均質爐金屬溫度控制的影響因素及控制方法

張博健，丁新麗，董恒峰，劉鵬飛

（新疆眾和股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830013）

有色金屬是國民經濟發展的基礎材料，航空、航天、機械制造、電力、通訊、建筑、家電等絕大部分行業都以有色金屬材料為生產基礎[1]。鋁是強度低、塑性好的金屬，在鋁中加入合金元素，就能使其組織結構和性能發生改變，適應作各種加工材或鑄造零件[2]。目前鋁合金是應用最多的合金。鋁合金元素不同，其應用場合也有所不同，加工工藝也有所不同。多數鋁合金材料需要經過熱處理，才能提高其力學性能，耐腐蝕性能，加工性能及穩定性。隨著社會發展速度增快，對材料的性能要求越來越嚴格，因此，對合金熱處理工藝有了更高的標準及要求，這就要求熱處理鋁合金過程中的溫度的控制極其重要。

1 均質爐的組成以及功能

20T均質爐主要組成有爐體鋼結構（包含軌道）、熱風循環系統、吹洗風機系統、爐門壓緊裝置、導流板、加熱器、熱電偶及料車料架。均質爐加熱器頂置，共24只卡扣加熱器，每區12只，通過側置的2臺循環風機對爐膛強制熱風對流加熱。主要均質的產品為直徑370mm到630mm鋁合金圓棒，圓棒最大長度為6m，滿爐裝料數量根據直徑不同也有所不同。爐氣最高溫度為545℃，金屬材料均熱最高溫度為510℃～520℃，爐膛保溫均勻性為±3℃。均質的工藝設置參數為加熱模式、爐氣溫度、加熱時間、加熱速率、風機轉向和料溫溫度等。

均質的作用為消除圓鑄棒內部應力及組織不均勻。因為在鑄造鋁合金圓棒過程中，熔煉好的鋁液在一定工藝下，通過深井鑄造系統，冷卻鑄造成各種規格的圓鑄棒[3]。這會使鋁棒內部有化學成分和組織有不均勻的現象，同時內部一般都存在著殘余應力。為了消除鋁棒的殘余應力，消除鋁棒化學成分和組織的不均勻，細化晶粒，進而改善鋁合金圓棒加工工藝性以及制品的某些最終性能，這就要對鋁棒進行均熱處理，即均質。

2 影響金屬溫度均勻性的因素

為了滿足客戶對材料性能的要求，所以對爐內金屬溫度控制提出更高的要求，這就意味著，均熱時金屬的溫度控制極其重要。

（1）測溫裝置誤差的影響。均質爐爐氣測溫共有24只熱電偶，每區12只，熱電偶分別位于左右側墻上。均熱過程中，控制系統以側墻的熱電偶為基準對區域內的爐氣進行加熱，即測溫裝置的直接參與溫度控制。在溫度的控制直接影響產品的質量以及設備運行的安全性和經濟型，對生產效率的提高和能耗的降低是至關重要的。測溫儀器的不準確性，使實際爐氣溫度與監測溫度出現偏差，區域之間升溫速率不一，導致爐氣均勻性變差。爐氣均勻性與料溫均勻性之間是因果關系，爐氣均勻性的好壞直接影響到金屬溫度的均勻性。

（2）棒料擺放位置的影響。鋁棒的擺放位置對爐內溫度的均勻性也會產生影響。由于爐體的循環風機為側置式，在加熱過程中，熱風通過側置風機吹送至導流板，再由導流板將熱風吹送至爐內各處，所以當鋁棒擺放位置離側墻越近時，熱風導流變差，流通不暢，各點溫度不同，導致金屬溫差變大，溫度均勻性效果變差。

（3）導流板變形的影響。導流板是爐內熱風循環的關鍵，導流板有厚度，材質的要求，安裝有特定的角度。導流系統的合理設計和布置，可調節和改善爐膛氣流的分布情況，提高爐膛內溫度的均勻性，提高金屬溫度的均勻性[4]。反之，將對金屬均勻性有很大的影響。

