板坯加热炉

板坯加热炉（共4篇）

板坯加热炉 篇1

加热炉是钢铁生产中的重要设备, 也是轧钢生产的主要耗能设备, 其能耗约占整个轧制生产的70%[1]。钢坯在加热炉内主要通过辐射、对流等传热方式吸收热量, 使得温度缓慢上升。加热制度决定了钢坯升温速度以及钢坯内温度分布, 并影响后续轧制质量。因此, 研究钢坯在炉内的加热过程, 从而制定合理的目标升温曲线, 对于进行工业炉设计, 确定优化的工艺制度, 提高产品生产率, 进而降低能耗, 具有重要意义[2]。

目前针对板坯加热炉加热过程的研究主要是通过建立仿真模型, 以分析相关的温度场、速度场以及钢坯在炉内典型工况下的升温过程[3], 如采用Fluent等大型商业软件对加热炉稳态条件下的内部温度场和速度场以及钢坯内部的温度分布进行研究[4,5]; 利用数值计算方法对钢坯的传热数学物理方程进行离散求解, 以获得在加热炉瞬态条件下钢坯在炉内加热过程中的温度变化趋势[6,7]等。

然而上述方法并没有对钢坯在炉内的升温曲线进行专门研究和分析, 特别是考虑升温速度、加热炉能耗等限制条件下的升温过程等。为此, 笔者通过对某典型钢种进行埋偶实验, 分析出可以用三次曲线描述加热炉内的板坯升温过程。在确定曲线参数的过程中, 考虑了基本工艺限制条件和约束条件, 制定出板坯加热炉升温曲线簇, 并且建立了炉温和板坯表面温度的对应关系模型。最后, 针对某钢厂板坯加热炉的典型钢种确定出优化的板坯目标升温曲线, 为炉温设定提供初始参考值, 有效降低了加热炉单耗, 提高了热轧生产线的成材率。

1埋偶实验及分析

板坯加热炉从板坯装炉至出炉一般可分为热回收段、预热段、加热段和均热段等, 其中加热段根据生产工艺要求, 又可分为一加热段、二加热段等。在热回收段, 板坯升温较为缓慢, 在预热段和加热段升温较快, 板坯将基本达到工艺要求温度, 而在均热段则是对板坯内部热量的均匀化, 使得板坯表面和内部温差缩小, 便于后续轧制生产。板坯加热炉主要通过气体燃料在炉膛内燃烧获得高温炉气对板坯进行加热, 炉内热交换机理较为复杂, 且同时存在辐射、对流、热传导三种热交换方式, 又由于加热炉内高温多变的环境, 难以对板坯温度进行实时测量, 因此, 加热炉内板坯的实际温度难以准确获得。

当前, 只有通过埋偶实验才能准确获得加热炉内的板坯温度, 但埋偶实验属于破坏性实验, 需要在板坯内部钻孔, 在孔内埋入热电偶检测点, 并通过“黑匣子”温度记录仪实测并记录实验板坯在加热过程中的温度分布以及板坯上方的炉气温度, 主要数据包括板坯上方炉温、板坯升温速度、加热温度曲线、板坯表面与中心的温差等。

笔者选用的实验板坯为普碳钢, 尺寸规格为230 mm × 1 700 mm × 10 000 mm ( 厚度 × 宽度 ×长度) , 埋偶测温点如图1 所示, 测温点分布及深度见表1。

图2 所示为板坯靠近轧机侧 ( T1, T2, T3, T10 ) 、板坯中部 ( T4 , T5 , T6 , T11 ) 以及板坯靠近非轧侧 ( T7, T8, T9, T12) 的断面温度分布。

埋偶实验中黑匣子记录的数据是以时间为变量的, 因此图2 中的升温曲线反映的是板坯沿时间方向的温度变化过程。在实际生产中, 板坯沿炉长方向的升温过程与沿时间方向的升温过程存在对应关系, 且沿炉长方向确定板坯的升温过程更符合工程应用实际, 因此我们先依据埋偶实验绘制的曲线研究板坯升温规律, 再以炉长为变量确定升温曲线。

T1~T9—板坯内部测温点;T10~T12—板坯上方炉温检测点。

在板坯理想的升温过程中, 表面和中心温度持续升高, 且表面温度不低于中心温度, 将板坯表面升温过程和出炉时断面温差控制在合理的范围内, 就可保证板坯的加热质量, 因此本文在假定板坯上下表面受热均匀对称的情况下, 以板坯表面平均温度为研究对象, 描述板坯的升温过程。由图2 可知: 板坯温度 ( 上、下表面和中心温度) 在热回收段升温比较缓慢, 在均热段几乎保持不变, 而在预热段和加热段上升较快, 存在明显的拐点, 因此板坯在炉内沿炉长方向的升温过程可以采用三次曲线进行描述, 其基本形式为:

式中, T为板坯表面的平均温度; L为板坯加热炉有效炉长; x为板坯沿着炉长方向的坐标; a, b, c, d为待求的升温曲线系数。

2板坯升温曲线的确定

在确定板坯升温曲线系数时, 首先以板坯装炉和出炉温度及在均热段升温趋势为基本工艺限制条件, 得到式 ( 1) 解的集合; 其次以板坯在炉内的升温趋势以及断面温差范围为约束条件, 获得一系列板坯升温曲线 ( 升温曲线簇) ; 然后以板坯升温速度最快和能耗最低分别作为升温曲线的上下限, 利用板坯加热工艺规定的关键温度点确定特定钢种的工艺最优升温曲线; 最后建立板坯表面温度与炉温的对应关系模型, 经计算机求解获得炉温控制的范围和最优值, 最终达到通过设定合理的炉温控制板坯温度的目的。

2 . 1基本工艺限制条件

在板坯加热过程中, 板坯的装炉温度TC可根据装炉条件获得。冷装坯装炉温度即为自然温度, 而热装坯温度需根据炉前测温等条件确定, 因此有:

板坯出炉时, 要求其温度TD达到出炉目标温度, 因此对于升温曲线要求有:

为确保板坯在均热段温度不高于炉温, 避免板坯过热从而在该段向外放热导致板坯表面温度下降的情况出现, 以便更好地利用燃料的热量, 设定式 ( 1) 描述的升温曲线在加热炉出口处一阶导数等于0, 即:

2 . 2约束条件

针对式 ( 1) 中的4 个未知的升温曲线系数a, b, c, d , 利用式 ( 2 ) ~ ( 4 ) 的基本工艺限制条件 ( 3 个定解条件) 进行求解, 其解为满足定解条件的集合, 因此升温曲线是一个曲线簇。

对于该集合, 存在如下约束条件:

( 1) 在炉长方向上, 为保证板坯在加热过程中温度持续升高, 因此有:

( 2) 板坯出炉时, 其断面温差应在一定范围内, 因此有:

式中, Ts ( L) , Tc ( L) 分别为加热炉出口处板坯表面温度和中心温度; δT为板坯断面温差范围。

在满足约束条件式 ( 5) ~ ( 6) 的情况下, 通过联立求解式 ( 2) ~ ( 4) , 可获得满足工艺要求的一系列板坯升温曲线。该曲线簇中关键曲线包括使板坯加热最快的升温曲线、最节能的升温曲线以及综合最优的升温曲线。其中, 最顶部为板坯加热最快的升温曲线; 最底部为板坯加热最慢的升温曲线, 在这种情况下, 炉内烟气温度最低, 烟囱排放的烟气温度也更低, 因此, 也是最节能的板坯加热升温曲线。

2 . 3板坯最优升温曲线

以上获得的一系列板坯升温曲线虽然能够满足工艺对板坯温度的基本要求, 但没有考虑板坯升温速度对加热质量的影响。合理的加热方式应该是在低温区域 ( 温度低于关键温度点) 预热时加热速度适中, 使板坯内部的热应力保持较小的值; 在高温区域 ( 温度高于关键温度点) 加热速度增大, 以使板坯迅速升温。板坯加热过程的关键温度点由相关加热工艺确定, 不同的钢种此值不同, 如普碳钢在600 ℃ 以下时处于弹性状态, 如果加热速度过快, 则板坯内会有较大的热应力, 从而产生加热缺陷, 当温度超过600 ℃ 之后, 板坯进入塑性范围, 此时可增大加热速度, 以使板坯温度迅速升高, 因此, 一般定义600 ℃ 作为普碳钢加热过程的关键温度点。

若使板坯按加热升温曲线升温为控制目标, 以工艺规定的温度作为加热过程的关键温度点 ( 如普碳钢为600 ℃ ) , 在满足工艺要求的一系列板坯升温曲线中, 则可找出以关键温度点作为拐点 ( 即曲线的凹凸分界点) 的一条曲线作为最优升温曲线, 针对最优升温曲线, 其在关键温度点处的升温速度最快, 二阶导数为0, 因此有:

联立求解式 ( 2) ~ ( 4) 和 ( 7) , 就可以确定特定钢种的工艺最优升温曲线。

2 . 4板坯表面温度与炉温对应关系模型

在确定了板坯表面升温曲线后, 为了达到优化加热炉生产的目的, 我们建立了板坯表面温度与炉温的对应关系模型, 并通过计算机求解获得炉温控制的范围和最优值。

首先采用通用的一维传热模型描述板坯温度分布。将板坯沿厚度方向分成若干薄层, 且认为每层的温度均匀, 在板坯表面 ( 边界层) 温度确定的前提下, 利用计算机进行数值求解, 获得与板坯表面温度对应的内部各单元层的温度分布。

其次, 建立板坯表面温度与炉温对应关系模型。由热平衡关系可知, 板坯表面从炉膛吸收的热流密度等于边界层向临近边界的单元层传递的热流密度与边界层所增加的内能之和。

式中, σ 为玻尔兹曼常数, W / ( m2·K4) ; ε 为综合辐射换热系数; Tf为炉温, K; Ts为板坯表面平均温度, K; h为综合对流换热系数, W / ( m2·K) ; λs为边界层的导热系数, W / ( m·K) ; Δx为板坯单元层厚度, m; ρ 为板坯密度, kg /m3; cp为比热容, J / ( kg·K) ; Δτ 为时间步长, s; 上标k为当前时刻; 上标k + 1 为下一时刻; 下标s为边界层; 下标s - 1 为临近边界的单元层。

通过计算机对式 ( 8) 进行数值求解, 获得板坯各升温曲线对应的炉温曲线, 其中板坯的最快升温曲线对应炉温设定高值, 最节能升温曲线对应炉温设定低值, 最优升温曲线对应炉温设定最优值。

3应用实例

某钢厂热轧加热炉有效长度为49 500 mm, 主要生产碳素结构钢, 板坯几何尺寸为 ( 210 ~230 ) mm × ( 1 250 ~ 1 800 ) mm × ( 10 000 ~11 000) mm ( 厚度 × 宽度 × 长度) , 常温 ( 20 ℃ ) 入炉, 目标出炉温度1 200 ℃ , 设计产量200 t/h。

对于该板坯加热炉, 在产量为200 t/h时, 利用上述方法, 采用计算机求解技术获得板坯满足工艺条件的沿炉长方向的升温曲线簇, 如图3 所示, 每一条板坯升温曲线均可满足加热要求。

依据前文原理, 选择图3 中最顶部的曲线作为板坯加热最快升温曲线, 最底部的曲线作为板坯最节能升温曲线, 同时, 针对普碳钢, 以600 ℃作为升温过程的关键点, 获得普碳钢的最优升温曲线, 如图4 所示。

在获得板坯加热升温曲线后, 根据式 ( 8) 建立的板坯表面温度与炉温对应关系模型, 计算出板坯3 条典型升温曲线所对应的炉温曲线, 同时得到在加热炉炉长方向各温度控制点的炉温设定范围及最优值, 见表2。

