（机械工程专业论文）高线步进梁加热炉控制系统设计与应用.pdf

摘要 摘要 加热炉是冶金企业最主要的耗能设备，其自动控制策略是过程控制领域内 的一个重要的研究方向。如何使自动控制系统能够确保钢坯的加热质量、节约 加热炉的能耗、确保燃烧系统的最佳燃烧、延长加热炉设备的寿命以及降低对 环境的污染一直是该研究领域要致力解决的问题。 本文总结了自动化控制技术的发展和现状，介绍了目前国内加热炉控制技 术和方法。并且以江西九江钢厂高线加热炉为背景，介绍了步进梁的工作原理， 并完成了加热炉基础自动化系统的一级控制，包括炉温控制、炉压控制及汽包 水位控制。 在通过对高线加热炉的工艺过程的仔细研究，利用p l c 技术，网络通信技 术，在现场总线的基础上，采用技术实用、性能可靠、经济实用、指标先进的 电控仪控的装备水平，结合高线步进梁式加热炉运行的特点，设计了不同形式 的既简单又实用的控制结构和算法，实现高线步进梁式加热炉的自动化控制。 采用p l c 实现仪控和电控系统，把步进梁式加热炉控制系统分为3 套p l c 控制站，分别为电气p l c 和仪表p l c 以及汽化冷却p l c 。仪表电气传动用的控 制器通过同一控制网与操作站的服务器连接，通过采用网络技术和现场总线技 术，将控制系统与过程机，现场智能仪表和传动设备连成一个整体，从而构成 仪电一体控制系统。 本文着重研究了高线步进梁式加热炉p l c 控制系统在炉温控制系统、炉压 控制系统、汽包控制系统的具体应用，还有关键设备如：装钢机、出钢机、步进 梁、炉前炉后辊道、燃烧控制、方坯物流跟踪等控制对象的具体控制软件流程。 完成了江西九江钢厂高线加热炉自动化控制系统。实现小方坯输送、测量、装 出料、物流跟踪、加热炉燃烧控制以及钢坯库的数据信息交换，通过p l c 和二 级计算机系统进行顺序、定时、联锁与逻辑控制，实现了操作自动化与物料系 统的全线跟踪管理，达到了加热炉生产的高产、优质、低耗、节能、无公害以 及生产操作自动化的工艺要求。最后给出了p i d 控制算法。 关键词：高线步进式加热炉，设计与应用，基础自动化，计算机过程控制， p i d 算法 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep y r o g e n a t i o nf u r n a c ei st h em o s ti m p o r t a n tp o w e r - c o n s u m i n ge q u i p m e n ti n m e t a l l u r g i c a li n d u s t r y , i t sa u t o m a t i c c o n t r o lt a c t i ci so n ei m p o r t a n tr e s e a r c h o r i e n t a t i o no fp r o c e s s - c o n t r o l l i n ga r e a h o wt om a k et h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mt o e n s u r et h eh e a t i n gq u a l i t yo fb i l l e ts t e a l ，h o wt os a v ee n e r g yw h i l eu s i n gp y r o g e n a t i o n f u r n a c e ，h o wt og u a r a n t e et h eo p t i m u mb u r n i n go ft h ec o m b u s t i o ns y s t e m ，h o wt o e x t e n dt h ed u r a t i o no fp y r o g e n a t i o nf u r n a c ea n dh o w t or e d u c et h ep o l l u t i o nh a v e b e e na l w a y st h em a i nd i f f i c u l t i e si nt h i sa r e a t h i se s s a ys u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n ta n dt h ec u r r e n ts t a t u so fa u t o m a t i c c o n t r o lt e c h n o l o g y , a n di n t r o d u c e st e c h n i q u ea n dm e t h o d so fp y r o g e n a t i o nf u r n a c e c o n t r o l l i n gn o w a d a y s i tu s e st h ep y r o g e n a t i o nf u r n a c eo fh i g h - s p e e dm i l lr o l lf r o m j i a