钢坯加热炉温度控制系统

1、 内蒙古科技大学课程设计论文 内蒙古科技大学过程控制课程设计论文 题 目：钢坯加热炉温度控制系统 学生姓名： 学 号： 专 业： 班 级： 指导教师： 目录钢坯加热炉温度控制系统设计摘要1第一章 引言21.1加热炉温度控制技术的发展21.2 加热炉一般结构与控制原理31.3加热炉生产工艺4第二章 加热炉温度控制系统52.1串级系统控制概述52.2 温度控制系统概述62.3 加热炉炉温基本控制方案62.3.1 炉温基本控制方案一62.3.2 炉温基本控制方案二72.3.1 炉温控制改进方案82.4调节器正反作用的确定92.4.1副调节器作用方式的确定92.4.2主调节器作用方式的确定9第三章 仪

2、器选型103.1温度传感器的选择103.2流量变送器的选择103.3执行器选择113.4调节器的选择11第四章 总结13参考文献14钢坯加热炉温度控制系统设计摘要加热炉是冶金行业生产环节中重要的热工设备。加热的目的之一是提高钢的塑性。钢在冷态下可塑性很低，为了改善钢的热加工条件，必须提高钢的塑性。一般来说，钢的热加工温度越高，钢的可塑性越好。钢的加热温度越低，加工所消耗的能量越大，轧机的磨损也越快，而且温度过低时还容易发生断辊事故。加热的另外一个目的是使钢的内外温度均匀。由于板坯内外的温差，使得金属内部产生应力，这样经过轧制过程后容易造成质量缺陷和废品。通过加热炉的均热使断面上温差缩小，避免出

3、现危险的温度应力。板坯的加热质量直接影响到钢材的质量、产量、能源消耗以及轧机寿命。正确的加热工艺可以提高钢的塑性，降低热加工时的变形抗力，及时为轧机提供加热质量优良的板坯，保证轧机生产顺利进行。反之，如加热工艺不当，例如加热温度过高，会发生板坯过热、过烧，轧制时就要造成废品。加热炉的燃烧过程是受随机因素干扰的，具有大惯性、纯滞后的非线性分布参量的随机过程。对于这种复杂的控制对象，即使是经验丰富的操作人员，也很难全面考虑各种因素的影响，准确地控制燃烧过程，造成炉温经常偏高或偏低，这些都严重影响了加热炉加热质量和燃耗，甚至影响正常生产。加热炉的生产任务是按轧机的轧制节奏将钢材加热到工艺要求的温度水

4、平和加热质量，并在优质高产的前提下，尽可能地降低燃料消耗，减少氧化烧损。连续加热炉的操作水平直接影响产品的质量、产量和生产消耗指标，钢坯的出炉温度要求在 1 1501 250，靠操作工人调节阀门来控制炉温的效果很差，粘钢和硬断轧辊的事故时有发生，而且能源消耗特别大，所以国内外关于加热炉自动控制的研究一直受到重视，发展得比较快，也取得了较为丰硕的成果。关键字：加热炉、温度控制、过程控制第1章 引言加热炉是热轧生成中的一个重要环节，它直接影响设备稳定、板坯加热质量、燃料消耗、生产节奏等。钢坯加热是否满足工艺要求将直接关系到钢材产品的内在质量。然而在钢坯加热工程中，钢坯温度是不能在线连续测温的，这也

5、就意味着不能采用传统的回路控制策略实现钢坯温度的控制。由于钢坯加热过程呈现非线性、强耦合、高阶和时变等复杂特征，钢坯出炉温度与多项工艺参数有关，且存在着不可测扰动因素，因此钢坯升温过程与各个工艺参数之间关系的精确数学模型难以建立。实际中，由于炉内气氛的温度与钢坯温度具有一定的函数关系，因此常采用控制炉内气氛温度的方法来达到间接控制钢坯温度的目的。1.1加热炉温度控制技术的发展国内外早在五十年代，就开始对加热炉的热过程及板坯加热过程进行了较为深入的研究，在以后的四十多年间，各国学者相继做了大量的研究工作，并取得了一定的研究成果，但他们的工作着重于炉内辐射换热与板坯加热。在六十年代中期以前，工业炉

6、的生产控制系统还停留在比较简单的电器基础自动化控制和人工调整的水平，往往是根据操作者的观测和经验来判断是否接近目标值，然后通过人工操作进行修改和调整;随着市场对产品质量的要求越来越高，对于工业炉的控制精度要求也越来越高，不论是均热炉、加热炉还是退火炉等，在各行各业都广泛应用;并且随着竞争越来越激烈，各行各业在不断提高产品质量的同时，也通过提高技术装备水平来实现大幅降低产品成本，因此工业炉的自动化技术得到了充分的发展。60年代末，英国一个钢厂首先实现了用计算机控制加热炉的生产过程，日本在加热炉采用计算机控制方面的工作虽然起步在60年代中期，但发展速度很快， 1971年新日本钢铁公司大分厂223s

