（机械设计及理论专业论文）铜阀锻前加热系统的设计及其温度控制系统的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文铜阀锻前加热系统的设计及其温度控制系统的研究 摘要 浙江省台州市玉环县是中国最大的低压铜阀门生产和出口基地，预计到2 0 1 0 年，全行业产值达2 0 0 亿。然而目前该行业所用锻前加热设备落后，加热温度不 能控制，作业环境差，热效率低，大大影响了企业经济效益和能源的浪费鉴于 此，本文开展了以下工作： 分析了锻前加热的方法以及各种能源成本、温度预报数学模型以及温度控制 的研究现状，阐述了本课题的重点和难点，以及主要任务和目标。 针对阀铜锻前加热，设计了一种连续加热炉，比较了目前常用的炉用材料， 包括炉体材料和保温材料等，使尽可能的减少蓄热损失和散热损失 利用有限元法进行对加热炉的传热性能分析，通过对其温度场及热流分析， 对加热炉结构进行改进，达到减少散热损失的目的 建立铜坯温度预报的数学模型，通过该模型计算加热炉工作炉温，并采用模 糊控制使炉温恒定于设定温度。 通过实验证实，模糊控制算法在电阻炉炉温控制中效果理想；所建立的温度 预报模型精度满足工程需要，能够实现铜坯出口温度的在线预报通过实验，计 算能源成本证明所设计的加热炉节能效果明显，热效率提高至5 4 ，能源成本降 至原先一半 针对目前工人上料劳动强度大，设计一种自动上料机，完成了对自动上料机 的总功能的分解，再对分功能进行演变，实现总功能的求解 关键词：加热炉温度控制模糊控制有限元传热上料机 浙江大学硕士学位论文铜阀锻前加热系统的设计及其温度控制系统的研究 y u h u a ni st h eb i g g e s tb a s et om a n u f a c t u r ea n de x p o r tt h eb r a s sv a l v e si nc h i n a , w h i c hi si nt a i z h o u , z h e j i a n gp r o v i n c e s i ti se x p e c t e dt h a tt h ew h o l ei n d u s t r i a lw i l l p r o d u c ea b o u t2 0b i l l i o nr m bp r o d u c t s h o w e v e r , t h eh e a t i n ge q u i p m e n tu s i n gi nt h i s i n d u s t r i a li sv e r yp o o r t h eh e a te f f i c i e n c yi sv e r yl o w , a n di th a sn ot e m p e r a t u r e c o n t r o l l e r , t h ew o r k i n ge n v i r o n m e n ti s5 0h e a v y a l li na l l ，i ta f f e c t st h ee c o n o m yo f t h ee n t e r p r i s e sa n dw a s t e st h ee n e r g ys om u c h i nv i e wo f t h ea b o v e ，t h ef o l l o w i n gw o r ki sc a r r i e do u ti nt h i sp a p e r 1 1 l eh e a t i n gm e t h o db e f o r ef o r g i n g ，t h ec o s to f e a c he n e r g y , t h ec u r r e n tr e s e a r c h e s a n dt h e i rt e n d e n c yo ft h et h e o r yo nt h el e m p o r a t u r ec o n t r o la a n a l y z e d 1 1 ” i m p o r t a n c ea n dd i f f i c u l t yo f t l l er e s e a r c ho n t h et h e o r ya r ea l s oi l l u s t r a t e d b a s e do nh e a 吐n go ft h eb r a s sv a l v e sb e f o r ef o r g i n g , an e wf u r n a c ei sd e s i g n e d c o m p a r e dw i t ht h ef u r n a c em a t e r i a l s ，s u c h a sh e a t - r e s i s t a n tm a t e r i a l ，i n s u l a t i o n m a t e r i a la n ds oo n t or e d u c et h el o s so f t h eh e a t i n gd i f f u s ea n dt