n g x ij i u ji a n gs t e e lc o a sa ne x a m p l e ，i te x p l a i n st h eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l e so f w a l k i n gb e a m sa n dh o w t oa c c o m p l i s ht h e1s tc o n t r o lo fb a s i cp y r o g e n a t i o nf u r n a c e a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi n c l u d ef u r n a c et e m p e r a t u r ec o n t r o l ，f u r n a c e p r e s s u r ec o n t r o la n d b o i l e rd r u mw a t e rl e v e lc o n t r 0 1 t h r o u g hc a r e f u l l yr e s e a r c h i n go ft h ep r o c e s so ft h ep y r o g e n a t i o nf u l t l a c e o f h i g h s p e e dm i l lr o l lt e c h n i q u e ，u s i n gp l ca n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , b a s i n go nf i e l db u s ，u s i n gt h ep r a c t i c a l ，r e l i a b l e ，e c o n o m i c a l ，h i g hl e v e le l e c t r i c c o n t r o la n di n s t r u m e n tc o n t r o le q u i p m e n t ，c o m b i n gt h es p e c i a l i t i e so fp y r o g e n a t i o n f u r n a c eo fh i g h - s p e e dm i l lr o l lw a l k i n gb e a m s ，t h es i m p l ea n dp r a c t i c a lc o n t r o l s t r u c t u r ea n dc a l c t d a t i o ni nd i f f e r e n tf o r mh a db e e nd e s i g n e da n dt h ea u t o m a t i c c o n t r o lo ft h ep y r o g e n a t i o nf u m a c eo fh i g h - s p e e dm i l lr o l lw a l k i n gb e a m sh a db e e n a c c o m p l i s h e d i tu s i n gp l ct oa c h i e v ee l e c t r i cc o n t r o la n di n s t r u m e n tc o n t r o ls y s t e m ，i td i v i d e d t h ew a l k i n gb e a m sp y r o g e n a t i o nf u r n a c ec o n t r o ls y s t e mi n t o3p l cc o n t r o ls t a t i o n s ： e l e c t r i c a lp l c ，m e t e rp l ca n de v a p o u r a t i o nc o o l i n gp l c t h ec o n t r o l l e rw h i c hi s u s e df o rm e t e re l e c t r i cd r i v i n gc o n n e c t st h es e r v i c e ro fo p e r a t o rs t a t i o nt h r o u g ht h e s a m ec o n t r o ln e t ，b yu s i n gn e t w o r ka n df i e l db u st e c h n i q u e ，i ti sj o i n t e do n ee n t i r e t y w h i c hi n c l u d e sc o n t r o ls y s t e m ，p r o c e s sc o m p u t e r , i n t e l l i g e n tf i e l db u si n s t r u m e n t s i i a b s t r a c t a n dt r a n s