熱處理爐自動化智能控制關(guān)鍵技術(shù)研究

景 蕾

(咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電學(xué)院,陜西 西安 712000)

熱處理爐作為熱處理工藝的主要設(shè)備,其能耗總量較大,且爐溫控制難度較高,極易出現(xiàn)爐溫分布不均導(dǎo)致工料燒損、壽命下降等問題。在熱處理工藝不斷提升的背景下,如何實現(xiàn)熱處理爐的自動化以及智能化控制成為發(fā)展的重要趨勢。本文綜合探討熱處理爐自動化智能控制的關(guān)鍵技術(shù)以及方法,希望能夠提升熱能利用率的同時實現(xiàn)工業(yè)節(jié)能減排發(fā)展。

1 熱處理爐構(gòu)造及工作原理

1.1 整體構(gòu)造

以臺車式熱處理爐為例,臺車式熱處理爐是一種用于金屬材料熱處理的設(shè)備,其整體構(gòu)造主要包括爐體、加熱器、控制系統(tǒng)和運載臺車等組成部分(見圖1)。爐體是臺車式熱處理爐的主體部分,是金屬材料進行熱處理的場所。爐體通常采用鋼結(jié)構(gòu),內(nèi)壁由耐高溫材料制成,可以承受高溫環(huán)境和重負載材料[1]。加熱器是臺車式熱處理爐的關(guān)鍵部位,它的主要作用是為爐體提供熱能,將金屬材料加熱到需要的溫度。加熱器一般采用電加熱管、燃氣加熱爐、油氣混合爐等不同的加熱方式?？刂葡到y(tǒng)是臺車式熱處理爐的核心部分,它可以通過各種傳感器和執(zhí)行器監(jiān)測和控制爐內(nèi)的溫度、氣氛、氣壓等參數(shù),確保熱處理過程的準確、穩(wěn)定和可控性。運載臺車是臺車式熱處理爐的移動部分,用于將金屬材料運輸?shù)綘t體內(nèi)部進行熱處理。臺車一般采用高強度鋼板制成,具有承重能力強、結(jié)構(gòu)緊湊等特點[2]。除了以上主要構(gòu)造,臺車式熱處理爐還可能包括散熱器、溫度記錄器、氣體凈化系統(tǒng)等輔助設(shè)備,以滿足熱處理工藝中的特殊需求。

圖1 臺車式熱處理爐

1.2 工作原理

臺車式熱處理爐工作原理如下:首先,工件放置在臺車上,并推入爐膛內(nèi)。然后,加熱元件開始加熱爐膛內(nèi)的空氣,使溫度逐漸升高。溫度控制系統(tǒng)用傳感器監(jiān)測爐內(nèi)溫度,并通過控制加熱元件的電力輸入來維持設(shè)定的溫度。一旦爐內(nèi)達到預(yù)設(shè)溫度,臺車便開始運行,使工件在爐內(nèi)進行熱處理[3]。熱處理完成后,臺車將工件移出爐膛,待工件冷卻后完成整個熱處理過程。

臺車式熱處理爐可以進行多種熱處理工藝,包括淬火、回火、退火等。同時,由于其結(jié)構(gòu)具有較高的可靠性和穩(wěn)定性,因此在大批量工件的生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。

2 熱處理爐自動化智能控制意義分析

現(xiàn)階段我國的熱處理技術(shù)不高,對于熱處理爐的自動化管理相對薄弱,不僅會導(dǎo)致熱處理能源消耗、效率低下,還會發(fā)生工件加熱質(zhì)量差等問題,嚴重影響到行業(yè)熱處理能力。相較于傳統(tǒng)控制算法,采取先進的控制方法對于熱處理爐的精確控制具有重要意義[4-5]。

1)提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量

采用自動化智能化控制技術(shù)可以提高熱處理爐的生產(chǎn)效率,減少人工干預(yù)的機會,降低業(yè)務(wù)處理成本,并且可以確保產(chǎn)品品質(zhì)的一致性和穩(wěn)定性,保證產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。

2)減少人為誤差和損失

熱處理爐的自動化智能化控制技術(shù)可以減少人誤和機器誤差,提高了業(yè)務(wù)的處理效率和準確性,減少了人為損失和維護成本。

3)反應(yīng)迅速、高效優(yōu)化

熱處理爐的自動化智能化控制系統(tǒng)可以自動診斷設(shè)備的工作情況并提供相應(yīng)的優(yōu)化方案,讓系統(tǒng)能夠快速反應(yīng)和更好地調(diào)整工作狀態(tài),大幅縮短現(xiàn)場響應(yīng)時間,迅速及時處理故障[6]。

