辐射管式热处理炉加热温度控制及优化分析

1、393辐射管式热处理炉加热温度控制及优化分析【摘 要】在现场工艺参数设计与试验的基础上，对辐射管温度与实际加热温度的相关关系、辐射管式热处理炉加热温度的设定、加热速度及控制模式的选择进行了定量的探讨，为提高加热质量、优化温度控制提供了参考依据。 【关键词】辐射管加热 温度控制 优化分析热处理炉的温度控制是由加热系统完成的，加热系统包括硬件（燃烧设备、计量检测仪器仪表及控制元器件等）和软件（执行控制程序及数学模型）。燃烧的质量直接关系到产品质量、能源消耗及产能的优化。1. 温度设定热处理的加热工艺控制主要是对加热温度，加热速度，保温时间和冷却方式的控制。而加热温度又分为淬火加热温度，正火加热温度

2、和回火加热温度（高温回火和低温回火），冷却方式又分为快速冷却、气雾冷却、自然冷却（在空气中冷却）以及“堆垛缓冷”等。在实际生产中主要是设定炉温控制模型，加热曲线（加热速度），加热温度和保温时间。而辐射管式热处理炉内的热交换主要途径是辐射和传导。在计算机HMI 上的120区温度PID 控制界面，系统规定了三种温度设定模式，一是HMI 设定模式，二是数学模型设定模式，三是目标温度设定模式，通常使用的为HMI 模式。炉温的设定模型依据热处理工艺的不同而不同。对于奥氏体化的加热工艺而言，16区的温度低于目标加热温度。通常1区、2区温度设定为750，3区、4区的温度设定为800，5区、6区温度设定范围是

3、850至工艺目标温度，并且以一定的斜率升到加热目标温度。高温回火与常化和低温回火曲线不同，曲线前后炉温相同，基本上是以加热目标温度为设定温度。这是因为辐射管的热流足够高，可以保持炉子温度。低温回火曲线与奥氏体化温度曲线不同，曲线前段的炉温比后段高，这是因为回火温度相应较低，输入的热量不再受辐射管的能力限制，可以保持炉子温度。在入口段，给予较高热量可以将钢板更快加热，在保证加热质量的前提下提高产量。2. 加热速度（升降温斜率）的设定在计算机HMI 上的120区温度PID 控制界面，系统设定了两种升降温设定模式，一是斜率控制模式，二是实际温度设定模式。通常使用的模式为斜率控制模式，即每分钟升高的温

4、度度数。 间接斜率控制模式系统根据设定的加热时间和目标温度，按照钢板的几何尺寸和热交换平衡，计算钢板升温斜率（/min）通过控制烧嘴的工作数量和ON/OFF频率来控制加热速度。 直接斜率控制模式控制系统根据热交换原理和条件，对不同的目标温度、不同的热处理工艺及不同的钢质和厚度规格，模拟出加热速率（温控斜率），如工艺设计设定辐射管式加热炉的加热速率为1.4 min/mm(正火 、2.3 min mm(高温回火700、2.8 minmm(中温回火 。控制系统按照设定的加热速率对钢板进行加热。 实际温度设定模式系统根据给定的实际温度设定值以最大的速度对炉子进行升降温直到当前温度达到实际设定温度为止。

5、例如，当前温度是900，HMI 设定是650，则系统将根据斜率不断修正实际温度设定值，从而保证炉子温降至650。随着温度PID 的调节将炉子当前温度稳定在650，以满足生产的需要。3. 加热速度的优化在实际生产中，由于各种钢板的化学成分是千差万别的，其相变温度点差别也非常大。同时不同的加热速率又直接影响相变温度点。要优选加热速率，必须通过实践的积累和科学的分析。表法根据程序预先给出的加热曲线，选择加热速率。如有的模型中分别给出了厚度为80 mm、50 mm、30 mm、15 mm、8 mm板的奥氏体化，高温回火、低温回火的加热曲线，可以直接查出对应规格的加热速率。插值法由已知规格的加热曲线，用

6、插值方法求出相邻两个厚度之间的任意一种厚度的加热速率。如已知两个厚度为h 1、h 2，其加热速率分别为v 1、v 2，现处理的钢板是h x ，且h 1h x h 2，则厚度为h x 的钢板加热速率v x =（v 2-v 1）/（h 2- h1）（h x - h1）+v1。回归分析法根据已知的加热曲线，选取一定数量的不同厚度及加热温度的加热速率，或通过试394 验设计，统计不同工艺条件的参数，采用回归分析的方法计算出厚度、目标温度与加热速率的相关关系，计算不同厚度的加热速率。4. 温度的控制4.1 温度控制程序热处理炉温度加热温度的控制，是通过安装在PLC 系统中的软件PID 控制器来实现的。温