m i s s i o n , a sar e s u l tt h e yf o r mi n t oo n ew h o l ec o n t r o ls y s t e mo fe l e c t r i ca n d i n s t r u m e n tc o n t r 0 1 t h i se s s a yi saf o c u so nt h ek e ye q u i p m e n t so ft h ep y r o g e n a t i o nf u m a c eo f h i g h s p e e dm i l lr o l lw a l k i n gb e a m s ，s u c ha s ：t h ec h a r g em a c h i n e ，t h ed i s c h a r g e m a c h i n e ，t h ew a l k i n gb e a m s ，t h ef r o n ta n db a c kf u r n a c er o l l e rt a b l e ，t h ec o m b u s t i o n c o n t r 0 1 t h es p e c i f i cc o n t r o lp r o c e s so fc o n t r o lt a r g e ts u c ha ss q u a r eb i l l e tm a t e r i a l l o g i s t i ct r a c k i n ga n d s oo n ，s p e e dc o n t r o lc u r v e ，t h em e t h o d sa n dt h ec o n c r e t et a c t i c o ft r a v e lc a l c u l a t i o n i ta c c o m p l i s h e d t h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo ft h e p y r o g e n a t i o nf u r n a c eo fh i g h - s p e e dm i l lr o l lo fj i a n g x ij i u j i a n gs t e e lc o a n d i t a c c o m p l i s h e dt h et r a n s p o r t a t i o n ，m e t e r a g e ，l o a d i n go u t ，m a t e r i a ll o g i s t i c t r a c k i n g ， 如m a c ec o m b u s t i o nc o n t r o la n db i l l e ts t o r ed a t ae x c h a n g eo fs q u a r eb i l l e t b yu s i n g t h ep l ca n dt h es e c o n dc o m p u t e rs y s t e mt oo r d e r , f i xt i m e ，i n t e r l o c ka n dl o g i c a l c o n t r o l ，i ta c h i e v e df u l ll i n et r a c k i n gm a n a g e m e n to f c o n t r o la u t o m a t i o na n dm a t e r i a l s y s t e m ，a n di tm e tt h et e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t sw h i c ha r eh i g hp r o d u c t i o n ，h i g h q u a l i t y ，l o wc o n s u m e ，e n e r g yc o n s e r v a t i o n ，p r o d u c i n g a u t o m a t i o ni nf u r n a c e p r o d u c t i o n i nt h ee n d ，i tg a v et h ep i d c o n t r o lc a l c u l a t i o n k e y w o r d s ：t h ep y r o g e n a t i o nf u m a c eo f h i g h - s p e e dm i l lr o l l ，d e s i g na n da p p l i c a t i o n ， b a s i ca u t o m a t i o n ，c o m p u t e rp r o c e s sc o n t r o l ，p i dc a l c u l a t i o n i i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得直昌太堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名c 瑚嚷骅签字嗍抄夕年咖日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向围家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权直昌大堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) ： 衷善华 签字日期：山哕年7 月彦p 日 、 导师签名( 手写) ： 狲1 签字日期：函矽年, q 第l 章引言 第l 章引言 1 1 加热炉发展和现状 连续式加热炉是轧钢行业中重要的工艺生产设备之一。