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【摘要】在薄板退火炉的燃烧控制系统中,应用先进的加权温度控制算法,并行选择操作员温度设定或二级数学模型温度修正,提高了双交叉限幅温度控制系统的性能。
【关键词】退火炉;反馈;前馈;数学模型;加权计算
1引言
国内某大型钢铁公司新建成了一套薄板退火炉,采用了国外先进的加热炉控制系统,使热工控制系统的稳定性、准确性、快速性都得到了明显的改善。
2工艺简介
本退火炉的加热段分为三个部分:预热段、加热段和均热段。
预热段分为前后两个区,由加热段燃烧后产生的废气,通过热交换装置加热保护气体,提供预热段的热量。保护气体与钢板充分接触,对钢板进行预热,每个区有两台大功率排烟风机将加热段燃烧后的废气吸出,并由每个区的两台预热循环风机加快热循环率,达到预热钢板控制温度的目的。
加热段和均热段均采用辐射管加热,燃气在辐射管内燃烧,产生热量,通过M形辐射管传到带钢表面。燃烧气体由混合煤气充当,配以由安放在炉子底部的燃烧空气风机来提供充足的助燃空气,产生过氧燃烧。此部分共分三个炉膛,14个加热区(13,14为均热区)。前十二个区,在炉子两侧对称分布,每两个区用一个温度控制器。13,14各有一个温度控制器。通过安装在炉壳上的热电偶测出炉温,另有六个高温计分布在炉内,可以测出钢板温度,作为反馈给控制器,达到闭环控制。其中板温设定值由三级给出,通过二级数学模型计算出炉温设定值,经过PID控制器的调节,将输出给到执行元件(煤气流量控制伺服阀和助燃空气变频风机),在M形辐射管中进行充分的过氧燃烧后,将热量辐射到钢板表面,使钢板升温,通过安装在炉膛里的热电偶,测出炉内气体的温度作为给炉温的反馈;通过高温计测出钢板的实际温度反馈给板温设定值,产生的板温偏差信号通过修正PID控制器,将输出作为前馈给炉温设定值。理论上讲,这种设计是一种典型的复合控制。
3温度控制技术的应用
(1)二级数学模型
由于我们在加热段采用的热辐射方法,并用红外线高温计测量板温。因此,可以采用史蒂芬-波茲曼法则(Stefan-Boltzmann’s Law)进行炉温设定值的计算。首先要详细说明一下几个概念:
① 红外线放射(Infrared Emission)
任何物体,只要表面的绝对温度不为零,都会向外放射紅外线,并且根据这个特点我们可以通过测量接收的红外线功率来计算物体的表面温度。常用的仪器如高温计和点温仪。
② 热传递方式
* 辐射(Radiation):物体之间通过放射和吸收彼此的红外线,而不必有任何的介质接触,就可以达到温度平衡。
* 对流(Convection):物体之间以流体为介质,通过流体的热胀冷缩和可以流动的性质,传递热能。
* 传导(Conduction):物体之间相互接触,热能直接以原子振动的形式,从高温处传递到低温处。
我们的加热段所采用的热传递方式是辐射,而冷却段采用的方式是对流。
③ 辐射与传导的散热速率
体和黑体在相同的绝对温度和表面积下,以黑体的红外线发射功率为1,来比较该物体的红外线发射功率所得的(下转第39页)比值,是一个物体固有的性质,一般来说我们的钢板的发射率为0.3。(配置高温计的重要参数)。
S——钢板的表面积。T1T2——物体表面和环境的绝对温度。
由上可知,钢板吸收的热量以红外线形式辐射,值为Q,由公式 Q=Cp*M*Δt
其中,Q为传导的热量。Cp为物体的比热容,是一个物体的固定属性,物理意义是单位质量的该物体温度升高1摄氏度所吸收的热量。M是该物体总质量 。Δt是改变的温差。
得出最终的热辐射计算公式为:
式子的左边为钢板和周围环境的红外线发射功率,式子的右边为单位时间通过的钢板质量。入口的带钢温度一般为200℃(通过预热段),出口温度是我们的生产工艺定义,可以从三级下发的加热工艺表中查出,我们反向计算公式,就可以计算出炉区的温度设定值。为了使带钢加热均匀和有很好的过渡性,我们从14区向前递减的设定炉温,递减值由加热制度表给出。这样我们就根据了钢卷数据得出了加热段的退火策略。