h eh e a tc a p a b i l i t y t oa n a l y z et h eh e a tt r a n s f e ro ft h ef u r n a c ew i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d t o i m p r o v et h es t r u c t u r a lo ft h ef u r n a c eb a s e dt h ea n a l y s i so ft h et e m p e r a t u r ef i e l da n d f l u x e so f t h ef n i n a c e ，i no r d e rt or e d u c et h eh e a t i n gd i f f u s e 皿em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h et e m p e r a t u r ep r e d i c t i o ni ss e tu p 。w h i c hc a l c u l a t e s t h ew o r k i n gt e m p e r a t u r e 1 1 圮t e m p e r a t u r eo ft h ef u m a c ei sc o n t r o l l e db yt h ef u z z y c o n t r o l l e rt oc a t c hu pt h ew o r k i n gt e m p e r a t u r e i ti sp r o v e dt h a tt h ef u z z yc o n t r o li sf i n ei nf t h - n a c ea n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l s a t i s f i e dt h en e e do f p r o d u c t i o n i ti sk n o w nt h a tt h ec o s to f t h ee n e r g yr e d u c e dt ot h e h a l f o f t h eo r i g i n a l ，b y5 4 c o n s i d e r i n gt h eh e a v yl a b o r , a na u t o f e e d i n gm e c h a n i s mi sd e s i g n e d 1 1 1 c d e c o m p o s i n go ft h ew h o l ef u n c t i o no ft h ea u t o - f e e d i n gm e c h a n i s mi s f i n i s h e d c h a n g i n gt h es u b - f u n c t i o ni sf o l l o w e dt of i n i s ht h ed e s i g n k e yw o r d s ：f u m a c e ；t e m p e r a t u r ec o n t r o l ；f u z z yc o n t r o l ； f e m ；h e a tt r a n s f e r ；a u t o - f e e d i n gm e c h a n i s m 学号2 q 垒q 81 生鱼 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，也不包含为获得澎望盘茔或其他教育机 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 谴笼貌 签字醐：似饵7 月争日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鎏盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国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。本人授权逝江盘芏一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、汇编学位论文。 ( 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：弓龟髦荔。 签字日期：例二年7 月7 日 导师签名： 签字日期：a 埘形年夕月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：r o c k w e l l 自动化动力系统( 上海) 有限公司电话：0 2 1 5 7 6 0 5 3 3 5 8 3 0 通讯地址：上海市松江区北松公路5 2 9 9 号邮编：2 0 1 6 1 1 浙江大学硕士学位论文铜阀锻前加热系统的设计及其温度控制系统的研究 第一章绪论 摘要；介绍了课题提出的背景，说明了课题的研究意义，综述了锻前加热、 温度预报数学模型以及温度控制的研究现状，阐述了本课题研究的难点，重点和 主要研究内容 1 1 课题的提出及其意义 1 1 1 任务提出的背景 浙江省台州市玉环县是中国最大的低压铜阀门生产和出口基地。