中厚板熱處理爐自動控制系統優化研究

武秀琪

（廣東松山職業技術學院，廣東 韶關512100）

1 背景分析

目前，中國鋼鐵工業雖然已經實現了量的突破，但是對于重點工程急需的優質、高附加值鋼材依然依賴進口。因此，現階段中國處于從鋼鐵大國向鋼鐵強國過渡的關鍵時期[1]，重點在于提高鋼鐵工業的生產水平、技術裝備水平、管理水平。中厚板是指厚度為5～120 mm 的各類鋼板，其生產水平是衡量一個國家鋼鐵工業水平的標志之一。在造船業、機械加工業、石油化工、橋梁建筑等行業方面中厚板都發揮著舉足輕重的作用。但是隨著行業的調整和產業結構的提升，普通鋼板已經難以滿足日益增長的工業發展需求，而對高等級、高強度、高附加值的中厚鋼板的需求變得與日俱增[2]，比如性能均勻的高強度船板、海上石油平臺用板、大跨度公路和鐵路兩用的橋梁板、高強度低焊接裂紋的低溫壓力容器板、高強度的石油儲罐用鋼以及用于國防業的軍工鋼等都是有著非常廣闊的市場空間。這些高等級鋼板來源于熱處理爐對鋼板進行的二次加熱處理，通過將鋼板加熱到預定的溫度并保持一定的時間后，控制鋼板的冷卻速度，使鋼板內部的結構組織發生物理和化學的變化，從而改善鋼板的性能，生產出不同種類的高附加值鋼板[3]。從工藝設備和技術水平的角度來看，熱處理生產線缺乏和在線控制技術的落后，是造成中厚板產品單一、質量不高的主要原因。所以，從中國鋼鐵工業的整體發展以及國內鋼材市場良態發展的角度出發，加熱爐過程自動控制技術的研究對于國內鋼鐵企業的設備更新、技術更新具有重要意義。

2 研究內容

廣東某鋼鐵集團特軋廠中厚板生產線熱處理爐于2008年投產，主要完成熱處理鋼板的正火和回火處理。熱處理爐自動化控制系統由L1 系統和L2 系統構成，L1 系統分為電氣自動化控制系統和儀表自動化控制系統，L2 為加熱溫度閉環自動化控制系統。隨著經濟發展，逐漸不能滿足產品質量、生產效率和生產成本控制需要。因此，針對中厚生產線熱處理爐自動化控制系統進行了改進研究。

本文以某廠中厚板生產線熱處理爐及其配套的控制系統為載體，在利用現有硬件基礎上，采用當前最新的控制思路和控制理念，對控制系統軟件進行深入研究和優化改進，提升自動化控制效果，力爭最大化發揮現有硬件的能力，提高爐內有效加熱空間利用率和加快熱處理爐生產節奏，并對出爐后鋼板噴水冷卻裝置增加控制系統，從而幫助企業提高產品熱處理質量，提高生產效率，進一步節能降耗增效。

具體內容如下：①建立中厚板熱處理過程溫度計算數學模型。鋼板溫度涉及到鋼板的加熱效果，由于鋼板溫度無法實時測量，需對鋼板表面和內部各點溫度進行建模，預報鋼板溫度。通過該模型可以計算出特定時刻鋼板在爐內的溫度。假設爐溫理想化的情況下，按照工藝要求的保溫時間，利用模型對鋼板的在爐時間做出估算，作為指導生產的依據。②基于鋼板溫度跟蹤結果，制訂對鋼板速度和各段爐溫設定值做出實時動態調整的策略并編程實現。以幾種典型規格和鋼種的鋼板為例，進行穩態優化研究，尋求合理的供熱制度和爐溫制度，為在線模型提供參考依據。③研究和改進入爐鋼板爐內輥道分組方式，實現對爐內鋼板間距靈活有效安全的自動控制，解決短鋼板占用過長加熱空間問題，以減少鋼板間距，提高爐內有效加熱空間利用率，在此基礎上進一步優化溫度控制模型。④研究輥底式熱處理爐連續運行制度和擺動運行制度下，輥速設定、鋼板物料跟蹤和溫度跟蹤的不同特點，著重研究鋼板在爐內的檢測跟蹤方式、檢測位置，以適應更廣寬度范圍的鋼板檢測，解決目前中厚板生產線熱處理爐現有控制系統不能檢測薄鋼板的問題、部分鋼板不能連續入爐生產的問題。完善現有控制系統的L2 級功能，實現各工藝參數的可視化和功能完整化。⑤整個控制系統包括熱處理爐電氣PLC01、熱處理爐儀表PLC02 控制系統以及熱處理爐L2 控制系統，相應的自動化系統軟硬件、電氣儀表控制系統之間接口、電氣控制系統與傳動系統之間接口、自動化系統與L2 過程控制系統之間接口、電氣儀表及L2 的HMI 畫面程序等。計算機控制系統結構如圖1 所示。

