U型不銹鋼管固熔處理設(shè)備改造

【摘要】固熔處理工藝在大型管式換熱器設(shè)備制造中是一項關(guān)鍵工藝，該工藝的難點是對溫度的控制，要求將奧氏不銹鋼U形管快速加熱到1050度左右保溫3-5秒，然后快速冷卻得到過飽和單相奧氏體組織。設(shè)備的控制系統(tǒng)基于西門子PLC S7-200、AL-B紅外線測溫儀和MCGS組態(tài)軟件，此控制系統(tǒng)確保了對溫度的控制和對關(guān)鍵數(shù)據(jù)的保存查詢。

【關(guān)鍵詞】固熔處理；溫度控制；數(shù)據(jù)記錄

1.引言

西安核設(shè)備有限公司是中國核工業(yè)集團(tuán)公司的大型專用設(shè)備研究、設(shè)計、制造企業(yè)。公司具備制造成套核電設(shè)備的技術(shù)和裝配能力。公司承接的重點核電設(shè)備有穩(wěn)壓器、換熱器、安全注射箱、硼酸注入箱、PMC系統(tǒng)機(jī)具設(shè)備等，其中安全注射箱、硼酸注入箱的換熱管對熱處理工藝有嚴(yán)格的要求，具體工藝要求如下：

先在管內(nèi)通入氬氣保護(hù)，氬氣的壓力為0.1MPa，然后在30-90S的時間內(nèi)將換熱管的溫度由室溫加熱到1050-1080oC，溫度差為±10oC，保溫時間（1-2分鐘）到達(dá)后通入壓力為0.4-0.8MPa的壓縮空氣，在60-90S時間內(nèi)冷卻至300oC以下。

2.設(shè)備的改造設(shè)計方案

我公司原有的熱處理設(shè)備控制系統(tǒng)為繼電器接觸器控制，無溫度測量以及自動控制系統(tǒng)，無溫度曲線記錄。操作工根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行手動控制，U形管固溶熱處理的質(zhì)量無法保證。為了保證公司的產(chǎn)品質(zhì)量，公司決心對固溶處理設(shè)備進(jìn)行更新改造。

市場調(diào)研以及方案的確定：經(jīng)過市場調(diào)研，目前的加熱方式有三種：

（1）爐膛加熱：

爐膛加熱升溫降溫速度慢，而且熱效率低；

（2）感應(yīng)式加熱：

感應(yīng)式加熱升溫速率快但因大電流的趨膚效應(yīng)造成表面溫度偏高的現(xiàn)象；

（3）自身電阻加熱；

采用低電壓、大電流局部加熱可以滿足快速加熱、快速冷卻的要求，處理時間短， 快速節(jié)能。確定采用電阻加熱工藝，利用原有的一臺大電流變壓器，設(shè)計制造一臺新的固溶處理控制設(shè)備。

3.設(shè)備的控制系統(tǒng)描述

根據(jù)工藝要求，我們采用最新的控制技術(shù)進(jìn)行了控制系統(tǒng)的設(shè)計，設(shè)計有一臺琴鍵式操作控制臺，控制臺安裝有觸摸屏、西門子可編程控制器PLC、AL-B紅外線測溫系統(tǒng)、其它低壓電器元件、保護(hù)以及冷卻氣體回路等。

3.1 加熱溫度測量功能：

采用AL-B紅外線測溫儀來進(jìn)行溫度的測量，此測溫儀具有響應(yīng)快（10毫秒的響應(yīng)時間），測量精度高（±0.5%的重復(fù)測量精度）的特點，可用于400-1400溫度范圍的溫度測量。

3.2 參數(shù)設(shè)置以及溫度曲線記錄功能：

采用MCGS一體式10.4寸觸摸屏TPC1062k，通過MCGS組態(tài)軟件的開發(fā)可以實現(xiàn)用戶操作登陸管理、控制參數(shù)設(shè)置以及設(shè)備運(yùn)行狀況的監(jiān)控，可以實時觀察溫度的升溫曲線，設(shè)備的處理過程參數(shù)等，如設(shè)定溫度曲線、實時溫度曲線以及溫度記錄曲線等，根據(jù)工藝要求設(shè)計有以下控制界面：