低压铜阀门 占国内出口市场6 0 以上的份额，内销市场占有率5 0 以上2 0 0 2 年行业总产 值约5 0 亿元以上，其中出口约1 5 亿元人民币产品主要包括铜阀门及配件、水 暖器材、柱塞阀、五金器械。阀门水暖五金行业自1 9 8 1 起步，经过2 0 多年的发 展，已成为玉环工业的第二支柱产业和出口创汇产业，在国际行业市场具有重大 的影响力。该类企业共有8 0 0 多家，从业人员约3 万人，产品品种有1 0 0 个系列 1 0 0 0 多个规格【” 。 我们知道，铜阀门加工过程为属于模锻工艺 2 1 ，其中必不可少的需要锻前加 热，以保证产品的质量、产量以及设备的正常运行但需要认识的是，我们目前 所采用的加热设备效率很低，根据工厂的资料，其热效率不超过2 0 ，大大低于 国内平均水平其最主要的原因是工厂现有设备以煤油喷灯为加热工具，加热环 境为开放式，热量流失很多，能源利用率极低，长年累月的能源费用拖了利润的 后腿，而且造成工作环境差，于是加热设备的改进已经是势在必行了目前工厂 的加热设备及工厂环境如图1 1 、1 2 所示 浙江大学硕士学位论文铜阀锻前加热系统的设计及其温度控制系统的研究 图1 1 工厂目前加热设备及方式 图2 2 工厂目前工作环境 另外，目前对铜坯加热温度基本靠经验判断，往往误差比较大，对产品的质 量影响很大，因为热加工温度过高，便有可能形成粗大的晶粒；若热加工温度过 低，则可能使金属产生冷变形强化、残留应力，甚至发生裂纹等。一般需要加热 到金属再结晶温度以上，提高温度能改善金属的塑性，有利于提高工件的内在质 量，使之不易开裂。高温度还能减小金属的变形抗力，降低所需锻压机械的吨位， 减少能耗和设备磨损而制作铜阀门的材料一黄铜棒，其再结晶温度为5 4 0 6 0 0 【3 j 因此，提出了设计具有控制铜坯出炉的温度的节能加热炉 另外目前工厂铜棒下料与加热工序是各自独立的，之间需要操作人员去进 2 浙江大学硕士学位论文铜阀锻前加热系统的设计及其温度控制系统的研究 料，增加了劳动成本和人员的劳动强度，因此考虑设计一种自动上料机来连接下 料机与加热炉，以及设计的加热系统具有按指定的生产节拍出口已加热的铜坯的 功能，为后续的自动化生产带来可能。 基于以上几点，考虑设计的加热炉将大幅提高能源利用率，并且具有控制出 口温度功能，以及配有自动上料系统，提高自动化水平，并且设备成本低廉，利 于企业，利于社会。 1 1 2 任务提出的意义 从8 0 年代开始，节能工作已纳入国家发展计划，取得了明显的成效。但是， 由于我国经济的长期粗放型管理，没有真正实行集约式经营，能源从开采、运输 加工到终端利用的效率都很低。我国开采上的效率为3 3 ，加工运输上为6 8 8 ， 终端利用上为4 5 3 ，总效率低到1 0 3 ，有近9 0 的能源未得到利用【4 1 我国1 9 9 8 年单位g d p 能耗为1 3 7 6 吨标煤万美元，为世界平均水平的3 倍， 日本的7 2 倒卯。 因此，节能工作已经是迫在眉睫的任务了。而在加热行业中如何提高热效率 和利用好余热将是节能的关键。 据资料显示玉环水暖阀门2 0 0 3 年行业总产值达到6 0 亿，在未来的几年还将 以平均每年1 8 7 的增长率高速增长。预计到2 0 1 0 年，全行业产值达2 0 0 亿，出 口达1 0 8 亿，真正成为国际级水暖阀门产销基地【们 根据工厂资料，目前该地区的能源消耗约占产值的0 4 7 ，到2 0 1 0 年的2 0 0 亿产值，其能源消耗约为9 0 0 0 万，如果热效率提高至原先的两倍，可节省4 5 0 0 万的能源开支，其经济效益是相当可观的 根据每l 亿产值配备1 0 台加热炉，2 0 0 4 年6 0 亿产值需要6 0 0 台，到2 0 1 0 年加热炉数量将达到2 0 0 0 台，新增1 4 0 0 台因此节能加热炉在铜阀生产行业有 着巨大的市场潜力 所研究的对象材料为黄铜( c u 7 0 z n 3 0 ) ，密度为8 4 4 0 k e g m 3 ，比热容 0 0 9 k c a v ( k g p 。以尺寸0 2 0 i n m 4 0 m m 的铜棒为研究对象，每根铜棒质量为 o 1 0 6 k g ，假设加温到5 6 0 ，设室温为2 0 ，按公式( 1 - 1 ) 计算，则每根 铜棒需要吸收的热量为：o 0 9 k c a l ( k g ) x o 1 0 6 k g x ( 5 6 0 - 2 0 ) - 5 1 5 大卡 3 浙江大学硕士学位论文铜阀锻前加热系统的设计及其温度控制系统的研究 q = c m a t ( 1 - 1 ) 其中：q 为所吸收( 放出) 的热量，单位：e a l ； c 为比热容，单位：k e a l c k g ) ； m 为质量，单位：k g , r 为升高( 降低) 的温度，单位。 