變頻技術在工業熱處理爐上的應用

夏明蘭

XIA Ming-lan

（南京鐵道職業技術學院 蘇州校區，蘇州 215137）

0 引言

我校校企業合作企業所采用強制空氣循環電加熱方式鋁及鋁合金進行退火爐，最大裝爐量10t，加熱器安裝功率600KW，溫度控制采用晶閘管調功器，自動控制爐溫，能現實適時記錄。主要溫度控制點為：100℃,250℃,450℃,600℃，爐內溫度及金屬溫度誤差要求控制在±3℃范圍內。

1 存在問題

根據生產實際及工藝需要，退火爐內的空氣循環系統是保證鋁合金達到加熱溫度及均勻性的關鍵，為了強化爐膛內的熱交換，現采用循環風機強制爐內熱空氣循環來保證溫度的均勻性。一般類似的工業爐循環風機轉速為高低兩檔，當爐內溫度大于200℃時循環風機由低速擋自動轉為高速擋。由于在中高溫段(即均熱，退火溫度段)都有成熟的經驗來保證爐溫的均勻性，即當爐膛內溫度升到200℃以上時，循環風機由低速轉高速，按工藝設定的溫度控制曲線進行升溫、保溫，就能保證堂內溫度的均勻性，而該廠鋁合金用退火爐，還需要在100℃左右的低溫段對金屬溫度進行定時溫度處理，循環風機低速運轉就難以確保要求的溫度誤差。這是因為即使在不開加熱器的情況下，循環風機運轉產生的熱量也會使溫度波動，在低溫段這就很難保證金屬溫度均勻性。因此，如何控制循環風機的轉速是解決該退火爐低溫段，爐膛溫度是否均勻的關鍵。

2 改進措施

傳統的退火爐計算機控制系統框圖（如圖1所示）。該系統主要由PLC邏輯控制系統，溫度控制系統，晶閘管調工器控制系統，循環風機轉速控制系統及其他輔助控制系統組成，其控制對象為：電加熱器，循環風機，爐門電機，冷卻風機等。其中溫度控制系統是控制的核心，它是通過智能儀表來完成溫度的閉環控制，其工作原理如下：操作臺根據工藝要求將工藝參數設定值輸入溫度反饋信號，經冷端補償，線性化處理，PID運算，將運算結果作為給定值輸入進閘管調功器，調功器將根據給定值改變調功器輸出的占空比，從而改變加熱器的加熱功率達到精確控溫的目的。

圖1 退火爐計算機控制系統框圖

用對該工業爐控制系統來講，循環風機控制是保證爐膛溫度均勻性的主要因素，其控制方式如下，當加熱溫度在200℃以下時，循環風機低速運轉；當加熱溫度升到200℃以上時，循環風機有低運轉轉高高速運轉，按設定溫度曲線進行退火處理。由于傳統工業爐控制裝置只有高，低速兩檔不能滿足該“多用途爐”對循環風機的調速要求，為了保證該“多用爐途”溫度的均勻性，通過控制循環風機轉速使其能保證爐膛的均勻性，由于循環風機功率37KW，功率較小，所以采用變頻器來控制循環風機轉速即經濟又易于實現。

3 循環風機變頻調控原理

交流電動機的輸出功率為P=MZw，式中MZ為電動機轉矩，w為電動機的旋轉角頻率。循環風機負載特性為MZ∞Kw，即：P∝Kw，式中K對于循環風機而言為一定常數。因此，對于交流異步電動機實施變頻調速就可改變循環風機的轉速，從而改變爐膛內熱空氣的循環。變頻調速的基本原理是根據電動機轉速與輸入頻率的比值的線性關系，即：n=60f(1-s)p，式中N電動機的轉速；為電動機定子供電頻率；P為電動機磁極對數；S為電動機轉差率。

從上式中可以看出，通過改變供給電動機電源的頻率，可以實現改變循環風機轉速的目的。因此可根據工業爐的不同用途，設置相應的電源工作頻率，以調整循環風機的轉速來調節堂內熱空氣的循環，保證爐膛內爐氣及金屬溫度的均勻性，滿足生產工藝要求。

4 實施方案

根據上述對循環風機轉速控制原理分析，結合該工業爐具體結構及特點，改進該工業爐循環風機變頻控制系統（如圖2所示）

現場退火爐變頻器為ABB ACS-40-37KW,兩臺風機并聯運行，整個爐子工作過程分為四個階段：加熱、除油吹洗、再加熱、保溫等。在整個爐子工作過程中，為了保證爐溫溫度均勻，循環風機一直工作，在每一個階段，變頻調速控制系統都相同，采用變頻器溫度閉環調速裝置來實現，即：只需通過采集爐內溫度信號，返饋給變頻器的反饋輸入端，由變頻器內部PID運算后，控制變頻器輸出，來改變變頻器風機速度快慢。另外，包括循環風機的高速運轉、低速運轉、啟動、停止、正轉、反轉及變頻器故障處理、爐門關上壓緊后，循環風機即可啟動，加熱器加熱，該系統控制以及連鎖保護都由PLC來完成。其中循環風機的啟動，停止既可由PLC自動控制，又可通過變頻器上的控制裝置進行控制。作為退火爐使用時，按工藝要求參數設定相應溫度控制區間進行加熱，退火，來保爐溫的均勻性以保證產品質量。

圖2 循環風機變頻控制系統框圖

5 實際運行效果

采用變頻器控制循環風機轉速后，通過空爐測溫及待料測溫表明，該方案達到了預期目的，取得了較好效果。其空爐及待料試車測溫結果分別如表1和表2 所示。

表1 空爐測溫記錄

表2 待料測溫記錄

從表 1可以看出，低溫段即100℃點空爐試車時，頻率設定為15HZ，實測9點，各點溫度均控制在±3℃內，達到了工藝要求。其它各溫度段亦控制在±3℃范圍，保證了爐溫的均勻性。從表2可以看出，低溫段100℃帶料試車時，頻率設定35HZ，其他各溫設定為50HZ，爐氣溫度均控制在±3℃內，滿足工藝要求。

綜上所述，采用變頻器控制循環風機轉速既保證了在低溫段（100℃）金屬溫度的均勻性，又保證了中高溫段退火時金屬溫度的均勻性，滿足了生產工藝要求。同時采用變頻調速器裝置，循環風機能實現軟啟動，降低啟動噪音，提高了皮帶的使用壽命。采用變頻調整裝置，還可縮短加熱時間，提高加熱質量，節能效果顯著，具有顯著的社會效益和經濟效益。

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