按照表2 确定各控制点的炉温设定值后, 就可实现对该板坯加热炉的优化控制。

4结束语

通过构建板坯在炉内加热升温曲线模型, 建立了板坯在炉内加热的升温曲线簇, 对加热炉各温度控制段的温度设定提供有效的初始参考值。同时, 通过对不同升温曲线的描述, 为提高板坯的加热质量、降低能耗指标, 提供了可以借鉴的方法, 具有良好的现实意义。

本方法2012年应用在某年产500万t的热轧带钢加热炉工程后, 使其单耗降低了7.6%, 成材率提高了0.07%, 带来了可观的经济效益。

参考文献

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双蓄热式板坯加热炉控制系统 篇2

加热炉是钢铁行业的耗能设备,约占轧制工序能耗的50% ,整个钢铁行业能耗的20% ,直接影响钢铁行业的生产成本与能耗[1]。同时,加热炉控制也关系到产品质量,炉温过高或物料在炉内加热时间过长,会造成较为严重的氧化烧损,影响产品质量与成材率; 炉温过低,又易造成轧机损坏或产品质量不合格。随着市场对产品质量要求的提高,对加热炉控制精度的要求也愈加严格。因此,需要开发高质量的板坯加热炉控制系统,在保证加热质量的前提下大幅降低能耗。

根据烧嘴的形式,加热炉分为普通烧嘴的常规加热炉与单( 双) 蓄热式加热炉。双蓄热式加热炉具有燃烧高效、烟气可回收及低二氧化碳排放等优点。在钢铁行业中得到广泛应用,已成为当前钢铁行业加热炉的主流。双蓄热式加热炉控制系统目前的状况是: 基本为手动控制和L1控制,L2 控制系统投入很少。大型轧钢厂( 中厚板、热带) 加热炉大部分为L1、L2 控制系统,L2控制系统主要为国外引进,少部分国内控制系统基本由中冶赛迪工程技术有限公司、北京凤凰工业炉有限公司等公司提供。

笔者对双蓄热式加热炉结构、布置、工艺要求进行研究。将双蓄热式加热炉加热模型和温度预测模型应用于实践,在此基础上开发了一套完善的加热炉控制系统,在保证轧机满负荷操作的前提下,准确控制了板坯目标温度,实现了“一键式烧钢、自动燃烧”的工艺要求,节约了人力并降低了能耗,提高了钢卷产品质量。

1生产工艺

双蓄热式加热炉的烧嘴成对分布于炉墙两侧,控制系统控制烧嘴的定时换向。煤气和空气在烧嘴前经各自的换向阀和蜂窝蓄热体预热后,通过烧嘴喷口在炉膛内混合燃烧。空烟经三通换向阀后至空烟排气管,煤烟经快速开闭蝶阀后汇总至煤烟排烟管,再经各自的引风机进入各自的烟囱后排入大气。

板坯加热时,天车将板坯吊到上料辊道上,输送到测宽测长辊道进行信息核对,并完成测宽测长,按照设定进行布料与定位,打来炉门,板坯经入炉辊道输送到加热炉内后,关闭炉门[2,3]。炉内步进梁将板坯向前移动,先后经过预热段、加热段1、加热段2、均热段加热到目标温度后,打开炉门,将板坯输送到出炉辊道,关闭炉门。

2系统构成

如图1 所示,本系统采用两级控制结构: 基础自动化( L1 控制系统) 和过程自动化( L2 控制系统) 。L1 、L2 控制系统采用工业以太网相连。L1 控制系统由传感器、仪表、PLC ( 燃烧控制PLC、顺序控制PLC、汽化控制PLC、辊道控制PLC) 、交换机、工控机等组成,主要实现辊道控制、顺序控制、汽化冷却控制与燃烧控制。L2 控制系统由服务器( 模型服务器、数据服务器) 、工控机、交换机等组成,向下接L1 控制系统,向上接轧线L2 控制系统、L3 系统,主要实现与其他系统接口、物料跟踪、板坯温度计算、板坯温度预测、温度计算自适应等,并与L1 控制系统共同实现自动燃烧控制。

3L1 控制系统主要功能

3 . 1板坯测长测宽控制

如图2 所示,在板坯加热炉的炉前辊道处设置了4 台激光测距仪( LD1 ~ LD4) 对入炉板坯进行测宽测长,为板坯入炉定位与模型计算提供准确数据。

L—板坯实际长度;L0—激光测距仪间距离;L1、L2—激光测距仪实测距离;α、β—激光测距仪垂直角度和水平角度;W—板坯实际长度;W0—激光测距仪间距离;W1、W2—激光测距仪实测距离。

由图2 可知,板坯实际长度

板坯实际宽度

3 . 2板坯炉前定位

板坯在炉前辊道的准确定位直接影响装钢效率和板坯在炉内的位置,进而影响板坯的加热质量。在炉前辊道设1 台激光测距仪,辊道电动机带编码器。先由激光测距仪测量板坯头部位置,再根据板坯的实际长度,计算出板坯头部定位点,通过控制辊道的启停与速度,实现板坯的准确定位。板坯炉前定位原理如图3 所示。

3 . 3炉膛压力控制

炉膛压力采用前馈控制方法。根据空气供入量、炉门开启与关闭等炉压影响因素,计算前馈修正值,以减少炉压控制的滞后性。炉门开启,烟道闸板开度减小; 炉门关闭,烟道闸板开度增加。以此实现提前对干扰量进行调节,有效减少扰动。