圖1 計算機控制系統結構圖

3 技術研究路線

本研究關鍵點在于準確掌握分析某鋼廠中厚板熱處理爐控制系統中存在的對生產效率、質量控制上存在的不足，改進控制系統以提高生產效率和產品質量。主要解決以下3個關鍵技術問題：①中厚板熱處理溫度控制模型；②實現中厚板熱處理爐后的冷卻裝置自動化控制；③中厚板熱處理爐內輥道分組方式不合理，鋼板入爐后鋼板之間的間距大，造成生產效率低能耗高，要實現對爐內鋼板間距靈活、有效、安全的自動控制，以減少鋼板間距，解決短鋼板占用過長加熱空間問題，提高爐內有效加熱空間利用率。

具體的技術研究路線如圖2 所示。

圖2 技術研究路線圖

4 技術經濟指標

控制系統運行穩定率≥97.5%，熱處理板產量由10 t/h提高到12 t/h；正火板性能合格率提高8%。

5 經濟效益

企業熱處理板機時產量每提高2 t，可節約能耗成本為76 元，按企業熱處理爐作業率60%測算，則每年增效（萬元）=76 元×8760 h×60%=39.9 萬元；企業年生產正火板按10000 t 計算，合格品和不合格品差價為1800 元/t，性能合格率提高8%，每年節約成本（萬元）=10000 t×8%×1800元/t=144 萬元；合計企業年經濟效益增加（萬元）=39.9 萬元+144 萬元=183.9 萬元。

6 發展趨勢

熱處理的效果將直接影響產品的質量。隨著工業的發展，人們對產品的質量提出了越來越高的要求。目前，雖然中國的熱處理生產技術也有了較大的進步，但生產整體技術水平還比較低，尤其是一些中小企業，對于工藝參數控制的精確程度較差，機械化自動化水平較低，熱處理工藝的制訂在很大程度上依賴現場工程技術人員的經驗，不能對生產過程進行精確的定量預測，影響金屬產品的熱處理質量。熱處理爐作為實現熱處理工藝的主要設備，提高其自動化操作水平及加熱控制水平已成為近年來熱處理爐改造的主要趨勢。

7 社會效益

隨著傳感技術與計算機技術的發展，熱處理工藝的智能化技術逐漸形成。如今作為能將普通知識轉化成現代生產力的強大工具的計算機，它的使用可擺脫以往主要憑經驗進行生產的落后狀態，使其向預設工藝參數的方向發展；開發具有高度知識結合型的熱處理智能化技術的關鍵是對熱處理成熟的數學模型配合計算機的仿真模擬分析，并且熱處理智能化已是信息時代先進熱處理技術發展的風向標之一。通過對不同材料熱處理工藝的智能仿真建立與實際更為接近的仿真數學模型，從而達到真實的仿真效果，為熱處理工藝制訂提供依據，進一步實現熱處理全過程的在線跟蹤和熱處理全過程的無人自動化操作。不僅提高了企業中厚板熱處理生產過程的生產效率，降低能耗，提高了產品的質量，還為高附加值產品的品種開發奠定了堅實的基礎，社會效益顯著。