根据工厂提供的资料，2 0 0 5 年1 至9 月，平均每吨煤油加热2 2 5 吨铜棒， 假设为同一系列的尺寸铜棒( 0 2 0 m m x 4 0 m m ) ，则每吨煤油加热2 1 2 2 6 4 根铜棒， 现每吨煤油价格为4 2 0 0 元，折合每根铜棒消耗的能源成本为o 0 2 元如果设想 热效率提高原先的两倍，即每根铜棒的加热能耗需降至o o l 元。 欲降低每根铜棒的能耗成本，需要了解目前常用能源的成本情况，见表1 1 表1 1 常用能源成本 能源当量热值 8 1 1 9 1单位价格【l o 】单位成本热量 电8 6 0 大卡斤瓦时0 9 元r _ d t 瓦时【19 5 6 大卡，元 煤炭5 0 0 0 大卡千克4 0 0 元吨1 2 5 0 0 大卡元 柴油1 0 0 0 0 大卡，千克 4 1 6 0 - 4 4 1 0 元，吨 2 4 0 4 大卡元 煤油1 0 0 0 0 大卡，千克4 2 0 0 元左右吨2 3 8 0 大卡元 汽油1 0 0 0 0 大卡千克4 1 3 叫7 6 0 元，吨2 4 2 1 大卡，元 天然气 9 3 1 0 大卡立方米1 9 元，立方米4 9 0 0 大卡，元 注：【+ 1 玉环地区电价为0 9 元，千瓦时 预计改进后的能耗成本每根铜棒需0 o l 元，则不同能源其热效率如下： a ) 使用电能加热 9 5 6 大卡元0 0 1 元= 9 5 6 大卡 5 1 5 9 5 6 = 5 4 所以使用电能，改进后的加热炉热效率需要达到5 4 以上 b ) 使用煤加热 1 2 5 0 0 大卡元o 0 1 元= 1 2 5 大卡 5 1 5 1 2 5 = 4 2 使用煤加热，热效率达到4 2 即可。 c ) 使用煤油加热( 柴油、汽油价格相当) 4 浙江大学硕士学位论文铜阀锻前加热系统的设计及其温度控制系统的研究 2 3 8 0 大卡，元0 0 1 元= 2 3 8 大卡 5 1 5 2 3 8 = 2 1 6 如果使用煤油加热，热效率需要达到2 1 6 以上。 d ) 使用天然气加热 4 9 0 0 大卡元xo 0 1 元= 4 9 大卡 5 1 5 4 9 = - 1 0 5 如果使用天然气加热，热效率需要达到1 0 5 以上。 有表1 1 及计算可知，煤的成本最低，也最容易实现降低能耗成本( 热效率 4 2 即可) ，但用煤作为能源加热，工作环境差，且不容易温度控制；其次是天 然气，天然气近年来在加热及热处理行业中被得到重视【1 l 】，而考虑到玉环地区受 到地理环境的限制，尚未通有天然气；几种燃油的成本相当，从作业环境和温度 控制出发，电能最为理想，但由于是二次能源，成本较高，需要在保温及热效率 上做出努力来弥补。 1 2 锻前加热的研究现状 1 2 1 锻前加热的目的 在模锻生产中，金属坯料锻前一般均需加热，其目的是为了获得良好的塑性 和较小的变形抗力以及改变金属的结晶组织加热的质量直接影响到产品的质 量、产量、能源动力消耗以及模锻设备的寿命【1 2 】。 正确的加热工艺可以提高命属的塑性，降低热加工时的变形抗力，按生产节 奏为模锻设备提供加热质量优良的坯料，保证模锻设备生产顺利进行反之，如 加热炉的工作配合不好，就会直接影响模锻的生产因此，加热是整个模锻生产 过程中的一个重要环节。 1 2 2 锻前加热方法比较 金属坯料的加热方法按照所采用的热源不同，可分为火焰加热和电加热两大 类【1 3 1 。加热的热效率与加热的方法、热源的种类以及工件的热物理性能等多种因 素有关。 5 浙江大学硕士学位论文铜阀锻前加热系统的设计及其温度控制系统的研究 ( 一) 火焰加热 火焰加热是利用燃料( 煤、焦炭、重油、柴油、煤气和天然气) 在火焰加热 炉内燃烧产生含有大量热能的高温气体( 火焰) ，通过对流、辐射把热能传给坯 料表面，再由表面向中心热传导而使金属坯料加热。一般当炉内温度超过 7 0 0 8 0 0 时以辐射传热为主，占9 0 以上1 1 4 1 【蛳。 火焰加热方法的优点是，燃料种类较多，炉子修造简单，加热费用较低，对 坯料的适应范围广等。其缺点是劳动条件差，加热速度慢，加热质量难于控制等， 并且一般情况下，火焰加热的热效率比较低垧 ( 二) 电加热 电加热是通过把电能转变为热能来加热工件，其中有感应电加热、接触电加 热、电阻炉加热和盐浴炉加热等【1 7 1 。 与火焰加热相比，电加热有以下优点： a 炉温便于控制。 b 炉内气氛可自由选择( 火焰加热炉气即为热源，二者不可分) c 热利用率高( 没有烟气带走的热损失) 。 d 设备简单紧凑。 e 操作方便，劳动条件好。 电加热的缺点 由于是二次能源，成本较高 ( 1 ) 感应电加热 感应电加热是在感应器通过交变电流产生交变磁场，在感应器内的金属坯 料，在交变磁场的作用下，金属内部产生交变涡流，由于涡流发热和磁化发热( 在 磁性范围内) ，直接使金属坯料加热”s 1 感应加热的优点是速度快，质量好，温度控制准确，金属烧损一般小于5 ， 操作简便，工作稳定，便于和模锻设备一起组成机械化自动化生产线，劳动 条件较好，对环境无污染 缺点是，出现趋肤效应现象，加热温度不均匀，设备投资费用较高，一种规 格感应器所能加热的坯料尺寸范围很窄，电能消耗较大 其但随着我国发电量的迅速增长和感应加热设备与技术的进步，感应加热正 迅速发展为模锻加热的主要方法 6 浙江大学硕士学位论文铜阀锻前加热系统的设计及其温度控制系统的研究 ( 2 ) 接触电加热 接触电加热是以低压大电流直接通入金属坯料，依靠金属内部电阻产生热 量。