空气流量系数

式中: Fair A为实际空气流量,m3/ h; Fair M为加热炉最大空气供入量,m3/ h。

烟道闸板开度设定

式中: BCDFO为装料炉门开启变量( 开启为- 1,关闭为0) ; BCDFC为装料炉门关闭变量( 开启为0,关闭为1) ; BDDFO为出料炉门全开变量( 全开为- 1 ,关闭为0 ) ; BDDSO为出料炉门半开变量( 半开为- 1,关闭为0) ; BDDFC为出料炉门关闭变量( 开启为0,关闭为1) ; KCDFO、KCDFC为装料炉门开启、关闭时对烟道闸板的开度补偿; KDDFO、KDDSO、KDDFC为出料炉门全开、半开、关闭时对烟道闸板的开度补偿。KCDFO、KCDFC、KDDFO、KDDSO、KDDFC的值在现场实际调试时得到,在6% ~ 15% 之间取值。

3 . 4燃烧控制

双蓄热式加热炉燃烧控制主要包括换向阀的换向控制,煤气与空气的双交叉限幅控制,煤气与空气的空燃比动态控制,最终实现炉膛温度的准确控制。

( 1) 换向控制。该加热炉采用大型换向阀集中换向系统,加热段1、加热段2 及均热段各设2套换向装置,包括2 个气缸、2 个四通换向阀、4个通道,工作时只开启其中的2 个通道。在某一时刻,炉子的一侧实现空气与燃气混合燃烧,另一侧排出烟气,经过一个固定时间( 2 ~ 3 min) ,通过对换向阀的控制,实现燃烧与排气侧的周期交换。

( 2) 双交叉限幅控制。如图4 所示,双交叉限幅燃烧控制系统是一个以温度为主参数、燃气流量和空气流量并列为副参数的串级调节系统,也是带有交叉限幅逻辑控制功能的比值调节系统[4]。系统主要由4 个运算单元组成: 2 个高选单元( 对应负偏置系数K1、K3) ,2 个低选单元( 对应负偏置系数K2、K4) 。其目的是通过调节K1~ K4的值,来合理控制空气过剩率在1. 02 ~1. 1 之间,从而使燃烧过程处于最佳燃烧区,并达到防污染、节能等目的。

( 3) 动态修正空燃比控制。在加热炉预热段、加热段1、加热段2 及均热段分别设计了1 台残氧分析仪,安装在加热炉的顶部,用以检测各段炉内烟气的含氧量。根据残氧分析的结果,判断燃气是否充分燃烧,以适当调节空燃比,提高燃烧效率。

( 4) 炉膛温度控制。通过双交叉限幅控制对煤气和空气按一定空燃比的控制,同时引入燃气热值和烟气残氧含量对空燃比进行动态修正,使炉内燃烧充分,进而合理控制各控制段温度。

4L2 控制系统主要功能

负责向L1 控制系统提供板坯加热所需数据,完成加热过程的物料跟踪,进行生产监控和统计。以最小的热耗,按照轧制节奏的要求,把入炉的板坯加热成满足轧线要求的目标温度[5,6]。主要功能包括数据通信与物料跟踪、板坯温度计算、板坯温度预测、温度计算自适应等。

数据通信与物料跟踪是L2 控制系统的基础,为板坯温度计算提供准确数据。随着加热炉参数的变化,需要用自适应模型对板坯温度计算模型结果进行不断修正。

4 . 1数据通信与物料跟踪

采用DBTODB、TCP /IP两种通信方式,根据两者的优缺点[7],对不同系统采用不同的通信方式: L2 控制系统与L1 控制系统采用TCP /IP的通信方式,与轧线L2 控制系统、L3 系统采用DBTODB的通信方式。

物料跟踪为模型计算提供准确的位置信息与数据信息[7]。跟踪从入炉辊道到出炉辊道,跟踪信号有冷检、接近开关、步进梁步距等。如果跟踪出错,可以在HMI进行跟踪修正,包括入炉、前移、后移、出炉等。

4 . 2板坯温度计算模型

利用板坯温度计算模型,实现板坯从入炉开始到出炉为止的全部加热过程的温度实时计算跟踪。首先计算板坯的表面热流和表面温度,然后计算板坯内的温度分布。

加热炉内的热交换机理相当复杂,参与热交换过程的主要对象是高温炉气、炉墙和钢坯,而钢坯厚度方向的温度分布是符合热传导定律的,因此,温度跟踪模型从原理上可以分为2 个部分: ( 1) 通过热平衡方程,给出炉膛、炉气、板坯表面温度三者之间的关系。实测炉膛温度与烟气温度,反复迭代计算得出炉内板坯表面的温度分布曲线。( 2) 依据导热方程计算板坯在 Δt( 周期传热时间,s) 时间后的温度增量,从而推导出板坯的内部温度分布,实现对炉内板坯温度的实时跟踪。

4 . 2 . 1板坯表面温度计算

如图5 所示,将板坯的表面分成若干网格,网格的节点用坐标( j,i) 表示,相邻网格节点的水平、垂直距离为: Δx1、Δx2、Δy。板坯表面温度的计算就是计算网格节点的温度。

板坯表面温度模型如下:

其中,

上述式中: H( 1,i)为当前计算周期的焓; H'(1,i)为下一计算周期的焓; kd为零维导热系数; ρ 为比重; φ( 1,i)为当前计算周期的网格点折算温度;Qs( 1,i)为当前计算周期的炉气辐射热流; ΦCG为炉膛内的总辐射率; θg为炉气温度; θ( 1,i)为当前计算周期网格点温度。由于kd由经验与现场实际数据修正得到,θg实测得到,ΦCG、Δx1、Δx2、ρ、Δy为常数,H( 1,i)、θ( 1,i)为已知初始值,因此可求出焓H('1,i)与对应的板坯表面温度。

4 . 2 . 2板坯内部温度计算

如图6 所示,将板坯的内部沿厚度方向分成若干网格,网格的节点用坐标( n,m) 表示,相邻网格节点的距离为 Δxt1、Δxt2、Δyt1、Δyt2。板坯内部温度计算就是计算网格节点的温度。

板坯内部温度模型如下:

式中: H( n,m)为当前计算周期的焓; H'(n,m)为下一计算周期的焓; φ( n,m)为网格点( n,m) 折算温度。最终可求出焓H('n,m)与板坯内部网格点的温度。

4 . 3板坯温度预测

每个板坯入炉后,假定当前的加热条件不变,以一个固定的循环程序计算其当前温度,预测板坯在出炉点的温度。如果预测温度比目标温度低,则定义之间的偏差为“温度偏差”。在每个燃烧段,温度偏差最大的板坯被定义为最大温差板坯。温度预测模型的控制目的就是使“最大温差板坯”也能加热到目标温度。此模型通过燃烧温度设定功能,计算预热段、一加热段、二加热段和均热段的设定温度,在投入L2 控制系统时,发送温度设定值至L1 燃烧控制系统,通过控制加热炉的燃烧过程,最终将最大温差板坯加热至出炉目标温度。

4 . 4温度计算自适应

建立的加热炉温度计算模型中,诸如零维导热系数kd、炉膛内总辐射率 ΦCG等参数会随加热条件( 温度、炉段) 变化而发生改变。因为这一改变过程往往缺乏严格理论基础,会导致模型预测出现偏差,所以需要利用温度计算自适应功能,依据板坯实际温度对预测温度进行实时检验和修正,以提高预测的准确性和鲁棒性。具体做法是: 比较加热炉各段的高温计、2 号粗轧机出口处高温计实测数据与温度模型计算的温度,通过最小二乘法进行拟合,进而修正模型参数。2 号粗轧机出口处高温计实测数据要综合考虑板坯在辊道传送期间的空冷温降、除鳞水带走的板坯热量等因素。

5应用效果

本系统于2010 年6 月投入使用后,运行稳定、高效。( 1) 基础自动化: 实现了自动入炉、炉内板坯跟踪、自动燃烧、自动出炉等功能。( 2) 过程自动化: 实现了与L3 系统的实时信息交互、炉内板坯跟踪、板坯温度计算、板坯温度预测、温度计算自适应等功能。其中板坯温度控制精度在20 ℃ 内。图7 所示为某一炉板坯( 共41 块) 的温度数据,目标温度为1 150 ℃ ,经过200 min加热后出炉时,板坯出炉实际中心温度为( 1 150 ±20 ) ℃ ,达到了工艺要求。

6结论

板坯加热炉L1、L2 控制系统共同构成了加热炉控制系统,并与L3系统和轧机L2控制系统配合实现了客户所要求的“一键式烧钢、自动燃烧”的功能。在降低加热炉能耗和减少板坯氧化烧损的基础上,保证了产品的加热质量,提高了钢材的成材率。目前,该系统运行良好,满足生产需求,用户反映良好。由于其具备平稳、连续、高效、灵活的功能特性,因此具有良好的推广前景。

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板坯加热炉 篇3

本溪钢铁(集团)有限责任公司2 300 mm热连轧机生产线生产规模为年产515万t热轧钢卷,设置有4座蓄热式步进梁加热炉,加热炉采用汽化冷却。加热炉工程的设计、设备采购和施工由重庆赛迪工业炉公司总承包。该工程于2007年3月动工兴建, 2009年6月底4座加热炉全部顺利投产。采用带回馈功能的公共整流装置和逆变器组成变频传动系统,完全实现了平滑调速和准确定位的工艺要求,投产以来,系统运转稳定可靠,达到了预期的效果。

1 传动系统

1.1 传动对象

(1)装钢机和出钢机的平移装置

每座炉装钢机和出钢机的平移装置均由相同的2套传动机构、数套齿轮机座和托钢臂部件等构成,分为沿炉子中心线对称布置的左右两组。2套传动机构间用联轴器连接,使两组传动机构同步动作。根据不同长度的板坯,两组升降机构可同步动作或单独动作。

(2)入炉运输辊道和出炉运输辊道

入炉运输辊道位于加热炉的装炉侧,用于板坯在加热炉前的运输和定位,入炉运输辊道的辊子数量为100根,分为12组;出炉运输辊道位于加热炉出炉侧,用于将出钢机取出的板坯运输至除鳞辊道或返回到卸料辊道,出炉运输辊道的辊子数量为96根,分为7组。

平移装置和辊子的驱动装置均采用国产交流变频电动机。

1.2 系统构成与设备配置

考虑到传动系统之间应互不影响,设计两个变频传动系统分别用于入炉运输辊道和装钢机(简称B系统)及出炉运输辊道和出钢机(简称C系统)的供电和调速。B系统装机容量2 290 kW,C系统装机容量2 621 kW,其中B系统中包括1组安装在板坯库区域的入炉连接辊道,C系统中包括2组安装在板坯库区域的热送连接辊道。

热轧加热炉辊道数量多,具有频繁快速起动和制动、在过载工况下运行、 且都采用单电动机拖动的特点。如果每台电动机都采用单独的变频器供电则很不经济,而且主电路结构庞大,致使故障率提高,将影响系统的正常运行。如果将再生能量消耗在制动电阻上,消耗的能量也很可观。所以,多电动机拖动一般宜采用公共直流母线的供电方式[1]。

本工程传动系统由整流变压器、整流/回馈装置、公共直流母线、逆变器构成。即用一套公用整流/回馈装置通过公共直流母线对多台电动机的逆变器供电,这样公共直流母线上的再生能量能够被互相利用。当发电功率大于电动功率时,再生能量还能通过回馈单元回馈给电网。对本工程而言,经测算,采用公用整流/回馈装置和逆变器的方案比变频器单电动机传动方案,能够节省设备费约63.5万元, 即使与变频器多电动机传动方案相比,也能够节省设备费近20万元,这些还没有包括因传动柜数量减少而使电气室面积减小而节省的土建费用。