4)減少二次污染和能源浪費

熱處理爐的自動化智能化控制技術(shù)可以減少二次環(huán)境污染,通過對制造過程的精細控制,減少能源的浪費,提高能源的利用效率。

3 熱處理爐自動化智能控制關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 硅酸鋁耐火纖維材料選擇

熱處理爐是一種常見的高溫設(shè)備,通常需要使用耐火材料來抵御高溫和化學(xué)反應(yīng)等因素的影響。硅酸鋁耐火纖維是一種常用的耐火材料,因其具有高溫、耐腐蝕、耐磨損等特性而被廣泛應(yīng)用于熱處理爐等高溫設(shè)備中[7]。在選擇硅酸鋁耐火纖維時,一般需要考慮以下幾個因素:

(1)溫度要求。硅酸鋁耐火纖維的使用溫度通常在1 000～1 500 ℃,根據(jù)熱處理爐的需要選擇相應(yīng)的耐火纖維。

(2)化學(xué)穩(wěn)定性。熱處理爐中通常包含酸性氣體或堿性氣體,選擇化學(xué)穩(wěn)定性好的硅酸鋁耐火纖維能夠有效延長其使用壽命。

(3)耐磨損性。硅酸鋁耐火纖維通常需要承受高溫下的機械運動,如爐膛的開閉和傳送帶的滾動等,因此耐磨損性能良好的硅酸鋁耐火纖維比較適合在熱處理爐中使用[8]。

(4)防火性能。由于熱處理爐中存在燃燒的可能性,因此具有良好的防火性能的硅酸鋁耐火纖維能夠提高熱處理爐的安全性。

根據(jù)具體的工作環(huán)境及要求,選擇相應(yīng)性能優(yōu)異的硅酸鋁耐火纖維是確保熱處理爐安全運行的關(guān)鍵。

3.2 高性能燃燒裝置選擇

熱處理爐的高性能燃燒裝置是熱處理工藝的核心組成部分之一,它直接影響著熱處理工件的質(zhì)量和效率。因此,選擇一款高性能的燃燒裝置至關(guān)重要。首先,需要考慮燃料的種類。燃料的選擇應(yīng)符合環(huán)保要求,且能滿足熱處理爐的加熱需求。對于大型工業(yè)熱處理爐,通常選用液化氣、煤氣或天然氣作為燃料[9]。其次,需要考慮燃燒器的種類。根據(jù)燃燒器的結(jié)構(gòu)和燃燒方式的不同,可分為點火燃燒器、預(yù)混燃燒器和氣體燃燒器等。其中,預(yù)混燃燒器具有較高的能量利用率和更少的氮氧化物排放,并適合用于高溫爐膛的加熱和保溫。此外,需要考慮燃燒效率和控制系統(tǒng)的選型。高效的燃燒裝置能夠最大程度地降低能耗和工業(yè)污染,提高工藝的穩(wěn)定性和可靠性。而優(yōu)質(zhì)的控制系統(tǒng)則能夠及時發(fā)現(xiàn)和解決問題,確保燃燒裝置的安全運行,并減少維護和運行成本[10]。選擇高性能的燃燒裝置需要多個方面進行考慮,以保障熱處理工藝的高效、穩(wěn)定和可靠。

3.3 熱處理爐工況穩(wěn)定技術(shù)

熱處理爐的工況穩(wěn)定技術(shù)是指為了確保熱處理過程中溫度、氣氛、加熱速率等參數(shù)穩(wěn)定不變,從而保證熱處理工件質(zhì)量穩(wěn)定的一系列技術(shù)措施。首先,熱處理爐本身設(shè)計要合理、結(jié)構(gòu)堅固,盡可能地減小爐內(nèi)溫度波動和熱傳導(dǎo)不均等問題。其次,在爐內(nèi)安裝一些穩(wěn)定性較高的溫度、壓力、氧濃度等傳感器和控制裝置,通過實時監(jiān)測和調(diào)節(jié)爐內(nèi)工作參數(shù),保證爐內(nèi)參數(shù)穩(wěn)定。此外,可以通過在爐內(nèi)安裝一些分布均勻的加熱源,如電加熱器或燃氣燃燒器,以確保工件加熱速率均勻一致,避免因加熱不均衍生的工件變形、裂紋等問題。此外,熱處理爐工況穩(wěn)定性對操作人員具有較高要求,必須有豐富的工作經(jīng)驗和技能,熟練掌握爐內(nèi)參數(shù)的調(diào)節(jié)方法,以便及時調(diào)節(jié)爐內(nèi)工作參數(shù),保持爐內(nèi)參數(shù)穩(wěn)定不變。