电流通过金属坯料所产生的热量q 可按公式( 卜2 ) 计算【1 9 1 ： q = 1 2 r t ( 1 - 2 ) 其中，为通过坯料的电流，单位：a ； r 为金属坯料的电阻，单位：q ； t 为通电时间，单位：s 。 由于产生的热量大部分用于工件升温，小部分散失到周围环境中，因此通常 情况下，接触电加热的热效率较高。 接触电加热的优点为： 1 ) 加热快，一般以秒计算。 2 ) 热损失少，熟效率高。 3 ) 结构简单，容易布置。 缺点有： 1 ) 工件形状尺寸受限制，只适用于断面均一，直径小于7 0 m m ，长度与直径比 大于3 0 的细长型棒、带、丝、管等材料。 2 ) 沿工件断面及长度会出现温度不均匀 3 ) 设备投资大，需有大电流的降压变压器 ( 3 ) 电阻炉加热 电阻炉是利用电流通过炉内电热元件所产生的热量，以辐射和对流传热方式 来加热金属坯料 电热元体有两种，一种是金属电热体，如铁铬铝合金和镍铬合金；另一种是 非金属电热体，如碳化硅和二硅化铝本文第二章第二节将有详细介绍 由于受到电热体的限制，这种电加热方法热效率也比其他加热法低1 2 0 ( 4 ) 盐浴炉加热 内热式电极盐浴炉是利用电流通过炉内电极产生的热量把导电介质熔融，通 过高温介质的对流与传导传热，将埋在介质中的金属坯料加热，最高使用温度可 达1 3 5 0 c ，文献【2 1 】有详细的介绍。 这种电加热法的加热速度快，加热温度均匀，但其热效率较低。 ， 浙江大学硕士学位论文 铜阀锻前加热系统的设计及其温度控制系统的研究 上述各种电加热方法的应用范围如表1 2 所示 表1 2 电加热方法的应用范围l 笠l 应用范围 电加热类型 坯料规格加热批量适用工艺 工频感应加热直径大于1 5 0 m m成批、大量模锻、热挤、轧锻 中频感应加热直径为2 0 1 5 0 m m成批、大量模锻、热挤、轧锻 高频感应加热直径小于2 0 m m 成批、大量模锻、热挤、轧锻 直径小于7 0 m m 长 模锻、电镦、卷簧、轧 接触电加热坯料的整体或者局成批、大量 锻、电热弯曲 部加热 中小型非铁金属及 电阻炉加热单件、成批 自由锻、模锻 高合金钢 小件或局部无氧化 盐浴炉加热单件、成批精密模锻 加热 根据上述比较，火焰加热虽然成本低，但热效率不高，且温度不易控制，工 作环境差，故重点考虑电能加热。在电能加热中，感应加热效率高，但有趋肤效 应，且设备成本高；接触电加热只适用于细长型棒料；盐浴炉热效率低，且不适 于流水作业；故传统的电阻炉加热仍不失为一种解决方法 i 3 温度预报数学模型的研究及进展 温度预报数学模型较多的应用于轧钢工业中，目前对钢坯的加热温度的判断 主要通过分布于炉体上下部的炉温检测点和钢坯出炉后的开轧温度红外检测，由 于燃料燃烧产生了大量烟雾和灰尘，以及高温、氧化等因素使得非接触测温效果 很差。因此出现了对钢坯温度通过建立数学模型进行在线预报的需要 本课题所涉及的问题与上述情况相类似，同样存在铜坯在炉内加热时无法测 量到其真实的温度。因此，考虑将钢坯温度预报数学模型应用于对出口铜坯温度 的在线预测。 s 浙江大学硕士学位论文 铜阀锻前加热系统的设计及其温度控制系统的研究 1 3 1 钢坯温度预报模型的研究现状 目前，加热炉钢温预报模型基本上有三类：一类是以工艺理论为基础的多元 回归模型【2 3 】；一类是以实验数据为基础的神经网络模型 2 4 1 1 2 5 1 ；一类是以机理分析 与现场实验为基础建立数学模型1 2 6 1 1 2 7 1 其中多元回归模型物理意义明确，计算方法简单，因此它广泛应用于处理多 因变量或多指标的回归分析、方差分析等统计分析问题，但它固有的缺陷使它仅 限于解决操作点变化范围较小的线性问题或非线性不太严重的问题，噪声和干扰 多可能导致模型失真，随自变量个数的增加，计算复杂程度也增加v e s l o c k i 用 回归的办法建立控制模型成功地应用于美国内陆钢铁公( i n l a n ds t e e lc o m p a n y ) 的一座板坯加热炉上 神经网络已广泛应用于自动控制的各个领域，其非线性逼近能力特别适于工 业过程中普遍存在的非线性对象。采用神经网络建模需要大量的实验数据，一般 测取两组，分别记为建模数据和模型验证数据，并进行标准化处理，前者用于计 算模型参数和主元分解，后者用于考察模型的精度。在这方面国内浙江大学的梁 军教授作了很多的研究工作。 机理分析通过对加热炉传热过程机理的分析研究，以钢坯内部导热方程为基 础，加以合理简化，结合实验拟合参数，最终建立满足精度的数学模型。各参数 之中，总括热吸收率为机理分析的核心，但由于加热钢坯的加热炉同时存在对流、 辐射和热传导三种传热方式，加上炉内大量的烟气、钢坯加热过程中存在氧化等 等，使得总括热吸收率难以精确的确定，也就使得通过该方法求得的数学模型精 度低，因此限制了该方法在建模中的应用 2 8 1 2 9 1 1 3 2 铜坯温度预报数学模型的研究 关于铜坯加热，由于其产业的原因，国内外在铜坯温度预报的研究上基本没 有报道与铜加热相关的，仅有转炉吹炼铜锍的文献介绍 3 0 1 1 3 1 1 转炉吹炼的目的是通过铜锍和空气中的氧气进行剧烈的自热反应，将c u 2 s 氧化成金属铜在此过程中如果吹炼不足，则会增加后续工序的处理难度，而过 度的吹炼会使铜梳过多的氧化成c u 2 0 。