箱式退火爐爐溫過沖問題研究

李春曦，馬 維，李顯通，何江波

（寶鈦集團有限公司，陜西 寶雞 721000）

退火是一種金屬熱處理工藝，是將金屬按工藝溫度、工藝時間，以及冷卻速率的熱處理方法[1]。其目的是，降低硬度，軟化工件，改善切削加工性；改善或消除金屬在鑄造、鍛壓、軋制和焊接過程中造成的各種組織缺陷。

某集團鍛造廠有一臺高精度棒材箱式退火爐，爐體外殼采用型鋼及鋼板焊接而成，爐體為耐火磚和保溫棉結(jié)構(gòu)，爐底由于承重采用高鋁耐火磚砌筑，加熱體選用HRE 電阻絲，控溫?zé)崤紴楦呔鹊腞 型熱偶，溫控系統(tǒng)采用PID 可控硅控制。

箱式退火爐的有效加熱區(qū)是其爐膛內(nèi)滿足熱處理工藝要求的允許裝料的區(qū)域，該箱式退火爐的有效加熱區(qū)域是一個立方體，如圖1 所示。

圖1 箱式退火爐有效加熱區(qū)域示意圖

圖1 中1、2、3、4、9、10、11、12 點為該爐立方體狀有效加熱區(qū)域的8 個頂點，13、15 點分別為面1、2、3、4和面9、10、11、12 的對角線的交點。5、6、7、8 位置為立方體各棱的中點，點14 為面5、6、7、8 的對角線交點。

此箱式退火爐的溫度標(biāo)定是在如圖1 中的15 個點的位置各安裝一根測溫?zé)崤?，通過15 根熱偶記錄在空爐未裝材料的情況下升溫到指定溫度的時間段內(nèi)各點的溫度數(shù)據(jù)[2]。

兩年前該箱式退火爐進行過大修，大修內(nèi)容包括整體更換電阻絲、保溫棉、耐火磚和優(yōu)化溫控系統(tǒng)，在大修完成后進行的有效加熱區(qū)標(biāo)定溫度的數(shù)據(jù)中，加熱爐設(shè)定溫度為800 攝氏度，收取數(shù)據(jù)間隔為1 分鐘，各測溫點溫度到達峰值時間較控溫儀表到達峰值時間滯后1 到3 分鐘。其中溫度最高點為9 點，在+2 分鐘的805.4 攝氏度。在各點溫度到達峰值之后的1 到3分鐘內(nèi)，后續(xù)測溫數(shù)據(jù)顯示其溫度均有所回落。

在大修后使用兩年后的一次標(biāo)溫測試中，各測溫點溫度到達峰值時間較控溫儀表到達峰值時間滯后2到4 分鐘。最高溫度點為1 點，在+3 分鐘的809.2 攝氏度。在各點溫度到達峰值之后的1 到2 分鐘內(nèi)，后續(xù)測溫數(shù)據(jù)顯示其溫度均有所回落。

通過兩次溫度標(biāo)定的結(jié)果可知，箱式退火爐在使用了兩年后，在箱式退火爐控溫儀表溫度到達設(shè)定溫度和后續(xù)保溫狀態(tài)時，其有效加熱區(qū)域的實際溫度有所升高。

根據(jù)企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)要求，該箱式退火爐在加熱過程中，控溫儀表到達設(shè)定溫度數(shù)值的前后的時段內(nèi)，爐內(nèi)有效加熱區(qū)域的溫度應(yīng)在設(shè)定溫度的+10 攝氏度的范圍內(nèi)，若超過10 攝氏度，則稱為升溫過沖。對比兩年前和最近一次標(biāo)溫數(shù)據(jù)，該箱式退火爐有效加熱區(qū)域有爐溫過沖超過10 攝氏度的趨勢。為了保證箱式退火爐性能正常，確保產(chǎn)品質(zhì)量，鍛造廠需要解決箱式退火爐升溫過沖的問題。

1 改造方案

在查閱了相關(guān)退火爐出廠資料和歷次大、中、小修改造資料后，對箱式退火爐的結(jié)構(gòu)和控制方式進行了匯總和分析，箱式退火爐爐膛內(nèi)截面圖如圖2 所示。

