轧钢加热炉控制系统的研究与应用

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  【摘 要】 钢铁工业是国家最重要的材料和基础工业,担负着国民经济高速发展和国防安全所需钢铁材料的生产重任。随着经济的持续快速发展,国家倡导低碳节能环保这与我国目前的能源短缺状况存在巨大的矛盾,已经制约了我国现代化的进程,必须降低生产能耗。钢铁行业其能耗在各行业中首屈一指,占总能耗的20%,而加热炉的能耗占钢铁能耗的25%,本文主要从加热炉的工艺特点入手,以降低能耗,提高产品质量为目标,对加热炉控制系统进行分析、研究与应用。
  【关键词】 轧钢;加热炉;控制系统研究;降低能耗
  引言:
  加热炉作为轧钢整个生产线中的一个不可或缺的热力设备,其控制水平与质量在很大程度上都将对钢产品的生产量、加热的质量与能源消耗、轧机的使用寿命等造成极大的影响,基于此,对其控制系统实施必要的设计优化,很有必然。而且,钢铁产业作为我国国民经济的重要构成部分,直接影响到我国整体经济水平好坏与综合国力的高低,极大地推动了我国社会经济的增长,但也必须承认钢铁产业是一种高能源消耗与高污染的产业类型,在一定程度上给我国环境造成较大污染。为此,减少钢铁产业的能源消耗,减少其污染排放就成为了钢铁行业发展的关键所在。合理先进的加热炉自动化控制系统,对提高燃烧效率,节约能源,保护环境意义重大
  一、加热炉的技术特点
  1.为保证轧机生产对加热质量的要求,根据国内蓄热式燃烧技术的发展,本设计采用新型的蓄热式烧嘴以及高性能的蓄热体材料和三通换向阀,来达到炉温均匀、降低能耗的目的。2.采用蓄热式燃烧技术,将空气、煤气双双预热到1000℃以上,使排放烟气温度140℃-160℃左右,最大限度地利用烟气余热,大幅度降低燃耗。3.采用成熟的双交叉限幅的燃料燃烧控制系统,精确控制炉内温度,减少钢坯的氧化与脱碳,确保加热质量。4.采用蓄热式燃烧技术后,烟气成横向流动,烧嘴成对工作,其中一个烧嘴工作时另一个烧嘴排烟蓄热,烧嘴布置于炉子两侧,一侧烧嘴喷出的火焰被对侧烧嘴吸引,这相当于加长了火焰长度,因此炉子宽度方向的温度十分均匀。5.采用实用、可靠、先进的电控仪控设备,保证炉子的安全正常生产,实现操作自动化。6.步进梁采用汽化冷却,采用汽化冷却技术可延长水冷梁及立柱的使用寿命,减少钢坯在加热炉中产生的黑印,有助于提高钢坯的加热质量;同时汽化冷却所产生的蒸汽,可有效地回收和利用,具有显著的节能和节水效益,降低全厂能源消耗。7.加热炉无论在炉子结构上,还是各种辅助设施的布局、生产操作及设备的维护上,充分考虑了人身、设备与生产的安全,而且在加热炉设备和燃烧系统控制的功能方面,都设计有安全切断及声光报警等完善的安全措施。
  二、轧钢加热炉控制系统的构成
  (一)控制系统的配置
  加热炉控制系统是加热炉可靠、安全运行的保障,是加热炉的控制核心.加热炉控制系统由计算机、控制柜、传感器等组成.计算机采用工控专用计算机,控制柜包括主控单元和监控单元.主控单元包括西门子S7-400PLC和数字量输入输出模块,模拟量输入输出模块,高速计数器模块等;监控单元为西门子TP900触摸屏。如图是某工程的轧钢加热炉。
  (二)硬件选型
  控制系统是整个系统的中枢“神经”,它指挥该加热系统全自动运行,真正实现无人值守.该加热炉一经调试点火启动即可长期自动调节运行,保证不间断连续运行。为提高整套系统的可靠性,现场仪表的选型采用较高性能的产品。控制柜采用了室内设计,远程IO站采用现场布置。根据控制工艺的要求,同时为了方便操作,还需要考虑硬件的成本问题.该控制系统的触摸屏采用西门子TP900系列产品,主控制器选用西门子S7-400系列PLC型号,数字量输入模块SM321,数字量输出模块SM322,模拟量输入模块SM331,模拟量输出模块SM332,高速计数器模块FM350。
  三、轧钢加热炉控制系统的分析
