均質(zhì)爐金屬溫度控制的影響因素及控制方法

張博健，丁新麗，董恒峰，劉鵬飛

（新疆眾和股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830013）

有色金屬是國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)材料，航空、航天、機械制造、電力、通訊、建筑、家電等絕大部分行業(yè)都以有色金屬材料為生產(chǎn)基礎(chǔ)[1]。鋁是強度低、塑性好的金屬，在鋁中加入合金元素，就能使其組織結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生改變，適應作各種加工材或鑄造零件[2]。目前鋁合金是應用最多的合金。鋁合金元素不同，其應用場合也有所不同，加工工藝也有所不同。多數(shù)鋁合金材料需要經(jīng)過熱處理，才能提高其力學性能，耐腐蝕性能，加工性能及穩(wěn)定性。隨著社會發(fā)展速度增快，對材料的性能要求越來越嚴格，因此，對合金熱處理工藝有了更高的標準及要求，這就要求熱處理鋁合金過程中的溫度的控制極其重要。

1 均質(zhì)爐的組成以及功能

20T均質(zhì)爐主要組成有爐體鋼結(jié)構(gòu)（包含軌道）、熱風循環(huán)系統(tǒng)、吹洗風機系統(tǒng)、爐門壓緊裝置、導流板、加熱器、熱電偶及料車料架。均質(zhì)爐加熱器頂置，共24只卡扣加熱器，每區(qū)12只，通過側(cè)置的2臺循環(huán)風機對爐膛強制熱風對流加熱。主要均質(zhì)的產(chǎn)品為直徑370mm到630mm鋁合金圓棒，圓棒最大長度為6m，滿爐裝料數(shù)量根據(jù)直徑不同也有所不同。爐氣最高溫度為545℃，金屬材料均熱最高溫度為510℃～520℃，爐膛保溫均勻性為±3℃。均質(zhì)的工藝設(shè)置參數(shù)為加熱模式、爐氣溫度、加熱時間、加熱速率、風機轉(zhuǎn)向和料溫溫度等。

均質(zhì)的作用為消除圓鑄棒內(nèi)部應力及組織不均勻。因為在鑄造鋁合金圓棒過程中，熔煉好的鋁液在一定工藝下，通過深井鑄造系統(tǒng)，冷卻鑄造成各種規(guī)格的圓鑄棒[3]。這會使鋁棒內(nèi)部有化學成分和組織有不均勻的現(xiàn)象，同時內(nèi)部一般都存在著殘余應力。為了消除鋁棒的殘余應力，消除鋁棒化學成分和組織的不均勻，細化晶粒，進而改善鋁合金圓棒加工工藝性以及制品的某些最終性能，這就要對鋁棒進行均熱處理，即均質(zhì)。

2 影響金屬溫度均勻性的因素

為了滿足客戶對材料性能的要求，所以對爐內(nèi)金屬溫度控制提出更高的要求，這就意味著，均熱時金屬的溫度控制極其重要。

（1）測溫裝置誤差的影響。均質(zhì)爐爐氣測溫共有24只熱電偶，每區(qū)12只，熱電偶分別位于左右側(cè)墻上。均熱過程中，控制系統(tǒng)以側(cè)墻的熱電偶為基準對區(qū)域內(nèi)的爐氣進行加熱，即測溫裝置的直接參與溫度控制。在溫度的控制直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量以及設(shè)備運行的安全性和經(jīng)濟型，對生產(chǎn)效率的提高和能耗的降低是至關(guān)重要的。測溫儀器的不準確性，使實際爐氣溫度與監(jiān)測溫度出現(xiàn)偏差，區(qū)域之間升溫速率不一，導致爐氣均勻性變差。爐氣均勻性與料溫均勻性之間是因果關(guān)系，爐氣均勻性的好壞直接影響到金屬溫度的均勻性。

（2）棒料擺放位置的影響。鋁棒的擺放位置對爐內(nèi)溫度的均勻性也會產(chǎn)生影響。由于爐體的循環(huán)風機為側(cè)置式，在加熱過程中，熱風通過側(cè)置風機吹送至導流板，再由導流板將熱風吹送至爐內(nèi)各處，所以當鋁棒擺放位置離側(cè)墻越近時，熱風導流變差，流通不暢，各點溫度不同，導致金屬溫差變大，溫度均勻性效果變差。

（3）導流板變形的影響。導流板是爐內(nèi)熱風循環(huán)的關(guān)鍵，導流板有厚度，材質(zhì)的要求，安裝有特定的角度。導流系統(tǒng)的合理設(shè)計和布置，可調(diào)節(jié)和改善爐膛氣流的分布情況，提高爐膛內(nèi)溫度的均勻性，提高金屬溫度的均勻性[4]。反之，將對金屬均勻性有很大的影響。

（4）爐門密封的影響。均質(zhì)爐爐門壓緊采用的是液壓壓緊的方式，爐門外部與爐體接觸面為一圈密封石棉繩。爐門因為液壓壓緊泄壓、壓緊限位位置和爐門密封石棉繩破損、錯位、脫落等問題造成爐門整體密封不嚴時，爐內(nèi)熱量從爐門溢出，與外界空氣形成對流，保溫加熱效果變差，增大使用電量，并且嚴重影響到金屬溫度的均勻性。