其更多考虑的是化学反应，而对于自然产 9 浙江大学硕士学位论文铜阀锻前加熟系统的设计及其温度控制系统的研究 生的温度控制涉及不多，因此在铜加热的温度控制模型上，只能借鉴于钢坯加热 的温度数学模型，进行改进后应用于铜坯加热。 1 4 加热炉炉温控制的研究及进展 在工业发展初期，对于温度控制，一般采用人工干预的方法实现炉温的稳定。 目前国内的加热炉温度控制器大多使用常规p i d 控制或继电一接触器控制。 不可否认，p i d 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单，鲁 棒性好和可靠性高，在工业过程中被广泛应用，尤其适用于可建立精确数学模型 的确定性控制系统，但由于加热炉炉温是一个具有大惯性、纯滞后、参数时变以 及准确的数学模型难以建立等特点的复杂控制对象，常规p i d 控制器需要建立精 确的数学模型，所以很难达到较理想的效果并且受到参数整定方法烦杂的困扰， 常规p i d 控制器参数往往整定不良、性能欠佳，对运行工况的适应性很差1 3 2 继电接触器控制是自动化程度非常低的控制策略，对于像电加热炉这样的 复杂控制对象，己经不能满足日益发展的工艺技术要求，已逐渐被淘汰。 为了满足生产的需要，在原有的p i d 控制算法上衍生了许多其他的智能控制 算法。例如自适应p i d 控制，模糊p i d 控制等等 3 3 1 1 3 4 。随着计算机的迅速发展， 使得具有精度高，稳定性好，可靠性强，实时性好等优点的微机以及各类芯片已 广泛的应用于温度控制系统 伴随着生产技术的发展，智能控制出现于工业生产中，比如，神经网络控制、 模糊控制等等到了9 0 年代，特别是以模糊控制为代表的智能控制在炉温控制系 统中得到了成功的应用 1 4 1 神经网络控制 神经网络具有大规模并行处理能力、学习能力，容错能力强，还有很强的自 适应能力同一网络因学习方法及内容不同，可具有不同的功能其缺点是：表 达知识比较困难，学习速度慢神经网络控制对电阻炉温度控制这样的复杂系统， 在非线性问题和在线估计方面有很强的优势。但它无法利用先验知识和专家经 验，并且存在算法复杂、学习速度慢和局部极小点等缺点，因而在电阻炉温控的 应用中受到很大限制” 1 3 6 。 1 0 浙江大学硕士学位论文 铜阀锻前加热系统的设计及其温度控制系统的研究 1 4 2 模糊控制 模糊控制是一种近年来发展起来的新型控制器，其优点是不要掌握被控对象 的精确数学模型，而根据人工控制规则表决定控制量的大小。模糊控制是以模糊 数学，即模糊集合论、模糊语言知识表示及模糊逻辑规则等作为理论基础；以计 算机作为物质基础；以计算机控制技术、自动控制理论作为技术基础的自动控制 系统。 模糊控制与常规控制方法相比，有以下优点【3 7 】： ( 1 ) 模糊控制完全是在操作人员控制经验基础上实现对系统的控制，无需建立 数学模型，是解决不确定系统的一种有效途径 ( 2 ) 模糊控制具有较强的鲁棒性，被控对象参数的变化对模糊控制的影响不明 显，可用于非线性、时变、时滞的系统 ( 3 ) 由离线计算得到控制查询表，提高了控制系统的实时性 ( 4 ) 控制的机理符合人们对过程控制作用的直观描述和思维逻辑，为智能控制 应用打下了基础。 鉴于以上几点，拟采用模糊控制算法进行对加热炉炉温控制。 1 5 本课题的研究工作 1 5 1 研究的重点和难点 ( 1 ) 本文的重中之重就是如何提高加热炉的能源利用率，使尽可能的达到 节能的效果，并且满足生产节拍的需要 其中在为了满足生产节拍，需要加快被加热工件( 即铜棒) 在加热炉中的换 热速度，而提高换热速度的途径是增大总换热系数，包括对流换热和辐射换热折 合成的对流换热又因加热炉中主要以辐射换热为主，而辐射换热量在炉膛黑度 一定的情况下，与炉温的绝对温度的四次方成正比因此欲加快铜棒在加热炉中 的换热速度，必须提高炉内的温度而提高炉温所带来的后果是蓄热损失和散热 损失增大，增大能耗和降低了能源利用率 由此可见，铜棒在炉内的换热速度和加热炉的热效率是一对矛盾但是为满 浙江大学硕士学位论文铜阀锻前加热系统的设计及其温度控制系统的研究 足生产需要，换热速度一定要跟上工作节拍，因此炉温的提高是必然的。 由此也就引出了本文的难点，如何在提高炉温的同时保证一定的热效率，也 就是减少蓄热损失和散热损失。 ( 2 ) 铜阀锻前加热过程中，铜坯的出口温度及其分布是衡量铜坯加热质量 以及实现加热炉自动控制的重要依据之一，合理地控制铜坯温度可以提高锻压产 品质量，降低能源消耗，但是在实际生产过程中，人们至今无法直接测量到铜坯 在炉内的真实温度，如何通过可测值用以建立模型估计铜坯出口温度是本文的难 点和重点。 1 5 2 主要任务和目标 ( 1 ) 根据上述提出的问题，本文的主要任务是选择适合的材料，包括保温 材料和炉体材料等，并且通过有限元分析对结构进行改进，使尽可能的减少蓄热 损失和散热损失，在不增加能耗的前提下得到合理的高温环境，从而提高加热炉 的热效率。 ( 2 ) 针对铜坯在炉内加热过程中尚无法直接测量其真实温度的特点，分析 其在炉内的加热机理，作合理的简化，与现场实验相结合，建立一种铜坯温度预 报的数学模型，用于实现对铜坯温度的在线预测。 浙江大学硕士学位论文铜阀锻前加热系统的设计及其温度控制系统的研究 第二章加热炉的设计 摘要：确定加热炉种类以及结构方案，选择适合的炉用材料，包括保温材料 和炉体材料等，使尽可能的减少蓄热损失和散热损失，初步确定炉膛结构及保温 材料厚度 2 1 加热炉的分类 加热炉的作用是使物料在加热炉内完成加热，提高物料的温度，改变物料的 物理机械性能，但不改变物料的物态。 加热炉的类型很多，用途也各异，根据其加热的目的不同，可分为加热炉、 热处理炉、干燥炉、焙烧炉等等；根据炉予热工操作特点分类，可分为连续式炉 和周期式炉( 或间歇式炉) ，根据文献【3 8 】归纳详细分类见表2 1 因此，本课题所涉及的是一种用于锻前加热的加热炉，目的是为了提高金属 的可塑性，减少压力加工的变形抗力。为实现流水作业，考虑所设计的加热炉为 连续式加热炉。连续式加热炉适用于批量较大，被加热工件尺寸较小、工作节拍 较快的场合。 表2 1 加热炉的分类 分类名称 目的，操作特点 应用 按加热目的分类加热炉为了提高金属的可扎制和锻造前的加 塑性，减少压力加 热 工的变形抗力 热处理炉为了改变其结晶组金属热处理 织，获得所需要的 物理机械性能 干燥炉为了排除被加热物干燥中药材、烟草 料或工件中的水分等等 的炉子 浙江大学硕士学位论文 铜阀锻前加热系统的设计及其温度控制系统的研究 焙烧炉为了获得新产品应用于制备新材 料，如运用溶胶一 凝胶法制备氧化铝 气凝胶等等 按热工操作特点分连续式炉从装料门进入炉 用于加热钢坯的推 类内，通过炉子不同 钢式连续加热炉、 的温度区域完成加步进炉、环形炉、 热过程，从出料门链式炉等 出炉 周期式炉 成批装料，装完料如均热炉、台式炉、 以后进行加热或熔 罩式炉、井式炉、 炼，在炉内完成加反射炉等 热和熔炼工艺之 后，成批出料 2 2 加热炉结构方案设计 2 2 1 电加热方案 根据前文可知，采用电能加热有温度便于控制、热利用率高、操作环境好等 优点，而在电加热中根据前文比较可知，电阻炉最为容易实现和成本低廉。 加热炉目前常见的可分为一段式加热、两段式加热和三段式加热其中一段 式只有高温区，坯料进入炉膛后直接接触高温环境，其优点在于升温快，加热时 间短，结构简单，缺点在于温度难以控制，出口坯料温度分布不均匀：两段式则 分为高温区和保温区( 保温区温度低于高温区) ，坯料在高温区迅速升温后，进 入保温区使温度均匀；三段式则在此基础上添加预热区，适用于大坯料，后两者 的缺点为结构复杂，炉体长度加长，但由于有效地提高了出口温度均匀性，因此 在轧钢工业中应用广泛。 由于本文所涉及的铜棒尺寸较小，属于小坯料，因此考虑采用一段式或者两 段式加热根据设计要求，所设计的加热炉需要具备出口温度控制的功能，通过 1 4 浙江大学硕士学位论文铜阀锻前加热系统的设计及其温度控制系统的研究 控制两段式中的保温区温度可较容易达到这个目的。但是由于生产节拍较快，铜 棒在炉内经历的时间较短，因此应尽量提高炉温环境，若采用两段式加热，则需 要加长炉体长度，对于厂房车间的设备布局不利。 采用一段式加热虽然可以缩短炉长，但是温度难以控制，且出口温度不均匀 考虑到铜的热扩散率大，且体积较小，出口温度表面与内部温度温差在工程允许 范围内。而对于出口温度控制则可以采用数学建模的方法预测其在线温度，详见 第四章。因此可采用一段式加热作为电加热方案，如图2 1 所示 12 1 保温材料2 炉膛3 电热元件4 铜棒 图2 1 加热炉示意图 2 2 2 油电混合加热方案 由上文可知，几种燃油的热能成本比电能低，而目前工厂各自都有一套煤油 供给系统，因此考虑保留原有能源系统，以煤油作为能源供热。但同时考虑到煤 油加热对温度控制很难实现，故采用油电混合的方法进行加热，即设计两段式加 热，高温区采用煤油火焰加热，使铜棒迅速达到某一高温，之后进入以电能作为 能源的保温区，使温度控制得以方便实现，也容易实现对出口温度的控制。由于 煤油燃烧时的火焰温度可达上千度，因此即使采用两段式加热，也可以使加热炉 炉长缩短在适合的范围内，满足工厂车间的布局。 采用煤油加热时，燃烧器的选择尤为重要目前厂内采用的是煤油喷灯进行 浙江大学硕士学位论文铜阀锻前加热系统的设计及其温度控制系统的研究 火焰喷射，由于在开放式环境下加热，因此不需要考虑供氧设备和排烟系统。而 为了提高热效率，我们改进后的加热炉为封闭式工作，因此所选择的燃烧器需带 有供氧设备，且加热炉带有排烟系统。 由于其结构比较复杂，且煤油加热时温度难以控制，因而很难实现自动化， 鉴于此仍采用电加热作为最终方案。 2 3 炉膛选材与设计 炉用材料除用作外壳及支架的金属外，主要是耐火材料、保温材料等新发 展的不定形耐火材料( 如耐火浇注材料、耐火可塑材料、高温涂料和耐火纤维等) 已部分代替了传统的耐火砖炉衬及其他有关部分目前，炉衬正朝着高强轻质和 多层复合的结构方向发展，但在炉衬组成以及炉体其他部分，砖砌体仍占有一定 的地位，砖的质量和品种也在不断提高和增加 2 3 1 炉膛材料 目前高温炉膛材料主要有莫来石一堇青石质、莫来石一刚玉质、刚玉质、氧 化锆质和碳化硅质等，见表2 2 。 