（4）爐門密封的影響。均質爐爐門壓緊采用的是液壓壓緊的方式，爐門外部與爐體接觸面為一圈密封石棉繩。爐門因為液壓壓緊泄壓、壓緊限位位置和爐門密封石棉繩破損、錯位、脫落等問題造成爐門整體密封不嚴時，爐內熱量從爐門溢出，與外界空氣形成對流，保溫加熱效果變差，增大使用電量，并且嚴重影響到金屬溫度的均勻性。

（5）PID參數的影響。由于工業爐的控制是一個比較復雜的控制系統，爐氣溫度具有較大的慣性，并且溫度上升具有滯后性，本身時間常數大，爐氣溫度變化較慢，普通的連續控制方式不能解決控制精度，非常容易產生爐氣超溫的現象[5]。因此現在普遍采用比例積分微分控制，即PID控制，由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應用在工業過程控制，但是由于各個參數選取須兼顧動態與靜態性能置指標，PID參數的選取一直是個難題。不合適的PID的參數會造成加熱過程中加熱器反應速度滯后，加熱功率忽大忽小，導致爐氣溫度性效果變差，造成爐氣過溫欠溫現象，影響金屬溫度均勻性。

圖1：PID控制結構圖

3 控制方法與措施

（1）測溫裝置的控制方法。溫度的測量是生產中一個重要的指標，其精度會影響整個系統的加熱環節，所以應定期對測溫儀器的準確性進行校正。一般為三個月對測溫儀器定期檢驗一次，淘汰或修正不合格的熱電偶。可以對熱電偶采用1、熱電動勢補正法2、參考端溫度補償器法3、調儀表起始點法等方法來對修正誤差。

（2）棒料擺放位置的控制方法。需依據實際生產經驗，摸索出生產過程中能保證同一爐次金屬均勻性最優的爐內鋁棒擺放位置。根據鋁合金棒牌號、直徑及長度，制定出20T均質爐鋁棒擺放位置的規范化、精細化和標準化的方法，進而提高爐內熱風場導流能力，有效控制升溫過程中各個鋁棒的溫度均勻性，將各個鋁棒間的溫差降到最低，確保均熱后各方面性能到達要求。

（3）導流板變形的控制方法。依據爐體圖紙，咨詢設計工程師，分析論證導流板變形對爐內溫度均勻性產生的影響，測量爐內導流風風量及風向，根據問題編制相應的技術解決方案。重新制作或加固導流板等。

（4）爐門密封的控制方法。檢查液壓系統的密封件，檢查密封件有無質量問題，是否存在缺陷，檢查密封件的選用是否滿足工作壓力、工作速度和溫度等要求。檢查液壓系統的油液，油液是否被污染，加強污染源的控制，采用有效的過濾的措施和定期對油液質量檢查[6]。調整爐門壓緊限位，保證爐門壓緊處爐門不漏風。每次爐次結束后，檢查爐門密封石棉繩，發現錯位、脫落和破損現象時，及時更換新密封石棉繩。

（5）PID參數的控制方法。由于均質爐按區域進行加熱，需根據區域情況分別設定最佳的PID參數，其PID的數學模型如下：

其中kp為控制器比例系數，比例環節的作用是對偏差做出反應，當偏差產生時，控制器立即產生控制作用，減小偏差。其中kp越大，控制作用越強，偏差越小，但是kp會造成系統不穩定。Ti為控制器的積分時間，也稱積分系數，積分的調節作用會消除靜態誤差，但會降低系統的響應速度，增加系統超調量[7]。其中Ti越大，積分積累作用越弱，消除靜態誤差速度越慢，減少系統超調量。Td為控制器的微分時間，也稱微分系數。微分的作用是阻止偏差的變化，微分時間Td越大，能加快系統響應，有效減小超調，增加系統穩定性。實際P，I，D的參數的確實可參照經驗數據：溫度T:P=20～60%，T=180～600S，D=3～180S。

4 結語

溫度是工業過程控制中的主要參數之一，在均質爐生產過程中，溫度的均勻性對產品的質量起著至關重要的作用。針對生產過程中會產生的對金屬溫度均勻性影響的因素，提出了相應的控制與解決方法。在實際生產過程中，通過以上控制措施的實施，降低了爐內金屬之間的溫差，確保金屬其力學性能，耐腐蝕性能，加工性能及穩定性符合要求。