每组辊道为多台变频电动机同时拖动,每组辊道电动机采用1台变频器供电和调节,每台装/出钢机采用2台变频电动机同时拖动,每台电动机采用1台变频器供电和调节。

变频传动设备选用西门子公司的6SE70系列装机装柜型装置,它是具有全数字、磁场定向控制技术特点的三相交流电压源型变频调速设备。

考虑到在电源故障情况下已经进入炉内的装钢机或出钢机能够尽快返回到炉外而避免因持续高温对其结构造成损害,除了向每个传动系统提供一路工作电源外,还向其提供一路事故应急电源。为此,在加热炉电气室设置了1台800 kVA、10/0.4 kV保安电源变压器和1组配电柜,由该配电柜分别向传动系统B和C各提供一路AC380 V的应急电源。正常工作电源和事故应急电源由人工进行切换。

就本工程而言,根据连铸坯下线节奏、轧机生产节奏和制动要求等条件,估算出采用公共整流/回馈装置后,加热炉辊道一年能够利用的再生能量可达76 500 kW·h。

(1) 整流变压器

B,C传动系统各采用1台10/0.4 kV和1 600 kVA的油浸式整流变压器。为减小变频传动系统运转过程中产生的谐波对电网的污染,2台整流变压器的次级绕组采用相差30°的连接组别,变压器中性点不接地。

(2) 整流装置

B,C传动系统均采用1台800 kW的整流/回馈单元加1台800 kW的整流单元组成1套整流装置。整流/回馈单元和整流单元之间为主从控制方式。

整流单元是带有预充电回路的一个6脉动整流桥,将电能从电网送到直流电压母线上;整流/回馈单元由两个反并联的6脉动晶闸管桥组成,能够将电能送回电网,发电工作桥通过自耦变压器与电网连接。

整流(回馈)单元容量的选择,应该在了解工艺的基础上计算并比较各代表负荷工况下的计算结果,确定容量规格时应该考虑留有适当的备用量。

(3) 电源侧元件

电源侧元件指的是传动系统单线图中整流装置电源侧连接的进线电抗器和自耦变压器。设置进线电抗器的目的是为了减小变频装置的谐波并限制因电网电压或电网系统操作时所产生的电流冲击。整流/回馈单元为了能工作在发电状态,必须将逆变桥上的电网电压提高20%,利用自耦变压器来实现这种电压的配合。

B系统和C系统的进线电抗器、自耦变压器规格相同,进线电抗器规格为0.015 mH,1 600 A;自耦变压器规格为1 233 kVA。

(4)逆变器

6SE70系列逆变器采用矢量控制技术和IGBT功率元件,具有模块化结构,逆变器主要由5部分组成,即直流电压连接板、装有开/闭环控制板CUVC的电子箱、参数设定和操作单元PMU、装有包括IGBT元件的电压中间回路和电动机连接板。IGBT功率元件采用PWM脉宽调制技术,可以改善变频器的输出波形,降低谐波,并减小转矩脉动[2]。

热轧生产线工况比较复杂,现场环境也较差,应用的变频装置需要具备丰富的保护功能才能适应生产要求。6SE70逆变器具有直流母线过压、直流母线欠压、输出过电流、电动机堵转、电动机接地、晶闸管接地、逆变器超温、电动机超温和通信板故障等多项保护功能,这些保护功能通过进行相关的参数设置后生效。

确定逆变器规格时,需要关注变频装置自身过载能力和机械设备过载需求等应用条件。

本工程中B系统共配置110 kW逆变器8台, 160 kW逆变器9台,250 kW逆变器3台;C系统共配置110 kW逆变器8台, 250 kW逆变器5台,315 kW逆变器4台。

(5)电动机电缆和输出电抗器

为了减少变频装置对其他电子设备特别是控制系统设备的电磁干扰,本工程中所有变频电动机都采用国产专用电力电缆——阻然型交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套铜丝编织屏蔽变频电力电缆,该产品具有良好的屏蔽性,能有效消除电磁干扰。

变频装置对电动机的电缆长度有限制使用的条件,需要根据敷设的电缆长度及考虑电缆是否采用屏蔽,并结合逆变器的容量,从而确定是否采用输出电抗器来限制电动机连接电缆的容性充电电流。

本工程中因装钢机和入炉运输辊道远离各自的逆变器柜,因此对应逆变器的输出端都配置有1台铁芯电抗器。

2 变频调速控制方式的确定

变频调速控制方式分为U/f控制、矢量控制和伺服控制三种,对于具体采用何种控制方式,需要根据传动对象的负载特点和工艺要求来确定。

对于装/出钢机的平移机构,工艺要求起动停止迅速,运行平稳,调速范围为1∶20,对调速精度有较高要求,还要求同一台装/出钢机的多根托臂能够同步动作,即对转矩同步控制提出了要求。众所周知,矢量控制是异步电动机的一种理想控制方式。它具有许多优点,例如,可以从零转速开始进行速度控制,调速范围大;可以对转矩进行精确控制;系统响应速度快;加减速特性好等[3]。因此确定采用带编码器的矢量控制方式调速,速度为闭环调节。

对于辊道,工艺要求每根辊子由单独的电动机拖动,辊道能够正反转,额定转速以下调速,调速范围为1∶10,对辊道的调速精度和快速响应没有特别要求,综合以上因素,确定采用适合于多电动机传动、速度为开环调节的U/f控制方式。对于恒转矩负载性质的辊道,保证调速过程中电源电压随电源频率成比例变化时,还能保证电动机的过载能力不变[4]。针对辊道电动机在低频段的转矩特性变差的问题,利用变频装置预置的转矩提升功能来进行补偿。

对于调速快速性指标,带编码器的矢量控制的响应时间为不大于60 ms,U/f控制为不大于100 ms;对于静态速度精度指标,带编码器的矢量控制为±0.02%,U/f控制为±(0.2～0.3)%[5]。需要注意的是以上指标是电动机空载条件下运行获得的,在带负载条件下运行,会有明显的差异。本工程对不同设备所选择的两种调速控制方式,都能满足工艺要求。