钢坯由炉尾装入， 边前进边加热，被加热到所需要的温度后，经过出钢口出炉，再沿着辊道送往 轧钢机。连续式加热炉的工作是连续性的，钢坯在炉内靠推钢机的推力沿着炉 底的滑道不断地向前移动，加热后不断地排出。 加热炉在保证安全运行及完成加热钢坯任务的同时，还要考虑高效及经济 地燃烧。如何采用合理有效的控制策略，当加热炉控制系统的负荷及煤气的质 量等因素发生波动时。仍然能使加热炉内的炉膛温度、炉膛压力、排烟温度等 参数稳定在控制范围之内，并且能够使加热炉工作在最佳燃烧区内，提高产品 质量且能节约能耗、减少加热钢坯的氧化铁皮、降低对环境造成的污染等等， 是提高企业竞争力的主要措施，也是企、l k 界和科技界对加热技术改进一直关注 的热门课题。 现代化的高速线材轧机，由于对轧制高速线材的公差和不园度要求口益严 格，因而对小方坯加热温度均匀性和钢坯表面的质量要求也不断提高，加热炉 是高线生产必要的工艺设备。随着i _ q k 自动化技术的不断发展，现代化的热连 轧机应该配置大型化的、高度自动化的步进梁式加热炉，其生产应符合高产、 优质、低耗、节能、无公害以及生产操作自动化的工艺要求，以提高其产品的 质量，增强产品的市场竞争力i l 儿引。 我国轧钢工业的加热炉型有推钢式炉和步进式炉两种，但推钢式炉有长度 短、产量低、烧损大等缺陷，操作不当时会粘钢，造成生产上的问题，钢坯断 面温差较大，板坯背面滑轨擦痕多，难以实现管理自动化【3 j 。由于推钢式炉有难 以克服的缺点，而步进梁式炉是靠专用的步进机构，在炉内做矩形运动来移送 方坯，方坯之间可以留出空隙，方坯和步进梁之间没有摩擦，出炉方坯通过托 出装置出炉，完全消除了滑轨擦痕，又适合加热断面较大的坯料。钢坯加热断 面温差小、加热均匀以及可出空炉料、炉长不受限制、产量高、生产操作灵活 等特点，其生产符合高产、优质、低耗、节能、无公害以及生产操作自动化的 工艺要求【4 】。 第l 章引言 从6 0 年代开始，一些发达国家就开始对工业进行改造，除组织合理化以外， 主要靠技术进步，即新设备、新工艺和自动化技术及计算机应用，从而使工业 飞速发展，且朝高产、优质、多品种和节能降耗方向发展。由于自动化及计算 机应用不仅节省人力，更重要的是能把工艺参数严格控制在规定值范围之内； 监控生产过程，甚至于自寻最优而使工艺过程优化，达到高产、优质、节能降 耗以及降低成本，而且能生产过去不能生产的产品，故自动化及计算机应用不 仅是工业现代化的标志，而上上是生产必需和关键的环节，因此世界各国都努力 发展工业自动化。加热炉采用计算机控制系统，一般能节能5 左右，减少氧 化烧损o 2 左右，在频繁改变生产计划、坯料钢种和规格的情况下，其节能和 减少板坯氧化烧损的效果将更加显著。1 5 儿6 j 我国在7 0 8 0 年代建的轧钢生产线大多存在能耗高、产量低、产品质量差、 生产自动化水平低等问题。1 9 7 9 年1 2 月召开的全国轧钢会议，对我国轧钢工 业现状与其后的发展方向进行了全面深入的讨论，提出应用连铸逐步代替初轧， 用连续式冷热宽带钢轧机代替劳特式中板轧机和迭轧薄板轧机，用冷轧硅钢片 代替热轧硅钢片，用连续式棒材、型材轧机代替横列式轧机，用步进式加热炉 代替推钢式加热炉等等。 我国轧机在装备水平上与国外的差距很大，一是规模小，装机水平较低； 二是我围的轧机加热炉大多数是推钢式加热炉，小时产量为6 卜8 0 吨时，国外 发达国家基本是采用步进式加热炉，加热能力为2 5 0 吨时。 8 0 年代后期开始，我困经济发达的省份和各大钢铁( 集团) 公司相继引进 或改建成了具有国际水平的全连续、全自动化步进式加热炉。这种生产线都具 有以下特点： ( 1 ) 生产能耗大幅度降低，从炼钢连铸后开始全连续的直接生产。 ( 2 ) 产量大幅度提高，现在都在1 0 0 万吨每：以上。 ( 3 ) 生产自动化水平非常高，原加热炉的控制系统大多是采用单回路仪表和 继电逻辑控制系统，传动系统也大多是模拟量控制式的供电装置，现在的加热 炉的控制系统都是p l c 或d c s 系统，而且大多还具有二级过程控制系统和三 级生产管理系统，传动系统都是全数字化的直流或交流供电装置。 2 第1 章引言 1 2 加热炉控制技术发展和现状 1 2 1 加热炉自动控制现状和存在的问题 在加热炉自动控制方面，早期的加热炉控制主要集中在常规燃烧控制上， 其直接的目标是获得较为稳定的炉子工况及追求最佳燃烧，其皋本任务是：提 高加热炉各段炉温的控制精度，获得满足开轧所要求的钢坯温度，同时保证经 济地燃烧和安全地运行。