圖2 箱式退火爐爐膛內(nèi)截面示意圖

如圖2 中箱式退火爐結(jié)構(gòu)，有效加熱區(qū)是緊貼在爐底料架之上的一塊區(qū)域，爐膛內(nèi)電阻絲均勻分布在側(cè)墻、爐門、爐膛后墻和爐底各部分，控溫?zé)崤及惭b在爐膛頂部中間位置。

箱式退火爐的本質(zhì)也是一臺電加熱爐，它的控制系統(tǒng)原理圖為圖3。

圖3 加熱爐控制原理

其中該箱式退火爐的控制裝置為型號是3504 的歐陸表。為了抑制箱式退火爐到溫過沖的問題，結(jié)合控制原理圖，分析出可以通過以下方式對加熱爐進行處理[3]：

1.1 在溫控儀上進行調(diào)節(jié)

在溫控儀上進行參數(shù)調(diào)節(jié)，可以通過調(diào)節(jié)PID 參數(shù)對爐膛內(nèi)有效加熱區(qū)域的溫度進行調(diào)節(jié)。PID 就是“比例（proportional）、積分（integral）、微分（derivative）”。P 比例調(diào)節(jié)：是依據(jù)“偏差的大小”來動作，它的輸出與輸入偏差的大小成比例，比例調(diào)節(jié)及時有力但有余差。I 積分調(diào)節(jié)：依據(jù)“偏差是否存在”來動作，它的輸出與偏差對時間的積分成比例，其作用是消除余差。D 微分調(diào)節(jié)：是依據(jù)“偏差的變化速度”來動作，它的輸出與偏差的變化速度成比例，其效果是阻止被調(diào)參數(shù)的一切變化，有超前調(diào)節(jié)作用。

箱式退火爐現(xiàn)有PID 參數(shù)針對的是整個加熱過程來進行控制的，生產(chǎn)現(xiàn)場由于受到連續(xù)不間斷生產(chǎn)的需求，箱式退火爐的起始溫度和目標(biāo)溫度都較為隨機，每個加熱工序的爐膛內(nèi)部升溫溫差也不盡相同，采用同一套PID 參數(shù)必定會產(chǎn)生不可消除的系統(tǒng)誤差，從而會對不同升溫過程造成控制精度上的負面影響。

3504 歐陸表為溫度控制預(yù)留了分段設(shè)置PID 參數(shù)的功能，結(jié)合實際加熱工藝，為了提高控制精度，準(zhǔn)備采用溫控儀在到溫過程中的前半個小時內(nèi)，采取每分鐘將目標(biāo)溫度提高1 攝氏度的方法，比如加熱工藝為花費兩個小時將箱式退火爐內(nèi)溫度從500 攝氏度升溫至800 攝氏度，加熱爐的升溫過程即分成兩個階段：階段1，500 攝氏度升溫至770 攝氏度，用時1.5 小時；階段2，770 攝氏度升至800 攝氏度，用時0.5 小時，而在第二階段中的0.5 小時內(nèi)，第一分鐘溫控儀目標(biāo)溫度為771 攝氏度，第二分鐘溫控儀目標(biāo)溫度為772 攝氏度……以此類推到第三十分鐘溫控儀目標(biāo)溫度為800 攝氏度。與此同時為了抑制溫度過沖，還可以通過溫控儀設(shè)置，針對兩個階段不同的升溫特點，分別儲存一套低溫階段和高溫階段的PID 設(shè)定，加強抑制過沖的效果。

1.2 對箱式退火爐爐絲及保溫材料進行維修

箱式退火爐的溫度控制是過程控制。由于傳熱問題的復(fù)雜性，箱式退火爐具有非線性、時變性、大滯后、不對稱等特點。它的滯后主要是容積滯后，爐體的結(jié)構(gòu)、容量、測溫元件等因素都影響著滯后的大小；而在使用過程中，隨著溫度的升降，加熱元件的特性發(fā)生變化，保溫絕熱材料會逐漸老化，環(huán)境也在不斷變化，因而爐溫特性是時變的；又因為絕大多數(shù)電加熱爐都是在溫度上升時強迫加熱，而溫度下降時則自然冷卻，所以其溫度特性是不對稱的；另外由于爐溫取決于加熱元件的發(fā)熱量、散熱量和負荷的情況，發(fā)熱時間總比傳熱時間短得多，所以爐溫動態(tài)特性主要由傳熱過程決定，傳導(dǎo)、對流、輻射三種的傳熱方式都在起作用[4]，只是在不同溫區(qū)所占比例不同，三者中只有傳導(dǎo)是線性的，輻射是絕對溫度的四次方，對流則更加復(fù)雜，故電加熱爐是一個本質(zhì)非線性的系統(tǒng)。