7、mm带钢热连轧机实现了从加热炉到卷取机全部采用计算机自动控制;1980年，世界上第一个二级最佳化控制系统由法国斯坦因一霍特公司与法国所索拉克钢铁公司联合开发，并在 1982年所索拉克公司热轧带钢厂的3座加热炉上成功投入使用。从此以后，工业炉计算机控制系统经过不断的实践完善。国际上最佳化模型及自适应控制技术的发展开始于九十年代，并且在实际的生产运用中效果较好，不仅大大降低了生雨本，对于产品质量的提高起到了相当的作用，这以法国、德国和日本为代表。国内，近二十年来，随着计算机技术和现代控制理论的迅猛发展，人们已不满足炉内辐射换热与板坯加热过程的离线数值计算，而是把离线数学模型在线化，并应用于计算机控

8、制系统中。最近几年来，随着现代控制理论的进一步发展，实现计算机随机优化自动控制、开发热轧生产过程调度与管理系统等，是目前国内外比较关注的研究内容。1.2 加热炉一般结构与控制原理 目前，钢铁企业轧钢系统采用的加热炉一般为两段或三段式加热炉，钢坯在炉内的运动形式一般为步进式或推钢式，下面就将这几种形式简要介绍一下（1）两段式加热炉沿路长分为加热段和预热段两部分，按加热方式又可分为“单面加热”和“双面加热”两种炉型。一般当坯料厚度大于100mm是采用双面加热。在两段式加热炉的加热过程中，为保证产量通常加大加热段炉温设定点，这就使出炉钢坯表面和中心存在较大的温差，严重时影响正常轧制。所以，两段式加热

9、炉在实际使用中产量受到一定限制。（2）三段式加热炉目前钢铁企业各轧钢厂加热炉普遍使用的一种炉型。它分为预热段、加热段和均热段，相对于两段式加热炉它增加了均热段。该类型加热炉加热段炉温一般比两段式高出50100，在进入均热段式钢坯表面温度已达到或高出出钢温度，在均热段钢坯断面温度逐步均匀，并在一定程度上消除“黑印”。三段式加热炉非常有利于轧机产量的提高。（3）步进式加热炉依靠步进梁的顺序、往复运动使被加热钢坯从炉尾移动到出料端，中间经过各加热段，最终是钢坯达到规定的温度后出炉。由于钢坯在加热炉内前、后、上、下均匀受热，所以加热效果良好。加热后，钢坯断面受热均匀，钢坯表面不产生“黑印”、不“粘钢”

10、，工人操作方便，所以目前加热炉内钢坯的运动形式大部分采用“步进式”。（4）推钢式加热炉将钢坯用推钢机从炉尾推入加热炉内，靠推力使钢坯在炉内移动的一种加热炉。推钢式加热炉具有炉内钢坯排列紧密、生产率高的特点，但他对加热控制要求较严格，对操作工人的经验要求较高，容易出现“过烧”、“粘钢”等现象。目前在棒线材生产中已逐渐被“步进式”加热炉取代。 图1.1 四段步进式加热炉结构图1.3加热炉生产工艺目前，一般热轧的板坯加热过程为:板坯由装钢机装入进料端，通过炉内烧嘴进行加热，板坯在加热炉内由步进梁一步步的向加热炉出料端移动。同时，加热炉计算机控制跟踪板坯的温度，根据时间预测、布料情况等合理的设定炉温，

11、使板坯在一定的时间内达到轧制的要求。高温步进梁式加热炉:加热炉上部均热段采用全辐射平炉顶结构，其它上部供热段采用轴向供热的曲线炉顶，即均热段上部采用常规平焰烧嘴、其它供热段上部全部采用轴向常规调焰烧嘴。均热段和第二加热段下部设有液态出渣的化渣烧嘴，采用天然气为燃料。为适应硅钢加热，下部高温段炉膛高度较高。炉底两侧分别设置化渣烧紫5个，出渣口4个，液态渣出来后，经粒化进入冲渣槽，最后被冲入出料辊道下的铁皮沟内。低温步进梁式加热炉:加热炉上部均热段采用全辐射平炉顶结构，其它供热段采用侧向供热，即均热段上部采用常规平焰烧嘴、其它供热段全部采用侧向蓄热式烧嘴。温度控制段分均热段上和下、二加热段上和下、