1 7 1 7 0 年代以后，国际上对加热炉的最优控制进行了广 泛的研究，并且随着计算机技术的深入和发展，加热炉的计算机控制技术进入 实用化阶段。但与工业发达的国家相比，我围国内的加热炉计算机控制技术起 步较晚，并且发展很不平衡。据统计，目前我国拥有的加热炉中，很多的钢铁 企j i k 中的加热炉还没有实现计算机控制，大量存在着人工操作的现象。有些企 业虽然配有较先进的计算机，但只是用计算机代替常规的仪表，做一些简单的 p i d 调节，计算机的功能并没有得到充分的利用，控制效果并不理想，效益也不 明显；另外一个普遍存在的问题是由于受到一些干扰因素的影响，控制系统运 行不稳定。 另外，在燃烧系统的自动控制上，目前大多采用温度、流量的串级比值控 制系统或双交叉燃烧控制，这两种控制在加热炉工况稳定的条件下基本能实现 炉温的自动控制，但是，当工况不稳或燃料热值不稳时，这两种方法就都无能 为力了，不能保证最佳燃烧控制。目前有些工业炉在尾气中安装了氧化锆测氧 浓度仪表，利用尾气中的氧浓度来修正空燃比。但是，由于氧化锆的监测受温 度、压力等因素的影响比较大，而且由于尾气中的杂质较多，所以检测起来比 较困难，而且其维修量也很大。因此，在我国的众多钢铁企业中，大多数的加 热炉都没有安装氧化锆，对燃料热值的漂移只能通过现场调火工人的实际经验 手动修正。俐 总之，在国内的众多加热炉控制系统中，大部分不能投入自动控制或是仅仅 代替调节仪表使用，难以发挥计算机高速运算和逻辑判断的优势，究其原因，主要 存在以下几个方面的问题： ( 1 ) 系统的控制特性与对象特性不相符合。因为加热炉大多属于非线性、大 惯性系统，所以采用常规控制理论中的控制方法以及模拟仪表进行简单的单回 路控制都是不合适的。 ( 2 ) 部分参数检测比较困难。例如烟气残氧量，由于氧化锆的使用寿命较短， 3 第l 章引言 维护比较困难等原因，烟气残氧量这一参数便很难检测，这样系统就无法形成 闭环自动控制。另外，燃料热值、煤气流量、煤气压力、炉膛热效率等参数的 在线检测也存在着一定的困难。 ( 3 ) 系统难以建立精确的数学模型。由于炉内气氛、热工状况，温度场等均 属于难知参数，而且工艺参数波动频繁，干扰因素较多，所以很难建立起精确 的数学模型来对系统进行控制。 ( 4 ) 自动控制与工艺脱节。加热炉控制是一种综合控制，它与工艺、热工、 仪表、计算机、炉体结构等专业都是紧密结合密不可分的，如果只考虑某一方 面，是无法取得理想控制效果的。 1 2 2 加热炉自动控制应用的主要技术 目前加热炉生产控制系统广泛应用有以下主要技术： ( 1 ) p l c 及d c s 控制技术 目前加热炉生产控制系统已经从常规仪表和继电逻辑控制系统发展到了 p l c 和d c s 控制系统，在现场控制级普遍采用f i e l db u s 现场总线技术，在基 础自动化级和过程控制管理级普遍采用计算机网络技术，基础自动化硬件的选 择，传统的方法是使用p l c 或d c s 。对于大规模的系统，往往其电控系统部 分采用p l c ，而回路控制即过程量控制采用d c s 。近年来由于p l c 增强了回 路控制的功能，同样d c s 也加强了逻辑控制的功能，而且彼此能互相覆盖。加 热炉仪表系统的控制比较复杂，开关量控制相对简单，因此就仪表控制而言， 一般选择d c s 。为保证步进梁的检测控制精度，减少坯料从入炉到出炉的跟踪 误差，电气控制系统对p l c 的开环模拟量循环控制周期、模拟量分辨、采样刷 新周期有严格的要求，一般采用高速p l c 优化软件设计，确保系统正常运行。 ( 2 ) 全数字式传动技术的应用 随着电子信息技术的发展，全数字直流调速技术已日趋完善。近几年，全 数字直流调速装置已广泛地应用于各工业生产环节。它具有模拟系统无法比拟 的优点，数字系统的高智能化，使其具有优良的静、动态特性，可靠性高，调 试方便，免维护，体积小等特点。全数字化的可控硅整流装置和全数字化的交 流逆变装置已经彻底替代了原来的模拟控制的交直流供电装置。 ( 3 ) 现场总线技术的应用 什么是现场总线? 有人把现场总线定义为应用在生产现场、在微机化测量 4 第1 章引言 控制设备之间实现双向串行数字通信的系统，也有人把它称为开放式、数字化、 多点通信技术。现场总线既是通信网络，又是自控系统。它作为通信网络，不 同于日常用于声音、图像、文字传送的网络，它所传送的是接通、关断电源、 开关阀门的指令与数据，直接关系到处于运行操作过程之中的设备、人身的安 全，要求信号在粉尘、噪声、电磁干扰等较为恶劣的环境下能够准确、及时到 位，同时还具有节点分散、报文简短等特征，它作为自动化系统，在系统结构 上发生了较大变化，其显著特征是通过网络信号的传送联络，可由单个节点、 也可由多个网络节点共同完成所要求的控制功能，是一种由网络集成的自动化 系统。 ( 4 ) 计算机网络技术的应用 凡将地理位置不同、具有独立功能的多个计算机系统用通信设备和线路连 接起来，由功能完善的网络软件( 网络协议、信息交换控制程序和网络操作系 统) 实现网络资源共享称为计算机网络。