此箱式退火爐的現(xiàn)況更加復(fù)雜：這兩年中，經(jīng)過統(tǒng)計，共維修電阻絲5 次，保溫材料包括耐火磚維修次數(shù)為8 次。所以對箱式退火爐進行整體更換電阻絲和更換耐火磚、保溫棉，恢復(fù)爐膛保溫性能是有必要的。

1.3 對控溫?zé)崤紲y溫數(shù)據(jù)進行補償修正

控溫?zé)崤荚谶M行周期校驗后有一個修正值，本方案計劃在這個修正值的基礎(chǔ)上進行一個額外的補償修正，可以起到減少爐溫過沖的作用。

1.4 爐膛內(nèi)增加均熱風(fēng)扇

現(xiàn)有箱式退火爐的加熱是靠熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射三種方式共同作用在爐膛內(nèi)進行的。此方案通過安裝均熱風(fēng)扇，讓風(fēng)扇轉(zhuǎn)動加速帶動爐膛內(nèi)部的熱氣流通，起到增強對流使得爐膛內(nèi)的溫度更加均勻。在爐膛內(nèi)均溫性更好的情況下，可以使控溫?zé)崤紲y溫的滯后得到一定程度上的減緩，也就能直接或間接降低有效區(qū)域內(nèi)溫度過沖的情況。

1.5 調(diào)整有效加熱區(qū)域范圍

退火爐有效加熱區(qū)是退火爐出廠時或大修后針對綜合性能測試后劃定的一個區(qū)域，從標(biāo)溫結(jié)果中可知，點13、14、15 的過沖值較其他點都比較低，標(biāo)定溫度數(shù)據(jù)的規(guī)律基本遵循距離控溫偶越近的點，溫度越準(zhǔn)確，過沖越小。所以在使用兩年后，通過縮小有效加熱區(qū)域到一定范圍，也可以起到讓過沖值變得更小的作用。

1.6 控溫?zé)崤颊{(diào)整位置

此箱式退火爐的有效加熱區(qū)域的特點是較為扁平，控溫?zé)崤既鐖D3 所示，處于爐膛內(nèi)頂部中心線上，水平位置距離電阻絲為1.2 米，而根據(jù)鍛造廠其余幾十臺電阻爐的有效加熱區(qū)域情況來看，控溫?zé)崤妓椒较蚓嚯x電阻絲的距離普遍集中在0.7～0.9 米之間，所以通過改變控溫?zé)崤妓椒较蛏系木嚯x，從一定程度上降低了控溫?zé)崤紲y溫的滯后，也可以起到縮小爐溫過沖的作用。

2 方案試驗

對以上提出的六種解決方案，利用箱式退火爐檢修的空閑時間進行效果檢驗。檢驗采用控制變量的方法進行試驗來檢驗效果，以下試驗階段廠房內(nèi)溫度在21 攝氏度，未裝爐，與使用兩年后標(biāo)定溫度時的退火爐內(nèi)外狀態(tài)相同。

試驗1：調(diào)整3504 歐陸表的PID 參數(shù)和分段加熱設(shè)置。

以目標(biāo)溫度為800 攝氏度為例，當(dāng)爐內(nèi)溫度上升至770 攝氏度時，在歐陸表上設(shè)置一段單獨的升溫速率，使?fàn)t膛內(nèi)溫度每分鐘提高一攝氏度，對此過程的標(biāo)定溫度進行收集。各測溫點溫度到達峰值時間較控溫儀表到達峰值時間滯后1 到3 分鐘。每個測溫點的最高溫度都有所下降，幅度在1.7 攝氏度到2.7 攝氏度之間。標(biāo)溫結(jié)果最高溫度點為1 點，在+2 分鐘的807.5 攝氏度。在各點溫度到達峰值之后的1 到2 分鐘內(nèi)，后續(xù)測溫數(shù)據(jù)顯示其溫度均有所回落。

試驗2：箱式退火爐加熱爐絲、保溫材料和耐火磚維修。

受時間、成本等限制，此試驗可在下次箱式退火爐相關(guān)大、中修時進行。

試驗3：補償修正控溫?zé)崤紲y溫數(shù)據(jù)。

在調(diào)回箱式加熱爐試驗1 前的PID 參數(shù)后，對控溫?zé)崤歼M行溫度補償設(shè)置。結(jié)合標(biāo)溫結(jié)果，針對4 個加熱區(qū)中的加熱數(shù)據(jù)分別進行溫度補償。

