制器根據(jù)當(dāng)前檢測(cè)的實(shí)際溫度和工藝需要加熱的設(shè)定溫度進(jìn)行智能運(yùn)算，輸出控制信號(hào)控制熱處理爐加熱器的輸出功率進(jìn)行升溫控制，降溫過(guò)程一般通過(guò)向爐內(nèi)充入冷氣摻混實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。

爐膛內(nèi)的溫度均勻性是時(shí)效熱處理爐的重要核心指標(biāo)。 目前主要通過(guò)熱處理爐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及對(duì)升溫、降溫的控制，達(dá)到爐氣溫度均勻性控制的要求。因開(kāi)啟加熱器或充入冷空氣摻混控制爐溫， 難以實(shí)現(xiàn)達(dá)到較高的溫度控制精度和較小的溫度過(guò)沖量的需求，因此在此基礎(chǔ)上需要增加更加精密的控溫方法。

本文提到的溫度控制方法是在傳統(tǒng)溫度控制方法的基礎(chǔ)上， 增加循環(huán)風(fēng)機(jī)頻率控制與爐氣溫度均勻性的控制聯(lián)鎖，實(shí)現(xiàn)高控溫精度、低溫度過(guò)沖的要求。 在保溫過(guò)程中， 風(fēng)機(jī)用電成為最主要的能源消耗，通過(guò)降低循環(huán)風(fēng)機(jī)頻率控制溫度波動(dòng)，亦可滿(mǎn)足降低設(shè)備能耗的需求。 工業(yè)控制器根據(jù)不同的工藝熱處理溫度控制循環(huán)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速， 熱處理工藝的溫度越高，需要的氣流流速越高，控制器提高循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)熱處理工藝溫度較低時(shí)，在滿(mǎn)足溫度場(chǎng)均勻性要求的條件下，控制器自動(dòng)降低循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，加大節(jié)能效果。

1 溫度控制方法

采用低溫溫度控制方法， 利于設(shè)備溫度控制過(guò)程的穩(wěn)定性，有效保證了溫度控制要求。

（1）溫度控制原理

設(shè)備溫度控制實(shí)施采用工業(yè)控制器完成， 循環(huán)風(fēng)機(jī)電機(jī)由變頻器驅(qū)動(dòng)。 工業(yè)控制器控制變頻器實(shí)現(xiàn)循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)， 連接加熱器的調(diào)功器由工業(yè)控制器調(diào)節(jié)完成功率調(diào)節(jié)。

熱處理爐在工作有效區(qū)安裝熱電偶進(jìn)行溫度的檢測(cè)。 工業(yè)控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)爐膛溫度和熱處理產(chǎn)品的溫度，通過(guò)內(nèi)部的PID 模塊完成溫度升溫控制。在保溫后期當(dāng)溫度有超溫趨勢(shì)時(shí)， 工業(yè)控制器自動(dòng)降低循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速， 通過(guò)降低轉(zhuǎn)速和啟停進(jìn)氣閥的雙重控制方式達(dá)到較好的溫度控制效果。

工業(yè)控制器的溫度控制原理如圖1 所示。

（2）循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制

循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速初始設(shè)定按照不同的熱處理溫度范圍進(jìn)行分段設(shè)定， 設(shè)定包括工作轉(zhuǎn)速和降頻下限轉(zhuǎn)速。當(dāng)熱處理爐保溫設(shè)定溫度在某一溫度范圍內(nèi)，循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在預(yù)先設(shè)定好的轉(zhuǎn)速值。 在保溫后期，當(dāng)產(chǎn)品的溫度基本達(dá)到工藝溫度后，若爐膛溫度有超出保溫上限的趨勢(shì)時(shí)，循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速按照0.5 Hz/30 s 的速率進(jìn)行降頻控制（時(shí)間設(shè)定，降頻設(shè)定均可軟件調(diào)整），由于熱處理溫度參數(shù)本身屬于響應(yīng)時(shí)間相對(duì)滯后的過(guò)程量控制， 所以設(shè)定時(shí)間是降低循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速后等待爐膛溫度穩(wěn)定。 為了保證爐內(nèi)循環(huán)流場(chǎng)，每段降頻控制均設(shè)定降頻下限，當(dāng)循環(huán)風(fēng)機(jī)頻率降低至下限頻率后還無(wú)法控制溫度超溫，將循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在下限轉(zhuǎn)速， 通過(guò)間斷開(kāi)啟時(shí)效熱處理爐的冷卻閥門(mén)完成溫度控制。