计算机网络既可以用通信线路将几台 计算机系统连成简单的网络，实现信息的收集、分配、传输和处理，也可以将 数百台计算机系统，用数于公里的通信线路连成全国或全球通信网，以实现资 源共享。网络建立的目的： 资源共享：让网络上的用户，无论他处于什么地方，也无论资源的物理位 置在哪里，都能使用网络中的程序、设备、尤其是数据。 高可靠性：多处理机的出现，意味着如果其中一台出现了故障，其余的 处理机仍然可以分担它的任务，尽管性能可能下降，但工作不会中断。 节约经费：小型计算机比大型计算机有更高的性能价格比。 可扩充性：即当工作负荷加大时，只要增加更多的处理器，就能逐步改 善系统的性能。 及时性：计算机网络可以为分布在各地的雇员提供强大的通信手段。通过 网络生活在不同地方的人可以一起工作，利用网络来增强人际沟通可能比它的 技术目的( 如增加可靠性) 更重要。 用于工业生产过程的控制和管理所采用的通信网络与一般的办公室自动化 采用的局域网不同，它应具有下列特点： 1 ) 实时性好，动态响应快。 2 1 可靠性高。 3 ) 适应恶劣的工业现场环境。 5 第1 章引言 4 ) 开放系统互连和互操作性。【9 】【l o 】【l l 】【1 2 】 近年来，国内应用现代控制理论进行控制的加热炉正在逐步增加，出现了 一些自校正、专家系统、自适应控制、模糊控制和智能控制等新型的加热炉控 制系统，也取得了许多应用成果。 1 2 3 加热炉自动控制的发展方向 目前，从加热炉设备及管理水平看，圉内加热炉计算机控制在线直接测量 炉内钢坯温度并用于在线控制，很难在短期内实现，这样钢坯预报摸型只有在 轧机轧过第一道之后，才能问接验证。因此，得到的反馈信息就很难满足实时 控制的要求。虽然在线控制能测量出炉温，但炉温与钢温之间的关系受生产各 种因素的干扰大，很难对钢坯温度实时控制，特别是对于各种非指定状况，如 轧制延迟时予报模型常规效力等。针对这种情况，国内计算机控制不仅对轧制 延迟处理埋入专家知识，应当将不同品种、质量、加热制度、规格的离线数据( 包 括最优加热曲线) ，各种非稳定状态的处理，决窍和调节决窍均存入知识库，用 启发式推理分析的方法，确定最优加热策略。这些决窍包括：加热速度变化决 窍；品种变化决窍；规格变化决窍；出炉温度变化决窍；避免过热决窍；节能 决窍；炉子使用决窍；加热优化决窍。除此之外还具有诊断功能。 从国内外加热炉控制的发展来看，由于轧钢生产的干变万化，影响钢坯加 热的因素很多，有些很难找出其变化规律，将( 人工智能) 专家系统的思想引入加 热炉计算机控制，特别是轧制延迟处理，已成为进一步提高计算机控制水平的 发展趋势i j 。 1 3 高线连续式加热炉简介 连续式加热炉是轧钢行、i k 中重要的工艺生产设备之一。钢坯由炉尾装入， 边前进边加热，被加热到所需要的温度后，经过出钢口出炉，再沿着辊道送往 轧钢机。连续式加热炉的工作是连续性的，钢坯在炉内靠推钢机的推力沿着炉 底的滑道不断地向前移动，或者利用步进机械，不断前进，加热后不断地排出。 在炉子工作稳定的情况下，炉内的各点温度是相对稳定的，加热炉炉膛可以视 为一个稳定的温度场，钢坯在炉膛内的传热可以看作是稳定态传热，这样可以 保证批量的钢坯的加热质量。 连续式加热炉特点各异，从炉子的结构和加热方式等方面可以把连续式加 6 第l 章引言 热炉分成以下几类： 按所用的燃料分类：使用固体燃料的、使用蕈油的、实用气体燃料的、使 用混合燃料的。 按钢坯在炉内的运动方式分类：推钢式炉、步进式炉、辊底式炉等等。 按空气和煤气的预热方式分类：不预热式炉、换热式炉、蓄热式炉( 单蓄 热式和双蓄热式) 。 推钢式连续加热炉是目前应用最广泛的一种型式。炉膛内采取多点供热以 控制炉温，现在很多设计上都使用三段式连续加热炉。一般三段式连续加热炉 在加热制度上采取预热期、加热期、均热期三段温度制度，在炉子结构上也相 应地分为预热段、加热段、均热段三个供热点。钢坯或钢锭由炉尾装入后，先 进入预热段缓慢升温，然后再进入加热段迅速把钢料表面升温到出钢所要求的 温度，经过加热段后，钢料内外还有较大的偏差，最后进入温度较低的均热段 进行均热，这时，钢料表面的温度不再升高，钢料内外的温度逐渐地趋于均匀。 加热炉在保证安全运行及完成加热钢坯任务的同时，还要考虑高效及经济 地燃烧。如何采用合理有效的控制策略，当加热炉控制系统的负荷及煤气的质 量等因素发生波动时，仍然能使加热炉内的炉膛温度、炉膛压力、排烟温度等 参数稳定在控制范围之内，并且能够使加热炉工作在最佳燃烧区内，提高产品 质量且能节约能耗、减少加热钢坯的氧化铁皮、降低对环境造成的污染等等， 是提高企、f k 竞争力的主要措旋，也是企业界和科技界对加热技术改进一直关注 的热门课题。 1 4 本文的主要工作 本文以江西九江钢厂高线步进梁式加热炉计算机控制系统设计为背景，首 先系统地介绍了高速线材工艺流程、高线步进梁式加热炉工作原理以及高线步 进梁式加热炉基本情况，然后针对江西九汀钢厂高线步进梁式加热炉控制系统 的工艺流程及特点，对控制系统设计中涉及的工艺设备与计算机控制系统结构 等作了详尽的介绍。 本文在介绍高线步迸梁式加热炉工作原理的基础上，就目前国内炉温控制 技术方法进行了分析。