7、控区热电偶的实测值经由线性化的传感器传给PLC ，PID 控制器的输出将传给 PLC的烧嘴脉冲式循环控制。开启燃气和助燃空气阀门并接通打火电极点燃烧嘴。点火时通过离子的方式监测火焰，将表明“烧嘴通”、“烧嘴断” 烧嘴控制器、UV 镜故障、烧嘴入口的煤气管道堵塞或泄露、烧嘴的煤气阀或空气电动阀故障。 4.2 辐射管温度的控制由于辐射管式的热处理炉是采用辐射管加热的，所以，加热能力的大小，热源能量的大小一方面与“烧嘴”的额定功率有关，另一方面又与“烧嘴”的燃烧时间长短和工作周期有关，在一个“ON/OFF”周期内，燃烧时间长短，工作频率高低决定热源能量的大小。对于单个的烧嘴而言，烧嘴的工作周期和频率

8、既要满足工艺温度设定的要求，又要满足烧嘴自身安全的要求，保证辐射管不至于过热（通过安装在炉顶上的热电偶TE7.14.x 监测，即辐射管温度1030）。 4.2.1 加热区域温度的记录各区域的温度记录是由镍铬-镍热电偶完成的，型号是K(TE7.13.X上部区域，TE7.15.x 下部区域 ，温度信号通过具有比较和内部限幅的温度变送器(TT7.18.x，转化成模拟信号输入到PLC 的加热系统。如果一个热电偶不能正常工作了，与之对应的区域的热电偶将取代它执行控制功能(例如：如果1区上部的(TE7.13.1不能正常工作了，2区的热电偶(TE7.15.2将向1区发送温度信号 。在更换了坏的热电偶后应该手

9、动重新切换回来。在1区和3区分别有一个热电偶(TE7.14.1TE7.14.3 额外安装用于监控辐射管表面的温度，由于此区域辐射管之间安装得比较靠近，因此有过热的危险。 X=120(加热区4.2.2 加热温度的控制如果在这些区域的边缘温度超过1000，那么1区和3区将以最大的温度（50）逐步递减。如果实际温度低于边缘温度(大约滞后10，那么系统将逐步的向原始的设定值增加。在PLC 加热系统中PID 控制单元控制着每个区域的温度。每个区域的连续控制是加热系统PLC 里的循环控制模块来完成的。根据控制单元计算的需要加热的容量，使相应的烧嘴点火加热。每个区域的控制单元都可以在HMI 计算机上选择自动

10、手动操作模式，自动操作是根据偏移量来计算加热的容量来进行调节。手动操作是调节量是固定的，可以预先在HMI 上设定的。当炉门打开的时候如果不同的区域温度都降低，就转变成手动模式将这些区域的温度控制用固定参数控制，那么调节的容量是不变的。在炉门关闭后大约30秒，手动操作将转变成自动操作。如果炉门长时间处于开的位置(例如在连续操作模式 ，那么在5分钟后将重新设定为自动操作。如果各温度控制单元总是处于手动操作，它们将保持这样的操作模式，这种功能将在HMI 计算机里被激活。 4.2.3 加热温度的显示预览：实际温度：NiC-Ni 热电偶TE7.13. x 或 TE7.15.x 测量范围：0. 1100(

11、420mA温度读数：由比例和斜率来决定，功能范围0. 980 每个区域煤气阀(7.8.x共同调节 每个区域助燃空气调节阀(7.5. x 控制输出：0. 100.0显示：区域1. 20温度TE7.13TE7.15，395报警：超过标准的偏移量(超过50%，超过100%，低于-50%，低于-100%，要设固定参数。 最高温度>1000，热电偶可能被损坏，故障将会显示。操作：PLC 控制，自动手动，如果热电偶损坏时，顶部底部热电偶自动转换。 4.2.4 辐射管温度的控制通过现场实际采样，辐射管温度与目标加热温度有一定的相关关系，1、3、5、7温控区的实际温度与 396 从图1图3可以看出，在1

12、5温度控制区，实际炉温与辐射管的温度相差都比较大，其中最大差值达160，特别是第3温度控制区最为突出。因为16温度控制区是主要的加热区，进入炉内的常温钢板在这几个温度控制区内进行加热，而常温钢板与炉温之间的温差又是最大的。从第7温度控制区开始，炉温与辐射管之间的温差逐步减小，在第9温度控制区，辐射管的温度与实际炉温已经非常接近，到第17温度控制区的炉温与辐射管温度几乎同步，见图5、图6。因为，在这几个温度控制区内的钢板已经达到了加热目标温度，主要的功能是对钢板实施保温、均匀化。依据炉温与辐射管温度的对应关系，在加热工艺目标温度比较高，加热速度较快，且保温时间相对短的钢板，要注意观察16温度控制

