1 引言
蓄熱式燃燒技術,應用在鋼坯加熱爐上能降低煤氣消耗、提高鋼坯加熱質量、拓寬品種規格、提高產量及市場競爭能力,同時降低有害氣體的排放,保護環境,社會效益顯著。蓄熱式加熱爐的控制復雜多變,為了能夠準確有效地控制爐溫,使出爐鋼坯配合好軋制節奏,普遍采用PLC來進行控制。
2 單蓄熱步進式加熱爐簡介[1]
單蓄熱步進式加熱爐實質上是高效蓄熱式換熱器與常規步進式加熱爐的結合體,主要由加熱爐爐體、蓄熱室、換向系統及燃料、供風和排煙系統構成。換向系統是加熱爐的重要部件,整個燃燒過程都是靠換向裝置完成的。換向原理是:初始狀態下,換向裝置處于某一固定狀態時,向爐子一側的燃燒器輸送煤氣、空氣,在爐內實現混合燃燒,同時從爐子另一側的燃燒器排出煙氣,經過一個周期(40s-70s)改變方向,實現供氣和排氣的周期性換向。由于換向閥的頻繁換向,對響應時間和速度有很高的要求,而且加熱爐的燃燒控制也是一個復雜多變的控制過程,以及鋼坯進出爐,爐內布料和步進梁等復雜的控制對象;通過合適的控制策略編程, PLC就能夠快速準確控制這一系列復雜的對象,因此PLC在單蓄熱步進式中被廣泛的應用。
3 單蓄熱步進式加熱爐區工藝流程
合格熱送鋼坯由輥道從煉鋼車間運輸到車間鋼坯跨,熱坯直接進爐的坯料由提升機提升至步進上料架上,經輥道進步進梁式單蓄熱加熱爐。不進爐的坯料,采用過跨平車裝連鑄坯從煉鋼車間運至坯料跨由吊車調至坯料跨堆放,接到上料指令后,由吊車將其吊運到步進上料臺架上。上料臺架將坯料向前輸送,靠近臺架輸出端的氣動擋料裝置下降,使坯料逐根落到上料輥道上;輥道一側設有剔廢裝置,經人工檢查,有明顯表面缺陷和彎曲度達不到要求的坯料在此處剔出;坯料經稱重、入爐輥道輸送過程中的測長后(測長報警)進入加熱爐,根據計算機預先設定好的布料圖自動布料;坯料進入加熱爐定位停穩后,按不同鋼種的加熱工藝,將坯料加熱到1050℃至1150℃,加熱好的鋼坯接到要鋼信號后自動出鋼。從臺架到布料整個過程由操作室自動控制,坯料經驗收合格后物料自動跟蹤。
爐內氣氛根據設置在爐尾的殘氧分析儀自動調節;爐壓保持微正壓,當偏離時能自動調節;爐溫控制分自動調節和手動調節,自動調節空燃比控制;采用空氣單蓄熱方式,燃燒煙氣一部分經空氣蓄熱室蓄熱預熱空氣后,降至約150℃,由引風機從30米高的鋼板煙囪排出,另一部分煙氣預熱爐尾鋼坯后,從爐尾下部副煙道經煙道閘板,從40米煙囪自然排煙;爐區配有煤氣泄漏報警系統,空煤氣管道燃氣吹掃放散系統、汽化冷卻系統及安保系統(含應急動力系統)等等。
4 單蓄熱步進式加熱爐控制系統結構
根據公司要求,該控制系統分為3級,如圖1所示:L0級為傳動級,L1級為基礎自動化級,L2級為過程自動化級。L0級(傳動級)主要由執行機構,測量儀表和伺服機構等現場設備構成,用于實現對現場設備的直接控制和信號檢測;L1級(基礎自動化級)則是西門子S7-400控制系統對過程信號進行采集處理,經過邏輯計算后控制設備的運行; L2級(過程自動化級)主要由工業控制計算機(HMI)完成對整個加熱爐的監控操作。L1通過光纖與HMI系統相連接,提供現場生產線的工藝參數,接受操作指令;通過DP網與傳動柜系統連接,采集設備工作狀態參數,發送操作指令;通過電纜直接與現場儀表、配電柜連接,采集現場工況參數,驅動現場執行元件。
由于工藝要求加熱爐網絡的可靠性及及時性,因此加熱爐網絡采用高速光纖環網結構,如圖2所示。環網的特點是穩定可靠,在極端的情況下,如有一條鏈路斷路,不會影響整個網路的通信。
5 單蓄熱步進式加熱爐控制系統功能
單蓄熱步進式加熱爐控制系統分為儀控和電控,并均有HMI。加熱爐所有在線設備均通過PLC系統控制,在線設備的操作均采用操作室集中手動、操作室自動、機旁手動3種操作方式。集中手動對在線設備可按系統聯鎖控制,自動控制使各系統設備按預定的生產程序運行,機旁手動主要用于系統檢修、調試或者巡檢。
儀控過程由PLC通過傳感器采集各種變量,根據操作人員設定的各項參數來決定控制策略和目標值,然后分別驅動相應執行機構來調節過程變量,實現對溫度、壓力、流量的控制,并通過HMI時實顯示。