  整个自动控制系统可以分为两个重要的部分,必须对生产流程中的各个技术数据进行控制,即控制生产过程;又要对生产设备的正常运行进行控制,就是电气化控制。本文所述轧钢加热炉生产过程的控制技术包括炉温,煤气量及压力。而电气化实现了生产设备如装钢出钢,步进梁运动等方面的控制过程。
  (一)炉内压的调节控制措施
  在加热炉中,其炉内压控制效果的好坏,直接关系到其整体的节能环保效果,故为保证炉内压始终处于一个相对较稳定的微正压间,以避免冷空气的吸入与烟气的外泄,很有必要,因为,若能对加热炉炉内压实施合理控制,就可实现对其煤气燃烧过程中火焰的长度进行调节,并实现对炉温温度场的均匀区域划分,最终达到炉内气氛有效调节的功能。故为实现对加热炉炉内压的有效控制,可把原先的引风机控制转变成变频控制,并结合模糊控制原理,充分发挥出PLC-400系统本身所具有的PID调节作用,于程序运行中对不同运行阶段中炉内压要求进行合理设定,从而确保加热炉炉体能够始终处于微正压的状态。
  (二)装钢机运动方式的自动控制
  因该企业内部主要是通过借助煤气炉的发射器来产生煤气的,且其管网的压力相对来说比较平稳,故在该PLC系统中,对其煤气总管与空气总管作出了相应设定,在装钢机工作时的运动自动控制过程不仅要保证精确地运动,还需要和炉门的运动相配合。在加热炉开始工作后,传感器对温度信号进行采集,然后通过模拟量输入模块SM331将采集的信号送入CPU中,主控单元通过运算得出控制量,来控制燃烧器火力的大小。相比于以前的手动控制,自动控制的优势不言而喻,不仅节省了人力成本,避免了人为因素可能造成的出错,同时提高了控制精度,也提高了控制效率。自动控制的装钢基本运动包括向前和向后,上升和下降。自动运行过程的程序是为炉前定位到装钢行程计算,当自动运行开始时,加热炉自动打开。此时装钢机推送坯板送入加热炉。
  四、系统设计指导思想   加热炉优化燃烧的目的,主要是在保证加热炉各温度达到工艺要求,并在工艺条件允许的前提下,进行降低燃气的消耗和减少废气的排放。即在完成工艺指标的前提下进行节能降耗。加热炉生产必须要求计算机控制系统能够很好地保证生产过程的连续性、准确性、和实时监控性,而且要求接收及发送数据有一定稳定性及准确性,所有设备的自动化程度要高。加热炉的优化燃烧方案,首先应着重系统的可靠性、安全性和实用性,其次考虑系统的先进性及节能性,并在以上基础上提高系统的性价比。
  (一)可靠性
  系统的安全性和可靠性(即稳定性)放在加热炉优化燃烧系统设计的首位。在硬件设备方面,加热炉优化燃烧系统与原控制系统中的加热炉烧炉控制部分相互独立,需要优化烧炉时切入优化燃烧系统实现智能燃烧,需要手动控制时可切换至本系统手动烧炉状态,也可切出本系统通过原有加热炉控制系统手动控制,完全不影响原系统正常操作。
  (二)预期技术指标
  1.可降低原氧化烧损率的2%以上;2.炉膛温度平稳控制,能抑制烧炉过程炉膛温度的大幅波动;3.克服煤气压力波动的时间≤25s;4)同等条件下,节约煤气约2%~5%。
  五、结束语
  总而言之,近年来出现的轧钢加热炉将钢坯加热到轧制所需温度的设备,其在轧钢厂得到了广泛使用。对于其自动化控制水平的高低对生产效率和产品的质量起决定性的作用。加热炉自动化控制水平的提高,不仅可以节省人力成本,大大提高生产效率,又可以减少出错率,提高生产精度,产出质量标准更高的产品。本文结合轧钢加热炉运行的特点,以简单及实用为指导思想,结合生产过程中的实际情况,设计控制算法和过程,实现轧钢加热炉的自动化控制,给出了生产过程中几步关键过程的自动控制实现过程,包括过程控制(温度、燃气量)及电气逻辑控制系统(装钢机运行)的控制方法,达到了加热炉生产的高产、优质、低耗、节能、无公害以及生产操作自动化的工艺要求,有非常重要的实际意义。同时节约大量的燃气,取得了显著的经济效益和社会效益。
  参考文献:
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