3.4 燃燒系統(tǒng)控制技術(shù)

熱處理爐燃燒系統(tǒng)控制技術(shù)是指對熱處理爐的燃燒系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)和管理,以保證燃燒效率高、燃燒控制精準、能耗低等要求的技術(shù)。熱處理爐燃燒系統(tǒng)控制技術(shù)主要包括以下方面:

1)燃氣控制系統(tǒng)

通過控制燃氣流量、壓力、進樣量等參數(shù)來實現(xiàn)燃氣的控制,使燃氣燃燒效率高且能耗低?？梢圆扇〕Ｒ?guī)PID控制器實現(xiàn)對燃氣流量的調(diào)節(jié),測定燃氣流量實際值與設(shè)定值的差異,通過燃氣流量變送器進行調(diào)節(jié),實現(xiàn)單回路燃氣控制,如圖2所示。

圖2 燃氣流量控制技術(shù)框圖

2)空氣控制系統(tǒng)

通過控制空氣進口、出口溫度等參數(shù)來實現(xiàn)空氣的控制,使空氣量與燃氣量匹配,從而控制燃燒溫度和煙氣排放。

3)火焰監(jiān)測系統(tǒng)

通過監(jiān)測火焰的光譜、熱輻射等參數(shù),可以實時判斷火焰狀態(tài),追蹤火焰位置,從而保證燃燒質(zhì)量穩(wěn)定。

4)溫度控制系統(tǒng)

通過控制爐內(nèi)溫度,實現(xiàn)對熱處理過程的控制和管理,以保證生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定和產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。

5)反饋控制系統(tǒng)

通過對溫度、壓力、氧含量等參數(shù)進行實時檢測,并將檢測結(jié)果進行反饋控制,使燃燒過程自動化、數(shù)字化,提高燃燒效率和工藝穩(wěn)定性[11]。

3.5 系統(tǒng)控制算法設(shè)計

熱處理爐控制系統(tǒng)算法設(shè)計是指根據(jù)熱處理工藝要求和控制需求,對熱處理爐進行智能化控制算法的設(shè)計和實現(xiàn)。算法設(shè)計主要包括以下幾方面:

(1)控制策略設(shè)計。在熱處理爐控制系統(tǒng)中,針對不同的生產(chǎn)工藝,需要設(shè)計不同的控制策略。例如,對于淬火工藝,需要采用閉環(huán)控制算法來控制爐溫、冷卻速率等參數(shù)。控制策略設(shè)計需要考慮到工藝參數(shù)、爐體特性、控制對象等多方面因素。

(2)監(jiān)測對象選擇。在控制系統(tǒng)中,需要選擇合適的監(jiān)測對象來采集爐溫、氣氛濃度、熱傳遞系數(shù)等各種參數(shù)。監(jiān)測對象的選取需要權(quán)衡數(shù)據(jù)采集成本、數(shù)據(jù)質(zhì)量和監(jiān)測精度等因素。

(3)算法選擇和設(shè)計。根據(jù)監(jiān)測對象和控制策略,需要選擇和設(shè)計適當?shù)乃惴?。例?對于控制爐溫,可以采用PID算法來控制;對于控制氣氛濃度,可以采用模糊控制算法等。針對控制對象的復(fù)雜性,還可以采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等人工智能算法來進行控制[12]。

(4)控制參數(shù)設(shè)置。在算法設(shè)計過程中,需要對控制參數(shù)進行設(shè)置,如PID控制器的比例、積分、微分系數(shù)等?？刂茀?shù)的設(shè)置需要考慮到系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性,以實現(xiàn)快速、穩(wěn)定的控制效果。

(5)規(guī)則庫設(shè)計。對于模糊控制算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等,需要設(shè)計相應(yīng)的規(guī)則庫和訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。規(guī)則庫的設(shè)計需要考慮到控制對象的非線性特性,以實現(xiàn)更高的控制精度和穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語

熱處理爐自動化智能控制對于鋼鐵等工業(yè)發(fā)展具有重要應(yīng)用價值。通過自動化智能控制能夠根據(jù)熱處理爐內(nèi)的實際溫度情況來自動調(diào)節(jié)加熱功率,避免過度加熱以及其他溫度控制不準確等情況,從而實現(xiàn)能源節(jié)約和生產(chǎn)成本降低,提升工業(yè)發(fā)展的經(jīng)濟效益以及競爭能力。