電控過程由PLC根據電器元件采集的各種位置信號,通過編輯好的固定程序運行,完成鋼坯在加熱爐內的運行。
5.1 儀控主要包括加熱爐燃燒控制系統和汽化冷卻系統。
5.1.1 加熱爐燃燒系統
爐溫控制:分為3段控制,分別是均熱段、加熱一段、加熱二段,還設置了一定長度的不供熱的熱回收段,以滿足軋制工藝對鋼坯溫度均勻性的要求。全爐3段控溫用PID方式控制,空、煤氣比例燃燒控制,雙交叉限幅實現3段爐溫自動控制,并采用自尋優動態調節代替靜態調節空燃比,還能有利于降低氧化燒損率?？紤]爐底水梁吸熱和熱氣體上浮,上、下供熱比例約為47%和53%。
換向系統:用PLC控制,正常工作時換向周期40～70秒左右,采用雙重信號控制,一是以時間為控制參數,二是以煙氣溫度為控制參數?？刂品绞接?自動程序換向控制;遠程手動換向控制;現場手動強制換向控制。采用分散順序換向方式,換向時間和間隔可調。
爐膛壓力控制:空氣、空煙采用快速切斷閥、煤氣采用氣動切斷閥實現分散換向,減少換向瞬間的壓力波動,一般波動在10Pa左右。
燃燒安全:用壓力開關檢測各種介質的壓力,當檢測到壓力異常時報警,必要時進行燃燒切斷[3]。
5.1.2 汽化冷卻系統
目的是冷卻加熱爐水梁和立柱,系統采用強制循環,外送蒸汽壓力1.3Mpa,汽包運行壓力為1.4Mpa。采用強制循環汽化冷卻:設置備用電動循環水泵,經常有一臺電動循環水泵備用,當運行的電動循環水泵故障停機時,備用電動循環水泵自動投入運行,保證系統正常工作;設置事故柴油機給水泵,在給水系統中采用柴油泵作為電動給水泵的停電事故備用,當停電時,給水系統的柴油機給水泵啟動,首先將除氧水箱內的水供入鍋筒內,另外軟水箱設一出口與給水泵入口集管相連,兩者之間設常閉閘閥,停電或除氧器不能正常運行時該閥開啟,由柴油機給水泵將軟水直接供入鍋筒內;為了保證每一回路的正常運行,在每一回路上設置流量檢測裝置,當單一回路流量低于正常流量的60%時,進行聲光報警。
5.2 電控系統
電控是指電器邏輯控制,針對的是開關量信號的狀態控制。主要包括鋼坯的上料,稱重,測長,剔廢,進出爐及步進梁的控制,如圖3所示。
鋼坯由提升機提升至步進上料架上,經輥道進入步進梁式單蓄熱加熱爐。坯料經剔廢、稱重、入爐輥道輸送過程中的測長后(測長報警)進入加熱爐,根據計算機預先設定好的布料圖自動布料;布料完成后,鋼坯在爐內通過步進梁的矩形運動,從進料端一步一步地移送到出料端;當軋線給出要鋼信號時,步進梁向前走一個步距,將鋼坯托到爐內懸臂輥道上,出料爐門自動開啟,開始出料過程,出料輥道以爐外軋線接鋼輥道相同速度運轉,在爐內出料輥道上的鋼坯高速出爐;當鋼坯尾部通過爐外出鋼輥道未端的激光冷熱金屬檢測儀,激光冷熱金屬檢測儀檢測到鋼坯信號時,給出出料完畢信號,出料爐門自動關閉;完成出鋼程序后,懸臂輥道低速轉動,到下次需要接鋼時停止。整個過程可以由編寫好的程序自動控制,也可以由控制室內分布手動控制[4]。
步進梁做矩形運動,行程由線性位移傳感器控制,并具有自動糾偏功能,保證每根鋼坯間的距離合適并都能放置在出料懸臂輥道的合適位置。步進梁具有正循環、逆循環、踏步、中間保持等功能,以滿足不同工況下鋼坯在爐內的運輸要求[2]。
6 結束語
單蓄熱步進式加熱爐提高了鋼坯加熱質量,降低了燃料消耗,減少了氧化燒損,運用PLC進行控制保證了加熱爐安全可靠的運行,滿足了加熱爐“實用、先進、壽命長、操作方便、節能”的要求。
參考文獻:
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[2] 袁寶歧,蔡惕民,袁名炎.加熱爐原理與設計[M].北京:航空工業出版社,1989,6.
[3] 武文斐,陳偉鵬,劉中強等.冶金加熱爐設計與實例[M].北京:化學工業出版社,2008,4.
[4] 戚翠芬.加熱爐基礎知識與操作[M].北京:冶金工業出版社,2005,3.