（5）PID參數(shù)的影響。由于工業(yè)爐的控制是一個比較復雜的控制系統(tǒng)，爐氣溫度具有較大的慣性，并且溫度上升具有滯后性，本身時間常數(shù)大，爐氣溫度變化較慢，普通的連續(xù)控制方式不能解決控制精度，非常容易產(chǎn)生爐氣超溫的現(xiàn)象[5]。因此現(xiàn)在普遍采用比例積分微分控制，即PID控制，由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應用在工業(yè)過程控制，但是由于各個參數(shù)選取須兼顧動態(tài)與靜態(tài)性能置指標，PID參數(shù)的選取一直是個難題。不合適的PID的參數(shù)會造成加熱過程中加熱器反應速度滯后，加熱功率忽大忽小，導致爐氣溫度性效果變差，造成爐氣過溫欠溫現(xiàn)象，影響金屬溫度均勻性。

圖1：PID控制結(jié)構(gòu)圖

3 控制方法與措施

（1）測溫裝置的控制方法。溫度的測量是生產(chǎn)中一個重要的指標，其精度會影響整個系統(tǒng)的加熱環(huán)節(jié)，所以應定期對測溫儀器的準確性進行校正。一般為三個月對測溫儀器定期檢驗一次，淘汰或修正不合格的熱電偶?？梢詫犭娕疾捎?、熱電動勢補正法2、參考端溫度補償器法3、調(diào)儀表起始點法等方法來對修正誤差。

（2）棒料擺放位置的控制方法。需依據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，摸索出生產(chǎn)過程中能保證同一爐次金屬均勻性最優(yōu)的爐內(nèi)鋁棒擺放位置。根據(jù)鋁合金棒牌號、直徑及長度，制定出20T均質(zhì)爐鋁棒擺放位置的規(guī)范化、精細化和標準化的方法，進而提高爐內(nèi)熱風場導流能力，有效控制升溫過程中各個鋁棒的溫度均勻性，將各個鋁棒間的溫差降到最低，確保均熱后各方面性能到達要求。

（3）導流板變形的控制方法。依據(jù)爐體圖紙，咨詢設(shè)計工程師，分析論證導流板變形對爐內(nèi)溫度均勻性產(chǎn)生的影響，測量爐內(nèi)導流風風量及風向，根據(jù)問題編制相應的技術(shù)解決方案。重新制作或加固導流板等。

（4）爐門密封的控制方法。檢查液壓系統(tǒng)的密封件，檢查密封件有無質(zhì)量問題，是否存在缺陷，檢查密封件的選用是否滿足工作壓力、工作速度和溫度等要求。檢查液壓系統(tǒng)的油液，油液是否被污染，加強污染源的控制，采用有效的過濾的措施和定期對油液質(zhì)量檢查[6]。調(diào)整爐門壓緊限位，保證爐門壓緊處爐門不漏風。每次爐次結(jié)束后，檢查爐門密封石棉繩，發(fā)現(xiàn)錯位、脫落和破損現(xiàn)象時，及時更換新密封石棉繩。

（5）PID參數(shù)的控制方法。由于均質(zhì)爐按區(qū)域進行加熱，需根據(jù)區(qū)域情況分別設(shè)定最佳的PID參數(shù)，其PID的數(shù)學模型如下：

其中kp為控制器比例系數(shù)，比例環(huán)節(jié)的作用是對偏差做出反應，當偏差產(chǎn)生時，控制器立即產(chǎn)生控制作用，減小偏差。其中kp越大，控制作用越強，偏差越小，但是kp會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。Ti為控制器的積分時間，也稱積分系數(shù)，積分的調(diào)節(jié)作用會消除靜態(tài)誤差，但會降低系統(tǒng)的響應速度，增加系統(tǒng)超調(diào)量[7]。其中Ti越大，積分積累作用越弱，消除靜態(tài)誤差速度越慢，減少系統(tǒng)超調(diào)量。Td為控制器的微分時間，也稱微分系數(shù)。微分的作用是阻止偏差的變化，微分時間Td越大，能加快系統(tǒng)響應，有效減小超調(diào)，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。實際P，I，D的參數(shù)的確實可參照經(jīng)驗數(shù)據(jù)：溫度T:P=20～60%，T=180～600S，D=3～180S。

4 結(jié)語

溫度是工業(yè)過程控制中的主要參數(shù)之一，在均質(zhì)爐生產(chǎn)過程中，溫度的均勻性對產(chǎn)品的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。針對生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生的對金屬溫度均勻性影響的因素，提出了相應的控制與解決方法。在實際生產(chǎn)過程中，通過以上控制措施的實施，降低了爐內(nèi)金屬之間的溫差，確保金屬其力學性能，耐腐蝕性能，加工性能及穩(wěn)定性符合要求。