3 与基础自动化系统的接口

加热炉区的自动化系统由美国GE Fanuc Automation公司新一代的PACSystems RX7i控制器和VersaMax远程I/O站组成,每座加热炉的装钢机和出钢机由该加热炉的PLC自动化系统进行控制,入炉运输和出炉运输的辊道由辊道PLC系统实行控制。

从基础自动化系统传送到每台逆变器的控制指令、转速设定值,以及从逆变器传送到基础自动化系统的相关电量的实际值和运行状态信号以什么方式进行传输,是传动系统设计要面临的一个抉择,借助于基础自动化系统和变频装置所具有的强大的通信功能,采用通信方式进行数据传输是一种可靠实用、应用灵活且日趋流行的方案,相比硬接线方式还能节省控制电缆。

本工程采用技术先进且在业内广泛应用的Profibus-DP总线通信技术,为此,每台整流装置和逆变器都配置了CBP2串行通信板,每个PLC系统配置5136-PBM-VME总线控制器,通过抗干扰性能好的双绞线电缆和总线连接器实现逆变器和PLC的物理连接。

在Profibus-DP总线上周期性地进行快速数据交换时,PLC和传动装置作为总线上的节点具有唯一的通信地址;通信速率与所用传输介质和总线长度等因素相关并通过参数进行设置,理论上最高达12 Mb/s;本工程中传动装置的通信速率均设置为187.5 Kb/s。

总线上的数据以报文形式进行周期性的传输,报文中包含过程数据区(PZD)和参数区(PKW)的内容,PZD表示控制字和设定值或状态字和实际值的内容,PKW表示传动装置参数的内容,通过PKW能够读出传动装置的诊断、报警和故障信息。

基于生产安全的考虑,对于出现事故时必须终止运转的变频传动机械,相关的“急停”信号仍然通过硬接线的方式传送到逆变器CUVC控制板的DI端口,并对该端口进行相应的参数设置。

辊道逆变器与PLC控制系统的接口如图1所示。

4 负荷平衡解决方案

每座加热炉装钢机平移机构的2台电动机都是由2台逆变器实行供电和速度调节。由于该2台电动机减速机输出端已通过机械进行硬连接,若分别对2台逆变器进行独立调速,尽管同一型号和功率的2台电动机的机械特性相同,PLC系统也能保证2台逆变器的速度设定值相同,但由于2台电动机及其减速机的制造误差,导致其电动机拖动系统的特性很难完全一致,所以负载在2台电动机之间很难完全平均分配而又不易进行自动调整,负荷严重不平衡时甚至会造成机械设备受损。

Simolink提供了解决这个问题的一种方案。Simolink是西门子公司开发的以光纤为传输介质的数字串行数据协议,通过在逆变器/变频器配置SLB接口板而实现连接,并利用共同系统时钟对SLB的同步,以传输报文的形式实现快速而精确的过程数据的周期性传输。

利用Simolink的高速传输数据技术可以实现多台逆变器/变频器间的速度或转矩的主从控制,以此达到负荷平衡的目的。在Simolink环中具有与上位机控制接口功能的SLB板作为Simolink主站(对应的变频装置称为主动装置),环上其它的SLB板作为Simolink从站(对应的变频装置称为从动装置)。主动装置可以发送和接收报文并可读写其信息,而从动装置只能接收报文,数据传输速率为11 Mb/s。

本工程中,根据机械连接方式采用速度主从控制方式,即对每台装钢机的2台逆变器各配置1个SLB接口板并通过光纤进行环型连接来传输数据。环上的主动装置和从动装置均实行速度环控制,主动装置接收来自加热炉PLC系统的控制指令和转速设定值,生成从动装置的速度给定值和控制指令,并将主动装置速度调节器的输出作为从动装置的转矩限幅,使得从动装置和主动装置的输出转矩相等;同时对从动装置的速度调节器实行速度补偿,使其速度略超过主动装置的速度,以避免电动机连接轴事故脱开时出现超速飞车。

出钢机平移机构逆变器之间的信号接口与装钢机的相同。

装/出钢机逆变器与加热炉PLC系统的接口见图2。

由于装/出钢机采用Simolink主从控制的速度闭环调节方式,因此每台装/出钢机的2台电动机都配置了增量型编码器,编码器输出的A,B相脉冲信号作为实际速度值反馈到各自的逆变器,编码器的分辨率为1 024 脉冲/r。

5 应用效果

经带载测量,辊道的速度误差平均约为8%,装/出钢机的速度误差平均约5%;每台装/出钢机的2台电动机的电流之差约为电动机额定电流的13%;U/f方式的速度精度达到±4%,矢量方式的速度精度达到±0.5%。

本工程自投运以来,设备运转平稳可靠,不但实现了设备的精确调速和柔性起停,显著降低了起动和制动过程中对设备的冲击,减小了维护量,而且节约了大量宝贵电能,取得了满意效果,为轧机生产提供了有力保障。

6 结束语

采用公共直流母线对逆变器供电的变频传动系统在热轧加热炉工程中得到日益广泛的应用,通过Profibus-DP总线通信方式实现传动装置与控制系统之间的数据传输以及利用Simolink光纤通信技术实现变频装置之间数据的高速传输,不仅可靠稳定、应用简便,而且经济实用,具有广阔的应用前景,值得工程设计人员深入研究与探索。

参考文献

[1]张燕宾.变频调速应用实践[M].北京:机械工业出版社,2001:274.

[2]周希章,周全.电动机的起动、制动和调速[M].北京:机械工业出版社,2003:270.

[3]原魁,刘伟强.变频器基础及应用[M].北京:冶金工业出版社,1997:39-40.

[4]顾绳谷.电动机及拖动基础(下册)[M].北京:机械工业出版社,1981:111-112.