然后，本文以江西九江钢厂高线步进梁式加热炉控制系 统为背景，主要进行了以下几个方面的工作： ( 1 ) 查阅了大量的国内外相关资料和文献，介绍了自动控制技术的发展和 现状，以及加热炉及其控制技术的发展和现状。 7 第l 章引言 ( 2 ) 在现场调研的基础上，分析江西九江钢厂高线步进梁式加热炉p l c 控 制系统的结构、配置、功能和特点。 ( 3 ) 分析了p l c 控制系统在加热炉炉温控制系统、炉压控制系统、汽包水 位控制系统上的具体应用，并给出了相应的p i d 控制算法。 ( 4 ) 在现场调研的基础上，对系统的控制进行了介绍和说明。 8 第2 章工艺及设备简介 第2 章工艺及设备简介 2 1 江西九江钢厂高速线材热连轧机生产工艺流程概述 l 冷热坯上料无扭精牟乙机李乙制 i l i 测长、称重水冷 i 不合格坯料剔 i 辊道入炉 妻瑟、吐经 l 加热 散卷控制冷却 i i 出炉运输 1 不合格坯料剔 集卷 i 一。 1 l 粗轧机单线轧制 运卷挂钩 i 1 群飞剪切头p & f 运输机运输 i i 分钢、输送 l 质量检杏、头尾剪切、取样l i j 中轧机双线轧制 l 压紧打捆 i 导槽分双线 l 盘卷称重i j l 2 j f 飞剪切头 l 挂标签l l l 预精轧机轧制 i 卸卷l j r 1 l 预水冷 i 入库i 3 撑飞剪切头 i 发货i j r 图2 1 高线生产工艺流程框图 本车间和新建的炼钢连铸车间相邻，为热连铸坯的热装热送提供了很好的 便利条件。车间生产时，在坯料准备及上料方式中有热装直接输送上料和冷坯 9 第2 章工艺及设备简介 上料两种情况。工艺流程如图2 1 所示。 采用热坯直接输送上料时，无缺陷、合格的热连铸坯由热送辊道送入本车 间，提升机把热坯提升到+ 5 o o m 平台的辊道上，通过入炉辊道送入加热炉。当 轧机换孔型、换辊短时停歇时，热坯则送入缓冲台架暂时存放，轧机重新开轧 后，缓冲台架内的热坯经辊道进入加热炉。 当采用冷坯生产时，凭借磁盘吊车将坯料从料架上取出，放在设于+ 5 o o m 平台上的上料台架上。冷上料台架的偏心轮转动机构将坯料以步进方式向前输 送，靠近台架输出端的气动挡料装置下降，使坯料逐根滑落到辊道上。 在入炉辊道上的钢坯经逐根称重、测长，合格后由入炉辊道送入步进梁式 加热炉中加热。如果钢坯有缺陷不允许入炉，可由剔除装置从入炉辊道上剔除。 根据钢种的要求，钢坯在加热炉内加热到9 8 0 - - 1 1 5 0 后，按轧制节奏由辊 道从加热炉侧面单根出炉。加热炉炉型为步进梁式加热炉，额定生产能力冷装 时为1 6 0 t h ，热装时为1 8 0 讹。 出炉后的钢坯由出炉辊道向粗轧机运送。高线轧机粗轧机组按单线布置， 其余机组按双线布置，共由4 2 架轧机组成。粗轧机组共6 架( 0 5 5 0 6 ) ，为平立 布置。中轧机组共8 架( 0 5 5 0 2 + a 4 5 0 x 4 + a 3 5 0 x 2 ) ，为全水平辊轧机。预精 轧机组8 架( 双线，每线4 架) 为二辊悬臂式( 0 2 8 5 4 2 ) ，平立交替布置。精轧 机组2 0 架( 双线，每线1 0 架) ，为二辊悬臂式( 集体传动，i d 2 2 8 x 5 + 0 1 7 0 x 5 ) ，4 5 0 顶交布置。 钢坯在粗轧机组中单根轧出后，轧件在l 群飞剪中分别切去头部和尾部( 事故 时亦可将轧件碎断) ，而后与粗轧机组脱开，由一台分钢器导入双线轧制线中的 a 线( 或b 线) 位置，由辊道送入中轧机组进行双线轧制。粗、中轧机组内部 采用微张力控制轧制。 中轧机组轧出的轧件经导槽分线后，先在2 群飞剪( 双线) 中分别切去轧件头部 和尾部( 事故时亦可将轧件碎断) ，再进入预精轧机组轧制，在预精轧机组各架之 间均设有气动立式活套，使轧件在此区域实现无扭、无张力轧制，从而保证进 入精轧机组轧件尺寸精确。为保证成品精度，预精轧机组出口轧件尺寸公差为 o 3 0 r a m 。 轧件出预精轧机组，经预水冷冷却后，在3 奔飞剪处切头、切尾。轧件经侧 活套进入精轧机组轧制。若轧件在精轧机组内发生事故，精轧机组入口处的卡 断剪立即启动，将轧件切断，防止后续轧件继续进入精轧机，同时3 撑剪碎断功 1 0 第2 章工艺及设备简介 能启动，将轧件碎断。 精轧机组为顶交4 5 0 型的无扭轧机，1 0 机架集体传动、悬臂式碳化钨辊环， 轧件在精轧机组之间实行单线无扭转的微张力轧制，将轧件轧成高尺寸精度、 高表面质量的线材产品。根据不同的产品规格，轧件在精轧机组中轧制若干道 次。 成品尺寸的线材由精轧机组轧出后，进入由水冷装置和风冷运输机组成的 控制冷却作业线。水冷段共设有4 段水冷装置，以控制线材的吐丝温度。在每 段水箱之后均设有一段恢复段，使芯部和表面的温度均匀。经水冷后到达吐丝 机处的温度约为8 0 0 - - 一9 0 0 。 水冷后的线材由夹送辊送入吐丝机，高速前进的线材经吐丝机后形成直径 约为9 1 0 5 0 m m 的螺旋形线圈，均匀地铺放在散卷风冷运输机辊道上。辊道式延 迟型风冷运输机分成双线布置，设有大风量风机。共有大风量风机1 4 台，每线 7 台。每台风机风量达1 5 0 0 0 0 m 3 h ，辊道为交流变频调速传动。