（3）溫度控制軟件流程圖

溫度控制采用工業(yè)控制器內(nèi)部編程完成， 應(yīng)用控制器內(nèi)部的PID 控制模塊和循環(huán)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)共同實(shí)現(xiàn)對(duì)爐內(nèi)溫度的控制。 循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制軟件流程如圖2 所示。

第一步：工藝啟動(dòng)，循環(huán)風(fēng)機(jī)和加熱器啟動(dòng)，開(kāi)始工作，工業(yè)控制器按照預(yù)先給定的循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和PID 模塊自動(dòng)計(jì)算的輸出功率控制熱處理工藝運(yùn)行。

第二步：爐氣到溫，產(chǎn)品緩慢升溫，直到產(chǎn)品進(jìn)入設(shè)定溫度范圍。

第三步：檢測(cè)爐氣超溫，當(dāng)爐氣溫度有超溫趨勢(shì)時(shí)（設(shè)定溫度-實(shí)際溫度≥-2.0 ℃），檢測(cè)PID 控制的加熱器輸出是否為零，若不為零，則減小PID 的輸出加熱功率。 若PID 輸出加熱功率已經(jīng)為零， 等待1 min。 這里等待1 min 主要是由于溫度控制屬于滯后控制，當(dāng)對(duì)加熱器功率或循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)后，需要滯后一段時(shí)間溫度才會(huì)有變化顯現(xiàn)。

第四步：判斷循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速是否下降到了預(yù)先設(shè)定的下限轉(zhuǎn)速值，若下降到設(shè)定的下限轉(zhuǎn)速值，那么需要間斷性地啟停進(jìn)氣閥門(mén)進(jìn)行降溫控制。若循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]有降到下限設(shè)定值，對(duì)循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行降頻調(diào)節(jié)。 每次降頻0.5 Hz，計(jì)時(shí)30 s（時(shí)間可調(diào)），再檢測(cè)爐氣是否超溫，從而完成一次檢測(cè)的過(guò)程。

2 控溫方式實(shí)際應(yīng)用效果

在熱處理爐設(shè)備80～250 ℃范圍內(nèi)選取5 個(gè)溫度點(diǎn)，進(jìn)行升溫及保溫過(guò)程的溫度控制測(cè)試，實(shí)測(cè)效果詳見(jiàn)圖3。 每圖中上下兩條橫線(xiàn)分別對(duì)應(yīng)該溫度點(diǎn)的控制上下限，控制溫度波動(dòng)范圍為±1.5 ℃。在爐膛有效區(qū)內(nèi)布置若干溫度檢測(cè)熱電偶， 測(cè)試結(jié)果表示爐內(nèi)各點(diǎn)溫度均在控制精度要求范圍內(nèi)。

圖2 時(shí)效爐溫度控制原理示意圖

圖3 控溫實(shí)測(cè)結(jié)果圖

3 結(jié)論

本文提到的溫度控制方法可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)溫度控制方法的缺點(diǎn)，大幅度提高控制精度，提高爐溫均勻性指標(biāo)。使熱處理產(chǎn)品受熱溫度更均勻、成品品質(zhì)進(jìn)一步提高。

循環(huán)風(fēng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速與溫度控制聯(lián)鎖， 既可以滿(mǎn)足控溫要求，亦可以達(dá)到節(jié)能、降低成本的目的，符合設(shè)備精細(xì)化控制的發(fā)展趨勢(shì)。

該方案能解決溫度控制精度及穩(wěn)定性問(wèn)題，可滿(mǎn)足爐溫均勻性達(dá)到±1.5 ℃的要求， 突破目前國(guó)際上對(duì)溫度均勻性控制最高等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)要求， 實(shí)現(xiàn)了空氣循環(huán)爐的高精度溫度控制。