板坯加热炉 篇4

加热炉板坯定位是加热炉控制系统中非常重要的部分,板坯定位不准可能导致板坯加热后无法出炉、板坯刮炉墙等问题,影响生产和设备安全。

1板坯定位系统组成

板坯定位系统主要由PLC、检测元件、变频器、异步电机、通信网络等元器件组成,控制系统结构图如图1所示。

(1)PLC。PLC是本系统的核心控制器件,它不仅辨识、处理各种运行状态,进行系统间的逻辑运算和联锁保护,还对输入的多个模拟信号进行处理、运算,输出标准的模拟信号控制变频器。本系统PLC采用S7-300。

(2)MM440变频器。该型号变频器是西门子公司生产的一种适用于各种变速驱动应用场合的高性能变频器。它采用最新的IGBT技术和高质量的控制系统,具有完善的保护功能、较强的过载能力以及较宽的工作环境温度,配有可编程的隔离数字输入、输出接口以及模拟输入、输出接口,这使其配置灵活多样、控制简单方便、操作维护容易。

(3)对射光电管。它由发射装置和接受装置组成。接受端由高电平变为低电平时(下降沿)表示钢坯头部到达检测位置;接受端由低电平变为高电平时(上升沿)表示钢坯尾部到达检测位置,此时启动计数。

(4)计数模块。系统采用FM350-1计数模块。

(5)异步电机。系统采用12台功率为7.5kW,额定电压为380V的8极异步电机。

(6)编码器。系统采用增量式编码器,每转1圈产生1 024个脉冲。

2控制思想

板坯定位采用板坯中间定位方式。当对射光电管有1个上升沿时,启动计数模块计数;当计数值等于设定值(N)时,给出变频器停止命令,板坯定位结束。设定值N定义为:

式中,N为设定值;L1为板坯长度;L2为对射光电管到辊道距离;S为辊子周长;n为辊子转1圈编码器输出脉冲数;L为辊道长度;C1为修正数。

根据控制思想,利用SIEMENS STEP7软件编制控制程序。板坯定位控制程序流程如图2所示。

3 参数设定

3.1 FM350-1计数模块参数设定

FM350-1计数模块参数设定内容有:

(1)选择计数模式。FM350-1计数模块有连续计数、单向计数、周期计数3种计数模式。这里选择连续计数模式。

(2)选择启动计数方式。FM350-1计数模块有软件和硬件2种启动方式。软件启动是通过PLC程序给FM350-1计数模块1个启动脉冲;硬件启动是通过硬接线提供给FM350-1计数模块启动信号。这里选择软件启动。

(3)电压等级选择。根据实际编码器的电压等级选择FM350-1计数模块相对应的电压等级。

3.2变频器参数设定

板坯定位效果是看板坯最终定位精度,而板坯最终定位精度取决于变频器,即变频器能否准确停车。除采用直流制动来确保变频器准确停车外,变频器参数设定也至关重要。

(1)恢复工厂默认P010=30;P970=1,启动参数复位;P010=1,快速调试。有些参数只能在快速调试时修改,如P0300、P0301、P0304、P0305、P0307、P0310、P0311。

(2)变频器参数P0004=2,P0100=50Hz,选择使用地区,确定电网的额定频率。额定频率变频器上的拨码开关应与P0100相同。P1800脉宽调制频率增大可使变频器输出电流更接近正弦波,但会导致漏电流加大,一般用默认值。

(3) P0004=3,根据电机铭牌设置相关参数。P0300=2,异步电机;P0304=400V,电机额定电压;P0305=60A,电机额定电流;P0307=37kW,电机额定功率;P0311=675,电机额定转速,r/min;P0340=1,电机参数计算,如计算磁化时间、去磁时间、定子电阻、转子电阻、基准频率、基准电压等参数。特别注意:磁化时间是建立激磁磁通的时间,因此该时间不能太短,以防止电机激磁不足;定子电阻设定太小会导致停车电流过大。

(4)P0004=7、P0700=6,选择命令源;P0719=66,选择命令和频率设定值。

(5) P0004=10,设定通道和斜波函数发生器;P1000=6,选择频率设定值;P1080=5Hz,最小频率;P1082=50Hz,最大频率;P1120=5s,上升时间短电机响应快,但可能导致变频器报过电流,应结合实际情况来设定;P1121=2s,下降时间短,电机快速停车,但可能导致变频器报过电压,也应结合实际情况而定。

(6)P0004=12、P1230=1,驱动装置直流制动使能。P1232=200%,直流制动电流过大会导致停车时频繁报过电流故障,过小影响停车精度,此值应根据调试情况来定。P1234=30Hz,直流制动起始频率是指停车时投入直流制动时的频率。直流制动参数直接影响板坯定位精度,调试时应特别注意。

(7)P0004=13、P1300=0,电机控制为压频比控制。MM440有压频比控制和矢量控制。应用压频比控制时,P1310设过大可能会导致启动时报过电流,设过小会导致启动转矩不足影响响应速度;P1335设滑差补偿,动态调节变频器的输出频率,使电机保持稳定运行,速度不随负载变化;P1500选择转矩设定值。

(8) P0004=20、P0918=5,设定CB通信板地址。CB通信板DIP=0时,P0918设定的地址有效;DIP≠0时,CB通信板地址由CB通信板上的拨码开关设定。P0918=5是指此变频器在Profibus网络上的地址。特别注意:①如果P0010被访问后没有设定为0,那么变频器是不能运行的;②变频器容易受到外部干扰,所以应注意接地和屏蔽;③变频器内有电容,停电后不可立即作业。

4结束语

实践证明,MM440在加热炉板坯定位实际应用中效果很好:一方面减少了因板坯定位引起的故障时间,提高了生产量;另一方面变频器控制实现了电机软起动,延长了电机使用寿命,也减少了电气维护量。

摘要：介绍了加热炉板坯定位系统的硬件结构及控制思想，并阐述了变频器MM440在加热炉板坯定位系统中的参数设定。

关键词：加热炉,板坯定位,PLC,变频器,控制

参考文献

[1]韩安荣．通用变频器及其应用[M]．第2版．北京：机械工业出版社，2000