13、区的辐射管的温度状况，防止辐射管过热。 4.3 钢板实际加热温度的控制钢板在炉内加热的实际温度，是通过安装在炉子尾部的高温计在线实时测量的（高温计连接冷却水和镜头的氮气清洁接口）。对于入炉钢板的表面温度，本生产线并没有进行（而其他同类生产线有的进行了测量），虽然钢板入炉温度对钢板加热温度控制或热处理炉所使用的计算机的控制过程影响不大，但当钢板入炉温差较大时，对加热模型的精度也有一定的影响。 4.4 煤气和空气混合比例调节对一个区域(区域16和区域720分别控制 所有的烧嘴煤气和空气混合比例是依靠煤气压力和助燃空气压力由PLC 来控制的，部分设备配置有热值仪，通过热值仪O1.5来测量煤气的热值，

14、由PLC 系统来调节助燃空气的阀(7.5.x的开口度。每个烧嘴都安装有一个测量煤气的孔(FD7.19.x和一个测量助燃空气的(FD7.11. x，由于可以单独测量每个烧嘴的煤气和助燃空气的压力，每个烧嘴都可以在试车时通过调节助燃空气流量调节阀达到最佳的混合比例。X=1.120.3(烧嘴编号 。5. 温度的控制优化途径探讨一个高效的加热模型，就是要实现燃烧系统的优化，必须保证：烧嘴功率最优化，在执行设计的产品大纲中的主导产品的工艺制度时，各种规格、各个温度控制区的烧嘴功率应得到较好的发挥，功率既不要不足，也不要过剩；能源利用最大化，可燃性气体要充分燃烧，能源浪费减到最小程度；氧化性燃烧产物最小化

15、，要保证产品质量，就必须控制氧化性燃烧产物，以降低炉内金属构件和钢板在高温条件下的氧化与腐蚀；烧嘴“工作”均衡化，烧嘴的工作均衡化就是要避免烧嘴“苦乐不均”，即，某些烧嘴长时间工作不停，另外的某些烧嘴却长期不工作，而导致那些工作频率快、工作周期长的烧嘴发生非正常损坏；目标工艺温度与实际温度匹配最佳化等，就是要保证在加热区，升温速率曲线的斜率近似相等，且加热速率基本符合正态分布，就是要保证相同工艺制度的产品在相同的温控区，同一加热点的加热时曲线的切线斜率相同，保温时t/h相同。5.1 出炉温度差最小为目标的优化设计与试验以出炉温度（19控制区的设定温度（x 1，）、前一区（17温度控制区）的实际

16、温度（x 2，）和单位保温时间（x 3,min/mm）为自变量，以出炉段的实际温度与目标温度差（Y ）为因变量，进行工艺设计、试验，选择目标温度为910的现场试验数据，考虑因素间的非线性作用，经过变量转换X i =xi -i x （i=1,2）并引入（x i -i x ）2（i=1,2）建立一个3元2次方程a i X i =bi (i=1,2,3,求解得到的回归方程：Y =-0.008+1.04921X +0.00422X(1其中，Y =y-910, -11x X 909.9194，0806. 91622-x X 93989. 033-x X ；由于2X 的显著性非常低，故在运算中被剔除，式中

17、复相关系数为0.986，决定系数（即2r ）为0.972，经方差分析，F=666.629，P=0.000，而且0.01F （62，3）=4.13，显然，F 0.01F （62，3）=4.13；用现场随机抽取的62组样本代入方程，计算值与观测值的最大误差为21.9% ，最小误差为0.000%，可见回归方程有效且高度显著。3975.2 加热工艺分析对（1）式求偏导数得021X1=X f （2）023X2=X f （3）解（2）、（3）得 1x =909.9194, 3x =0.93989时，在这种控制条件下，加热温度与目标温度差值最小，为-0.008，要实现加热温度的优化，就必须根据钢板的厚度及加

18、热目标温度，确定合理的保温时间和预设定目标温度。在加热目标温度相同的前提下，同一炉段上下对称区域加热温度存在较明显的误差，必须引起高度重视，随机抽查的结果见表1。 由表可见，在17、18温度控制区的上下温度均值差最大，为7.18，15、16区上下温度均值差其次，为4.5，而19、20区上下温度均值的差最小，为2.71，其最大加热温度上下差值高达13。其主要原因是这六个区的上下烧嘴功率相差80kw ，即下部烧嘴的功率比上部小25%（80/320）, 以致下部烧嘴加热能力不足，必须在加热数学模型中进行优化补偿。此外，表中各温度控制区加热温度的离散度也比较大，17区最大（4.3810，15区其次（4.139），依次是20区（3.572），18区（2.414），16区（1.243）及19区（0.417）。因此，只有19区加热均匀性的工序保证能力充分，其加热温度分布的整体性也比较好，而17、15区的工序能力严重不足。6. 结语6.1 对于系统提供的三种温度设定模式（HMI 设定，数学模型设定模，目标温度设定），虽然通常使用的