12、一加热段上和下及预热段上和下共8段供热，其中均热段左右炉温可以分别进行调整。上均热段采用炉顶平焰烧嘴，其余各供热段采用侧向蓄热式烧嘴。加热钢种:碳素结构钢、优质碳素结构钢、低合金结构钢、高耐候性结构钢、焊接结构用耐候钢、桥梁用结构钢、汽车大梁用钢、高牌号无取向硅钢、普通取向硅钢、高磁感取向硅钢、IF钢、双相钢(DP)及多相钢(MP)、相变诱导塑性钢 (TRIP)等。取向硅钢采用分品种和集中批量轧制工艺，硅钢钢渣很坚硬，清渣困难，交替生产取向硅钢和碳钢，硅钢钢渣与碳钢钢渣相混合，就变得疏松且分层，容易清渣。因此，取向硅钢与碳钢要进行交替生产加热，在不加热硅钢钢坯或加热硅钢之后，加热炉待出渣之前的

13、时期内同其他现有加热炉一样加热碳钢钢板。 第二章 加热炉温度控制系统对于四段步进式加热炉，预热段内不进行加热，也不需要温度控制。在加热段和均热端，在侧面炉墙的上下部都设有一定数量的烧嘴，各段的炉内温度都独立的进行控制，调节器的输出信号作为空燃比控制系统的设定值，据此来维持炉内温度的稳定。2.1串级系统控制概述本次设计采用串级控制系统对加热炉温度进行控制。过程控制系统由过程检测、变送和控制仪表、执行装置等组成，通过各种类型的仪表完成对过程变量的检测、变送和控制，并经执行装置作用于生产过程。串级控制系统是两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。此系统改善了过程的

14、动态特性，提高了系统控制质量，能迅速克服进入副回路的二次扰动，提高了系统的工作频率，对负荷变化的适应性较强。串级控制系统工程应用场合如下：（1）应用于容量滞后较大的过程。（2）应用于纯时延较大的过程。（3）应用于扰动变化激烈而且幅度大的过程。（4）应用于参数互相关联的过程。（5）应用于非线性过程。2.2 温度控制系统概述串级控制系统中，由于引入了副回路，不仅能迅速克服作用于副回路内的干扰，也能加速克服主回路的干扰。副回路具有先调粗调快调的特点；主回路具有后调细调慢调的特点，对副回路没有完全克服的干扰影响能彻底加以消除。由于主副回路相互配合相互补充，使得控制质量显著提高。串级控制系统采用两套检测

15、变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。中间被控变量：炉膛温度；操纵变量：燃料流量。加热炉温度串级控制系统结构如 图2.1所示。 图2.1加热炉温度串级控制系统结构框图2.3 加热炉炉温基本控制方案2.3.1 炉温基本控制方案一 炉温调节器TC是串级控制系统的主调节器，其输出同时作为煤气流量调节器F1C和空气流量调节器F2C的设定值，燃料流量调节回路和空气流量调节回路用以克服自身的干扰，如煤气压力和空气压力的波动等。该系统中燃料量与空气量是同步变化的，燃料量与空气量的比值通过两个副调节回路间接保证，空燃比由比值K设定。该方案如图2.2所示图2

16、.2 加热炉炉温控制方案一2.3.2 炉温基本控制方案二炉温与煤气流量构成串级控制系统，空气量随煤气量的变化而变化，该方案可以确保燃料量与空气量的比例关系，但由于空气量的变化始终滞后于燃料量，当负荷增加时，就会出现燃料燃烧不充分的现象。该方案如图2.3所示图2.2 加热炉炉温控制方案一2.3.1 炉温控制改进方案将方案二改进，当炉温偏高时，可通过低选器LS先减少煤气量，后减少空气量；而当炉温偏低时，可通过高选器HS先加大空气量，后加大煤气量，这就确保了在提量和降量时煤气都能充分燃烧。如图2.3所示图2.3燃烧改进方案2.4调节器正反作用的确定一个过程控制系统正常工作必须保证采用的反馈是负反馈。

17、串级控制系统有两个回路，主、副调节器作用方式的确定原则是要保证两个回路均为负反馈。2.4.1副调节器作用方式的确定处于生产工艺安全的考虑，燃料调节阀选用气开式，这样保证当系统出现故障使调节阀损坏而处于全关状态，防止燃料进入加热炉，确保设备安全，调节阀的Kv0。然后确定副被控过程的K02，当调节阀开度增大，燃料量增大，炉膛温度上升，所以K020。最后确定副调节器，为保证副回路是负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以副调节器大于0，负调节器作用方式为反作用方式。2.4.2主调节器作用方式的确定炉膛温度升高，钢坯出口温度也升高，主被控过程K010。为保证主回路为负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，

18、所以主调节器的放大系数K10，主调节器作用方式为反作用方式。第三章 仪器选型3.1温度传感器的选择热电偶是在工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是： 测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。 测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）。 构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。由工艺可知，加热炉温度一般在1 1501 250之间。所以当温度在 1 000 至 1 300 时应该选用