四支控溫?zé)崤及磸臓t門到爐后墻的順序的原修正值分別為，-1 攝氏度，-2 攝氏度，+1 攝氏度和+1 攝氏度。針對使用兩年后標(biāo)定溫度結(jié)果中的最高溫度偏差情況進行修正，分別增加+3 攝氏度的修正值。各測溫點溫度到達峰值時間較控溫儀表到達峰值時間滯后1到4 分鐘。每個測溫點的最高溫度都有所下降，幅度在0.5 攝氏度到1.8 攝氏度之間。標(biāo)溫結(jié)果最高溫度點為3 點，在+3 分鐘的806.6 攝氏度。在各點溫度到達峰值之后的1 到2 分鐘內(nèi)，后續(xù)測溫數(shù)據(jù)顯示其溫度均有所回落。

試驗4：在爐膛內(nèi)增加均熱風(fēng)扇。

爐膛內(nèi)增加均熱風(fēng)扇參考其他加熱爐的方案，如圖4 所示。

圖4 帶水冷系統(tǒng)的均溫風(fēng)扇示意圖

圖4 中的均熱風(fēng)扇不僅需要在爐體上安裝風(fēng)扇，還需為其冷卻系統(tǒng)設(shè)計一套自動化控制系統(tǒng)來控制水箱中水位和水溫。均溫風(fēng)扇在爐門打開時需要停轉(zhuǎn)，減少熱量外逸；爐膛內(nèi)溫度較低時可以高速旋轉(zhuǎn)，加強均溫效果；爐膛溫度升高后降低轉(zhuǎn)速，保護風(fēng)扇葉片不會因高溫發(fā)生變形。

考慮到本箱式退火爐的有效加熱區(qū)域范圍，均溫風(fēng)扇可以增加2-3 個。建議在下次設(shè)備相關(guān)大、中修改造中進行。

試驗5：對有效加熱區(qū)域范圍進行調(diào)整。

不進行其他改造，直接調(diào)整有效加熱區(qū)域范圍是最簡單、最直接的使其最高溫度降低的方法。通過對該爐膛內(nèi)各點的測試，水平方向上將有效加熱區(qū)域縮小0.5 米，可以降低最高溫度約2 攝氏度。需要注意的一點是豎直方向上的有效區(qū)域范圍由于工件在爐膛中需要放置在料架上，所以變動豎直方向上的有效區(qū)域需要同步更換不同高度的料架。

試驗6：調(diào)整控溫?zé)崤嘉恢?/p>

對比其他加熱爐熱偶和側(cè)墻爐絲的距離，將控溫?zé)崤枷蚱珳y溫點1、2 的方向挪動0.5 米。在爐頂重新開孔，固定熱偶后，再次進行標(biāo)定溫度。各測溫點溫度到達峰值時間較控溫儀表到達峰值時間滯后1 到3 分鐘。每個測溫點的最高溫度都有所下降，幅度在2.5 攝氏度到4.7 攝氏度之間。標(biāo)溫結(jié)果最高溫度點為5 點，在+2 分鐘的805.4 攝氏度。在各點溫度到達峰值之后的1 到2 分鐘內(nèi)，后續(xù)測溫數(shù)據(jù)顯示其溫度均有所回落。

3 結(jié)論

通過對方案1、方案3、方案5 和方案6 的嘗試，其中方案6 的效果最好，可以作為解決此箱式退火爐有效區(qū)域內(nèi)過沖問題的方案；方案1 的效果較好，可以作為備選方案；方案3 在控溫偶本身修正值的基礎(chǔ)上又進行了主觀修正，效果一般，不建議作為改造方案；方案5 直接對有效加熱區(qū)域進行縮小，屬于實施難度和花費最小的方案，但在更改有效加熱區(qū)域與集團公司設(shè)備使用維護規(guī)程中的規(guī)定上存在沖突。方案2 和方案4 更換耐火磚、保溫棉和加熱爐絲，并對箱式退火爐進行改造加裝均溫風(fēng)扇，需要對箱式退火爐整體進行維修和改造，建議于箱式退火爐的下一個大修周期中進行。