（1）用戶管理界面：

進(jìn)行操作員的管理以及登陸。

3.3 溫度閉環(huán)控制：

采用紅外線測溫儀、希曼頓專業(yè)溫度控制儀FP93以及單相可控硅調(diào)功器組成溫度自動閉環(huán)控制系統(tǒng)。溫度控制過程按照設(shè)定的參數(shù)曲線進(jìn)行升溫、保溫以及降溫。

3.4 工件加熱過程：

工件的加熱升溫按照設(shè)定的溫控曲線自動控制，加熱時氬氣保護(hù)氣體自動打開，在到達(dá)工件要求的溫度后保溫，保溫的時間在觸摸屏上也可設(shè)定，升溫結(jié)束后設(shè)備自動降溫，降溫時冷卻空氣電磁閥自動打開，加快冷卻速度。操作員每次只需操作啟動按鈕，控制過程自動完成。

3.5 氬氣保護(hù)功能：

為了防止加熱時管子內(nèi)表面的氧化，在加熱過程中氬氣保護(hù)氣體電磁閥自動打開。

3.6 防止測溫故障產(chǎn)生過熱措施：

加熱溫度的控制主要依據(jù)測量溫度來控制，因為紅外線測溫儀測溫點的瞄準(zhǔn)是影響測溫精度的一個重要因素，為了防止測溫點的瞄準(zhǔn)失誤造成過加熱，U形管局部溶化事故的發(fā)生，在軟件中設(shè)置有最長加熱時間保護(hù)值的設(shè)定，到達(dá)設(shè)定的加熱時間，系統(tǒng)自動停止加熱。

4.關(guān)鍵技術(shù)說明

快速升溫溫度的測量方式：經(jīng)過大量的市場調(diào)研、技術(shù)分析以及多次的現(xiàn)場測試選擇了AL-B紅外線測溫儀來進(jìn)行溫度的測量，此測溫儀具有響應(yīng)快（10毫秒的響應(yīng)時間），測量精度高（±0.5%的重復(fù)測量精度）的特點，可用于400-1400溫度范圍的溫度測量，關(guān)鍵是適應(yīng)于工業(yè)現(xiàn)場的使用，具有較高的性價比。

溫度的控制精度：采用電阻自身加熱方法升溫速度快，加熱慣性大，溫度控制容易造成超溫現(xiàn)象，溫度控制參數(shù)的調(diào)試以及優(yōu)化是控制的難點，經(jīng)過對不同管徑管材進(jìn)行固熔處理試驗，積累了不同管材對應(yīng)的PID參數(shù)，建立了控制參數(shù)數(shù)據(jù)庫，在實際使用中通過選擇要處理的管材便可自動調(diào)用相應(yīng)的控制參數(shù)，即達(dá)到高精度的溫度控制，也便于操作人員的使用。

歷史數(shù)據(jù)的導(dǎo)出技術(shù)：組態(tài)軟件采用專用歷史數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)直接拷貝在其它的未安裝組態(tài)軟件的計算機(jī)上將無法打開，為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)出編制專用的數(shù)據(jù)導(dǎo)出程序，并設(shè)計了數(shù)據(jù)導(dǎo)出界面，實現(xiàn)了將歷史數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Eexcel表格導(dǎo)出到U盤中，便于數(shù)據(jù)的保存以及查詢。

5.設(shè)備實際使用情況

設(shè)備自制造調(diào)試完成以來，進(jìn)行了近萬根U形管的固溶處理加工，經(jīng)過對試樣的物理性能檢驗，證明該設(shè)備滿足固溶處理工藝的要求。

設(shè)備具有良好的操作界面，溫度曲線可實時監(jiān)測，溫度的控制精度達(dá)到了工藝要求，具有溫度曲線的查詢以及打印功能，滿足核電產(chǎn)品質(zhì)量文件要求。

6.結(jié)論

設(shè)備的控制系統(tǒng)采用可編程控制器、組態(tài)軟件和紅外測溫儀，可實現(xiàn)可靠的溫度控制。組態(tài)軟件的應(yīng)用使設(shè)備具有良好的操作界面，實現(xiàn)了良好的操控性及對數(shù)據(jù)的記錄查詢。該設(shè)備可滿足多規(guī)格U型不銹鋼管材固熔處理工藝技術(shù)要求。