根据处理的钢 种、规格的不同，按工艺制度可改变风机开闭的数量、风机的风量、辊道的运 行速度等多种参数来调节线卷的冷却速度，使线卷在较理想的冷却速度下实现 金相组织的转变，从而获得具有良好的金相组织和所需要的均匀一致的机械性 能的产品。 螺旋状的线材在风冷运输辊道上按需要的冷却速度完成组织转变后，在运 输机的“尾部通过线圈分配器平稳地落入集卷筒，形成外径为0 1 2 5 0 m m 内径 为9 8 5 0 m m 的盘卷。集卷时线材温度为3 5 0 - 一6 0 0 。当一卷线材收集完毕后， “快门托板托住“鼻尖，集卷装置的芯筒下降回转，将立卷翻转成卧卷状态， 同时另一个芯筒( 无盘卷的芯筒) 由水平位置回转到集卷机中心的垂直位置，使集 卷工作继续进行。 盘卷运输小车将套在芯筒上的松散卧卷移出，并挂到处于等待状态的悬挂 式运输机( p & f 线) 的钩子上。盘卷挂好后，运卷小车返回，等待下一个盘卷。载 有盘卷的钩子由运输机链条带动沿轨道运行。盘卷继续冷却，在检查站的位置 由人工进行检查、取样和切头尾工作。钩子载着盘卷继续运行到打捆站时，由 自动打捆机打捆。捆好的盘卷在盘卷秤上称熏、标记。钩式运输机最后把盘卷 送到卸卷站，小车将盘卷从钩子上取下，把盘卷放到盘卷收集站中。p & f 线的 空钩继续运行，返回到集卷站处循环使用。成品库的吊车将卸卷站处的盘卷吊 运至成品堆存区存储、等待发货。 第2 章工艺及设备简介 2 。2 高线步进梁式加热炉工作原理 上料时，将无缺陷、合格的连铸坯通过入炉辊道送入加热炉。上料辊道区 设有检测元件对钢坯进行检测。加热炉区检测元件布置示意如图2 2 所示。采用 两个光电管f 1 、f 2 进行测长。来自上料台架的钢坯经过测长装置检测，超长或 弯曲过大等不合格的钢坯由剔出装置推移到辊道一侧的收集台架上，合格钢坯 停留在辊道准备装炉。 炉外人炉辊道 一一一旦一一一卫 f 1f 2f o 图2 2 加热炉区榆测元件布置不意图 在进料方向相对侧炉墙处设有炉内缓冲器。一旦悬臂辊定位失效时，进料 辊道中心线处挡板及炉内缓冲器，可防止钢坯冲撞炉墙。从进料到出料共分四 个阶段： 一、装料 当允许装料信号到达，装料炉门打开，升降挡板下降，炉内辊道和炉外装 料辊道同时高速运行，钢坯以最高速度向加热炉内输送，当钢坯尾部通过炉外 检测器f o ( 光电管) 时，按计算的时问延时，炉内装料辊道和炉外装料辊道同 时减速，按照p l c 预定的布料图要求，将该钢坯在炉内分组精确的定位( 钢坯 定位由进料侧单独传动、变频调速的炉内悬臂辊道完成) 。当第一根钢坯尾部离 开f 2 光电管时，开始下一次向炉外称蕈测长装置处的辊道输送需装炉的钢坯。 当钢坯尾部通过炉外f 0 光电管后，经一定时问延时装料炉门关闭。坯料的测长、 定位由加热炉顺序控制系统完成。所有入炉过程由炉尾高温工业电视监视。 二、钢坯在炉内的传输 通过步进梁的矩形运动，钢坯一步步从炉尾传输至炉子出料端。步进梁的 运行轨迹曲线如图2 3 所示： 1 2 第2 章t 艺及设备简介 图2 3 步进梁的运行轨迹曲线图 到达“2 ”点位后，炉内装料辊道恢复慢速转动。当步进梁到达“3 ”周期运行 前步进梁停“1 ”点位( “l ”点位为后下位) ，周期运行时根据运行动作时间表，步 进梁南“1 ”点位开始向“2 ”点位作上升运动，中间有加速、减速过程。当步进梁点 位，出料辊道停止转动，然后步进梁开始由“3 ”点位向4 ”点位作下降运动，中间 经过加、减速过程，将钢坯轻放于出料辊道上，缓慢停于“4 ”点。当步进梁到达“4 ” 点位，给出加热炉可以出钢信号。然后步进梁由“4 ”点位回到“l ”点位，完成一个 正循环。当坯料在炉停止时间较长时，步进梁停与“0 ”位，由其开始步进循环动 作。 三、加热 炉内钢坯通过步进梁自装料端开始，顺序经过炉子预热段、加热段、均热 段，一步步地移送到炉子的出料端，达到轧机工艺所要求的加热温度和温差。 四、出料 当轧线给出要钢信号时，出料炉门自动开启，开始出料过程，出料辊道以 炉外轧线接钢辊道相同速度运转，在炉内出料辊道上的钢坯高速出炉。当钢坯 尾部通过炉外光电管时，给出出料完毕信号，出料炉门自动关闭，炉内出料悬 臂辊道恢复低速运转。 所有出炉过程南炉头高温工业电视监视。 2 3 高线加热炉基本情况介绍 ( 1 ) 外形尺寸，如图2 4 所示： 装出料辊道中心线 3 0 5 0 0 m m 炉子砌体长度 3 1 8 8 0 m m 炉子砌体宽度l 1 0 6 4 m m 炉子内宽1 0 0 0 0 m m 1 3 第2 卓t 艺歧设备简介 j 炉膛高度 下炉膛高度 装卅料辊道上表面标高 炉坑标高 ( 2 ) 燃料 燃料 发热值 接点流最 接点压力 水分含量 灰尘含量 高炉煤气 7 5 0 41 8 k j n m 3 ：( 富余系数2 0 ) 7 3 5 0 0m 3 h 8 0 0 0 1 0 0 0 0p a 1 0 m g m 3 2 0 t h 发 出高报警。 ( 二) 汽包压力控制 汽包蒸汽管线设有蒸汽调节阀。正常情况下，该回路以汽包的压力值为被 控参数( 1 2 7 a ) ，采用p i d 控制算法，通过蒸汽管线蒸汽调节阀的调节达到 调整汽包压力的目的。当汽包高于报警值时，放散阀开启。汽包水位控制图如 图5 1