(2)执行元件
执行元件包括控制混和煤气流量的伺服阀和控制燃烧空气的变频风机,在控制工程中,需要严格按照空燃比进行配合来调节燃烧功率,并且在功率变化时保证过氧燃烧。理论上讲,燃烧功率的大小与混和煤气的流量成正比,因为产生热量的可燃烧气体在混和煤气里面。因此按照功率和空燃比可以很简单的定义出混和煤气和燃烧空气所需要的流量。但是,我们使用的燃烧空气风机有功率上的限制,不可以无限制的增加燃烧空气的流量,因此为了保持过氧燃烧和严格的空燃比关系,我们引入了交叉控制,控制图参考如下 :
如图,从区域负载中我们得到计算用混和煤气的流量,与空燃比相乘后得到计算用燃烧空气流量。计算后与混合煤气和燃烧空气的实际测量值相比较,对于混合煤气使用Minimum得出最小值作为设定值,对于燃烧空气使用Maximum得出最大值作为设定值。这样一来,随着混合煤气流量的增加,燃烧空气按照空燃比也在增加。当燃烧空气流量达不到设定值要求(功率最大限定或燃烧空气风机出现问题),就根据空燃比反向限定了混合煤气的流量,区域负载也被限定,以保证安全。
当增加或是减少区域负荷时,由于此交叉控制的存在,总是保证燃烧空气的流量变化在增加区域负荷时超前于混合煤气,在减少区域负荷时动态之后于混合煤气,这样就保证了任意时刻的过氧燃烧,废气中的CO含量始终为零。
(3)炉温加权计算
每个对应的两个区上均匀分布了四个热电偶,为了使他们的测量值更准确的表达出炉内的实际温度,这里采用了加权平均的计算方法,准确的表达出每个热电偶所携带的信息。
Tl Th为最小最大偏差值(在调试时设定)。
当n1=1时,
T-T1 < Tl时,即m1 > 1时,m1=1;
T-T1 > Th时,即m1 < 0时,m1=0;
Tl < T-T1 < Th时,即0 < m1 < 1时,m1使用计算值。
当n1=0时,经过计算,m1=0。
4结束语
通过以上介绍的加热控制方式,极大的提高了该退火加热炉炉温控制的稳定性和准确性。
参考文献
[1]钢的热处理原理.冶金工业出版社.G.克劳斯 著
[2]工业炉设计手册.机械工业出版社.王秉铨 主编
[3]钢的热处理.冶金工业出版社.刘永铨 主编
【关键词】退火炉;反馈;前馈;数学模型;加权计算
1引言
国内某大型钢铁公司新建成了一套薄板退火炉,采用了国外先进的加热炉控制系统,使热工控制系统的稳定性、准确性、快速性都得到了明显的改善。
2工艺简介
本退火炉的加热段分为三个部分:预热段、加热段和均热段。
预热段分为前后两个区,由加热段燃烧后产生的废气,通过热交换装置加热保护气体,提供预热段的热量。保护气体与钢板充分接触,对钢板进行预热,每个区有两台大功率排烟风机将加热段燃烧后的废气吸出,并由每个区的两台预热循环风机加快热循环率,达到预热钢板控制温度的目的。
加热段和均热段均采用辐射管加热,燃气在辐射管内燃烧,产生热量,通过M形辐射管传到带钢表面。燃烧气体由混合煤气充当,配以由安放在炉子底部的燃烧空气风机来提供充足的助燃空气,产生过氧燃烧。此部分共分三个炉膛,14个加热区(13,14为均热区)。前十二个区,在炉子两侧对称分布,每两个区用一个温度控制器。13,14各有一个温度控制器。通过安装在炉壳上的热电偶测出炉温,另有六个高温计分布在炉内,可以测出钢板温度,作为反馈给控制器,达到闭环控制。其中板温设定值由三级给出,通过二级数学模型计算出炉温设定值,经过PID控制器的调节,将输出给到执行元件(煤气流量控制伺服阀和助燃空气变频风机),在M形辐射管中进行充分的过氧燃烧后,将热量辐射到钢板表面,使钢板升温,通过安装在炉膛里的热电偶,测出炉内气体的温度作为给炉温的反馈;通过高温计测出钢板的实际温度反馈给板温设定值,产生的板温偏差信号通过修正PID控制器,将输出作为前馈给炉温设定值。理论上讲,这种设计是一种典型的复合控制。
3温度控制技术的应用
(1)二级数学模型
由于我们在加热段采用的热辐射方法,并用红外线高温计测量板温。因此,可以采用史蒂芬-波茲曼法则(Stefan-Boltzmann’s Law)进行炉温设定值的计算。首先要详细说明一下几个概念:
① 红外线放射(Infrared Emission)
任何物体,只要表面的绝对温度不为零,都会向外放射紅外线,并且根据这个特点我们可以通过测量接收的红外线功率来计算物体的表面温度。常用的仪器如高温计和点温仪。
② 热传递方式
* 辐射(Radiation):物体之间通过放射和吸收彼此的红外线,而不必有任何的介质接触,就可以达到温度平衡。
* 对流(Convection):物体之间以流体为介质,通过流体的热胀冷缩和可以流动的性质,传递热能。
* 传导(Conduction):物体之间相互接触,热能直接以原子振动的形式,从高温处传递到低温处。
我们的加热段所采用的热传递方式是辐射,而冷却段采用的方式是对流。
③ 辐射与传导的散热速率
体和黑体在相同的绝对温度和表面积下,以黑体的红外线发射功率为1,来比较该物体的红外线发射功率所得的(下转第39页)比值,是一个物体固有的性质,一般来说我们的钢板的发射率为0.3。(配置高温计的重要参数)。
S——钢板的表面积。T1T2——物体表面和环境的绝对温度。
由上可知,钢板吸收的热量以红外线形式辐射,值为Q,由公式 Q=Cp*M*Δt
其中,Q为传导的热量。Cp为物体的比热容,是一个物体的固定属性,物理意义是单位质量的该物体温度升高1摄氏度所吸收的热量。M是该物体总质量 。Δt是改变的温差。
得出最终的热辐射计算公式为:
式子的左边为钢板和周围环境的红外线发射功率,式子的右边为单位时间通过的钢板质量。入口的带钢温度一般为200℃(通过预热段),出口温度是我们的生产工艺定义,可以从三级下发的加热工艺表中查出,我们反向计算公式,就可以计算出炉区的温度设定值。为了使带钢加热均匀和有很好的过渡性,我们从14区向前递减的设定炉温,递减值由加热制度表给出。这样我们就根据了钢卷数据得出了加热段的退火策略。
(2)执行元件
执行元件包括控制混和煤气流量的伺服阀和控制燃烧空气的变频风机,在控制工程中,需要严格按照空燃比进行配合来调节燃烧功率,并且在功率变化时保证过氧燃烧。理论上讲,燃烧功率的大小与混和煤气的流量成正比,因为产生热量的可燃烧气体在混和煤气里面。因此按照功率和空燃比可以很简单的定义出混和煤气和燃烧空气所需要的流量。但是,我们使用的燃烧空气风机有功率上的限制,不可以无限制的增加燃烧空气的流量,因此为了保持过氧燃烧和严格的空燃比关系,我们引入了交叉控制,控制图参考如下 :
如图,从区域负载中我们得到计算用混和煤气的流量,与空燃比相乘后得到计算用燃烧空气流量。计算后与混合煤气和燃烧空气的实际测量值相比较,对于混合煤气使用Minimum得出最小值作为设定值,对于燃烧空气使用Maximum得出最大值作为设定值。这样一来,随着混合煤气流量的增加,燃烧空气按照空燃比也在增加。当燃烧空气流量达不到设定值要求(功率最大限定或燃烧空气风机出现问题),就根据空燃比反向限定了混合煤气的流量,区域负载也被限定,以保证安全。
当增加或是减少区域负荷时,由于此交叉控制的存在,总是保证燃烧空气的流量变化在增加区域负荷时超前于混合煤气,在减少区域负荷时动态之后于混合煤气,这样就保证了任意时刻的过氧燃烧,废气中的CO含量始终为零。
(3)炉温加权计算
每个对应的两个区上均匀分布了四个热电偶,为了使他们的测量值更准确的表达出炉内的实际温度,这里采用了加权平均的计算方法,准确的表达出每个热电偶所携带的信息。
Tl Th为最小最大偏差值(在调试时设定)。
当n1=1时,
T-T1 < Tl时,即m1 > 1时,m1=1;
T-T1 > Th时,即m1 < 0时,m1=0;
Tl < T-T1 < Th时,即0 < m1 < 1时,m1使用计算值。
当n1=0时,经过计算,m1=0。
4结束语
通过以上介绍的加热控制方式,极大的提高了该退火加热炉炉温控制的稳定性和准确性。
参考文献
[1]钢的热处理原理.冶金工业出版社.G.克劳斯 著
[2]工业炉设计手册.机械工业出版社.王秉铨 主编
[3]钢的热处理.冶金工业出版社.刘永铨 主编