19、铂铑10铂热电偶。3.2流量变送器的选择气体流量变送器是用来计量气体流量的，它是安装在一些管道中记录流过的气体总量的一类仪表。在化工、冶金等工业部门当中是属于比较常见的一种测量仪表。 本设计采用气体流量计（智能气体涡轮流量计 )1.公称通径：15mm300mm; 2.精确度等级：±1%R 、±1.5%R 、±0.2%FS(420mA); 被测介质：天然气、煤制气、空气等； 4.环境温度：-20+50； 5.被测介质温度：-20+80； 6.公称压力：1.6MPa 、2.5MPa 、4.0MPa 、20MPa； 7.防爆标志：ExibBT4 、ExdBT6; 8.输

20、出信号：电压脉冲、420mA二线制； 9.通信接口：选用RS-485通信接口。 10.供电电源：传感器：+5V+24VDC(外接) 特点： 下线流速低，范围度宽， 采用特殊轴承性能可靠寿命长， 具有较强的抗震动性和抗电磁干扰能力， 现场型液晶屏显示清晰直观， 具有温度压力补偿功能3.3执行器选择执行器选择气开型电磁阀，通过控制阀的开度来实现流量控制。气开型是当膜头上空气压力增加时，阀门向增加开度方向动作，当达到输入气压上限时，阀门处于全开状态。反过来，当空气压力减小时，阀门向关闭方向动作，在没有输入空气时，阀门全闭。故有时气开型阀门又称故障关闭型。气关型动作方向正好与气开型相反。当空气压力增加

21、时，阀门向关闭方向动作，空气压力减小或没有时，阀门向开启方向或全开为止。故有时又称为故障开启型。气动调节阀的气开或气关，通常是通过执行机构的正反作用和阀态结构的不同组装方式实现。气开气关的选择是根据工艺生产的安全角度出发来考虑。当气源切断时，调节阀是处于关闭位置安全还是开启位置安全。3.4调节器的选择 调节器选用智能PID调节器型号：XMPA-9000智能PID调节器技术参数：1、二十几种输入信号选择。2、过程量、给定值、控制量三重显示。3、PID调节器正反作用选择。4、出现断阻、断偶、断线故障时，控制量、过程量的模拟输出可选择0%、100%或上限限幅值、下限限幅值。5、跟踪输入信号的零点和满

22、度可进行标定。6、智能声光报警、双定时器或计数器功能。7、可进行开方及小信号切除。8、阀位反馈信号任意（各种模拟输入）。9、可实现外给定值输入（EM2功能）。10、可分别设定控制量上限、下限输出控制范围。可实现分程PID控制，即保持第一控制量的基础上另产生两个分程控制量。11、测量值与设定值显示可进行加减运算。12、PID参数自整定或P参数独立自整定。13、8组设定值P、I、D参数存储和调用。14、控制量跟踪反馈量（EM1功能），可实现手/自动双向无扰动切除。内给定值位移（SB功能）。15、可实现比值控制。比值控制公式：给定值SP=A×外给定+B（A为比值系数）。16、4个开关量控制

23、输出。可实现重定位，关联报警等方式。17、二个或三个模拟量输出：0-10mA或4-20mA。18、50HZ同步双向可控硅过零插补控制算法以实现对每一个正弦波的优化控制，避免了大功率负载对电网的高次谐波污染。断续PID调节器内置41A双向可控硅直接控制交流2KW以下的单相阻性负载或输出3组触发500A以下双向可控硅的同步信号。（注：应为阻性负载）19、可提供多主机，单主机，无主机方式的RS485异步串行通讯方式。通讯数据校验遵照CRC-16美国数据通讯标准，高可靠性循环，条码校验。第四章 总结课程设计是对课程内容的应用性训练环节，是学生应用所学知识进行阶段性的专业训练过程，也是对理论教学效果的检

24、验。经过两周的课设，真真正正的检验了我专业知识的掌握程度以及在查阅资料、软件运用方面的能力。在课设的第一周内，我对于过程控制系统的设计一点头绪也没有，在经过老师的指导和同学们的帮助后，逐渐掌握了课程设计的目的，同时我也慢慢找到了自己熟悉的系统加热炉温度控制系统。加热炉温度控制目的是按轧机的轧制节奏将钢材加热到工艺要求的温度水平和加热质量，并在优质高产的前提下，尽可能地降低燃料消耗，减少氧化烧损。因此，要想提高钢材的质量和生产效率，必须严格控制加热炉的温度。我通过所学知识，设计串级控制系统来控制燃料的流量和空气的流量，从而来控制炉温。对于没有实际工作经验和很少接触控制仪器的我来说，本次设计的难点在于仪器的选型。调节器、变送器和热电偶的型号只有查询资料来比较哪些型号较为适用，对于它们的性能和对工作环境的适用程度不得而知，总之设计还只停留在理论阶段。虽然只停留在理论阶段，但我却在设计中加深了对