表2 2 各炉膛材料性能比较嗍 体积密度显气孔率抗折强度线膨胀系数最高使用温 材料 咂g m 3 )( )( m p a ) ( 1 0 6 k )度( ) 莫来石一 1 8 9 02 81 51 8 1 3 5 0 堇青石 莫来石一 2 5 2 02 51 45 21 4 5 0 刚玉 刚玉 2 9 1 02 65 27 71 6 0 0 稳定氧化锆 4 1 2 02 83 08 71 4 5 0 碳化硅 2 6 0 02 78 05 2 1 4 0 0 其中莫来石一堇青石质、莫来石一刚玉质称为复相耐火材料，复相材料均以 各相性能互补为出发点，以达到整体材料性能较优。莫来石一刚玉制品，由于具 1 6 浙江大学硕士学位论文铜阀锻前加热系统的设计及其温度控制系统的研究 有良好的高温性能和耐化学腐蚀性能，而越来越受到人们的重视。但该材质窑具 的耐热冲击力不如莫来石一堇青石质好。 碳化硅砖以其耐高温，强度大，导热性能良好，抗冲击，价格低等特点在目 前的工业炉膛用作为主要的材料。这种耐火制品可用于作高温炉炉底板、马弗罐 等。密度为2 6 0 0 - 2 6 5 0 k g m 3 ，导热系数为6 2 5 9 5 9 矿，( 坍足) 1 3 9 。由表2 2 可 知，其抗折强度为几种材料中最强，考虑所设计的炉膛承重较大，因此碳化硅为 优先考虑。 2 3 2 电热元件 电阻炉中以常用金属电热材料最为广泛使用，常见的有镍铬合金和铁铬铝合 金。其中镍铬合金抗氧化能力强，高温使用后不脆化，便于修复和焊接，但最高 工作温度不及铁铬铝合金，且成本高；而铁铬铝合金高温加热后变得硬脆不便修 复，因此相比镍铬合金寿命较短，两者的最高工作温度分别为l 1 0 0 。c 和1 3 0 0 c 1 4 0 1 随着工业上对高温电热元件的需要，除了金属电热材料外，非金属的碳化硅 电热材料被广为的使用，其最高工作温度达到1 4 5 0 。 为了使电热元件能够得到更高的工作温度，金属化合物二硅化铝( m o s i 2 ) 被 研制和使用，二硅化钼是一种有序合金，它一方面具有类似金属的导电性，另一 方面又具有陶瓷的高温抗氧化性，其最高使用温度可达1 7 0 0 ，同样存在使用寿 命短的缺陷，但还是被认为具有广泛的市场前景【4 l 】 2 3 3 远红外节能涂料 当炉体内表面温度在7 0 0 ( 3 以上时，热量传递给炉膛，主要传递方式以辐射 为主，约占9 0 * , 4 以上根据斯忒藩一玻耳兹曼定律，物体的辐射能力为； 巾 肚蚂( 静4 ( 2 - 1 ) 其中：e 为物体的辐射能力，单位w m 2 ； 占为物体的黑度； c o 为黑体辐射系数，单位w ( m 2 k 4 ) ； t 为物体的绝对温度，单位k 1 7 浙江大学硕士学位论文 锕阀锻前加热系统的设计及其温度控制系统的研究 由此可见，物体的辐射能力与物体本身的黑度和温度有关。由于在黑度一定 的情况下，物体的辐射能力与物体绝对温度的四次方成正比。应用到加热炉中， 提高炉温将有效地提高炉子的辐射能力，从而加快与被加热物体的换热。而一味 的提高炉温，将因此蓄热损失和散热损失的增大，甚至可能损坏炉体以及工件。 因此将炉温设定在一个合理值，想要得到更大的辐射能，剩余的途径就是提高炉 内壁的黑度。 通常用于炉膛的耐火材料其黑度大约为o 7 o 8 ，为了得到更高的黑度，以达 到加热炉的节能效果，各个国家先后研制出了针对高温加热炉的远红外节能涂 料，但名称各不相同，其黑度约为o 9 5 ，大大提高了辐射能力。该涂料涂覆于炉 膛内壁，涂刷厚度为2 5 q o m m ，涂料经烧成后，在壁面上形成一种致密的保护 层，不仅可加强辐射，防止热量流失，还可以保护炉膛工作面，延长炉子寿命， 起到了保护炉体和节能降耗的作用 4 2 1 1 4 3 。 2 3 4 功率确定及炉膛结构设计 根据要求，所设计的加热炉需能满足某一系列的铜棒加热，尺寸为o ( 1 0 屹6 m m ) x ( 1 3 , - 6 0 r a m ) ，因此考虑炉膛内腔截面为3 0 m m x 6 2 m m 。为满足 加热最大尺寸的铜棒，取研究对象为0 2 6 x 6 0 ，经计算其质量为2 6 8 9 ，从室温升 温至锻压温度需要获得热能为o 2 6 8 3 7 7 5 4 0 = 5 4 5 6 0 焦，若工作节拍为8 秒钟， 加热炉每8 秒钟至少需要支出5 4 5 6 0 焦的热量，折算成加热炉的功率约为6 8 千 瓦，又知若使用电能，改进后的加热炉热效率需要达到5 4 以上才能满足将能耗 降至o 0 1 元因此，整个加热炉至少需要功率约1 2 6 千瓦，为保证供热有余量， 最终电炉取1 5 千瓦作为额定功率 考虑到工业用电多为3 8 0 伏三相电源，因此采用三角形接法，将1 5 千瓦分 成三个电阻负载，分别接3 8 0 伏。在炉膛结构设计上，根据上述约定，取1 2 个 孔，每4 孔供一个电阻负载，如图2 2 所示，每个电阻负载为5 千瓦，根据炉膛 制造商技术人员意见，确定炉膛长度为6 0 0m m ，壁厚为2 0 m m 1 8 浙江大学硕士学位论文铜阔锻前加热系统的设计及其温度控制系统的研究 1 炉膛2 电热元件( 电阻丝) 3