步進式加熱爐在棒線材生產線上的控制優化

景 婧

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司，山西 太原 030003）

不銹線材廠共有高速線次、小棒和大棒3 條生產線，以220 mm×220 mm×3 500 mm 規格的初軋坯、連鑄坯為原料，能夠生產Φ5.5～Φ20 mm 的線材和Φ16～Φ120 mm 的棒材。因產品種類多、規格范圍廣，共有18 條工藝路徑完成上述產品的軋制要求。步進式加熱爐是各產線的關鍵設備，作為首道工序，它將鋼坯加熱至設定溫度后輸送至軋機入口。步進式加熱爐設計長度為32 m，寬度為4.2 m，采用側近側出、單排布料方式。爐體共分為預熱段、加熱一段、加熱爐二段和均熱段共四段[1]。因爐體較窄，料坯由2 根靜梁和2 根動梁支撐，升降框架采用單軌升降滾輪配合輔助平衡裝置，以減少框架偏移導致鋼坯跑偏的情況。靜梁進入均熱段后間距加寬，可減少或消除鋼坯在加熱過程中的“黑印”。加熱爐控制系統分為電控和儀控，本文將重點對電控系統在運行過程中的控制優化進行介紹。

1 加熱爐控制系統介紹

1.1 硬件組態

加熱爐電控系統硬件配置如圖1 所示。該系統由西門子S7-416-2DP 集中控制，6 個ET200M 分布式I/O 單元通過Profibus 總線連接，分別控制液壓、裝鋼、出鋼等系列動作。步進梁升降和平移行程由4個傳感器檢測完成，采用1 用1 備方式。在DP 總線上還掛有西門子KTP1000DP Basic 觸摸屏，實現物料代碼下發、長度修改、物料刪除等功能。此外，4 臺西門子G120 變頻器分別控制裝料爐內、裝料爐外、出料爐內和出料爐外輥道，變頻器頻率的給定和反饋通過模擬量方式傳輸，變頻器準備信號、故障、運行和啟停信號以開關量方式傳輸。

圖1 加熱爐電控系統硬件配置圖

1.2 電控系統功能組成

1.2.1 裝鋼和出鋼區域布置

裝鋼區域布置圖如圖2-1 所示，爐外推鋼機將上料臺架上的成組坯料逐支推至爐外輥道上，輥道間隙中的旋轉托架通過在0°和45°間進行旋轉動作，使鋼坯中心線與輥道中心線平行。調整后的鋼坯在爐外測長后，通過輥道運輸進入爐內，完成對中定位，等待步進動作上梁。

出鋼區域布置圖如圖2-2 所示，加熱到工藝溫度的鋼坯經出料爐內輥道和爐外輥道送出爐，在爐門附近的熱檢用于出鋼計數和爐門連鎖控制，以防止有鋼坯經過爐門時，爐門誤動作下降。

圖2 裝、出鋼區域布置圖

1.2.2 步進機構組成

步進機構是步進梁系統中的主要裝置，其組成部分為平移和升降框架、滾輪、液壓缸、支撐斜軌底座。步進動作通過步進梁的上升、前進、下降和后退矩形軌跡將裝料爐內輥道上的鋼坯放到靜梁第一支位置，并將加熱到工藝溫度的最后一支鋼放到出料爐內輥道。

為配合現場生產工況，步進梁還設有后循環、踏步、等高3 種模式。其中，后循環模式用于將已出爐的鋼坯倒回爐內再熱，踏步、等高模式用于停車期間減少鋼坯塌腰和燃燒黑印。如圖3 所示，等高模式時動梁停在坐標（0，89）處，踏步模式時動梁在坐標（0，0）與（0，199）間做升降往復運動，其在高低位停留時間可由人工通過上位機畫面根據加熱工藝進行修改。通過調整比例閥給定電流大小使步進梁按規定速度曲線運動，實現輕拿輕放、緩啟緩停，以減少對機械結構和梁體外絕熱材料的沖擊損傷[2]。整個靜梁設計長度為99 支料位長，熱工狀態下步長設定值為391.5 mm，能夠實現鋼坯從入爐側行進101 步后準確上出料輥道，升降行程199 mm，根據靜梁實際工況，調整等高位為89 mm，實現等高狀態下，動梁和靜梁同時支撐爐內鋼坯。

圖3 步進梁動作曲線示意圖

2 步進式加熱爐優化控制

2.1 縮短出鋼周期

爐體交付使用時，加熱爐裝出鋼周期動作為：出料操作臺將裝鋼轉換開關打到“允許”，步進梁在零點（0，0）處，裝料臺手動操作爐外推鋼裝置，將料坯放置在裝料爐外輥道上，點擊“測長”按鈕，裝料爐門升到上限位，利用安裝于爐體南北兩端的激光測距儀完成料坯長度測量，向出料側發送“裝料就位”信號，然后裝料爐門下降，等待該料坯入爐后的下一次測長操作。出料臺根據軋線要鋼節奏，點擊“出鋼”按鈕，發出出鋼命令，裝料爐門打開，已測長就位的料坯先經裝料爐外輥道運送至爐內，根據南激光實時測量坯料頭部行進距離，輥道兩次降速實現爐內橫向對中。當鋼坯完全停止后，將爐內推正裝置前推0.2 m，用以調整鋼坯入爐過程中的跑偏，使得鋼坯與輥道中心線平行，確保上梁后鋼坯與梁體垂直，防止后期鋼坯出爐時因位置跑偏而撞爐墻、爐門。之后步進梁進行前循環動作，將定位完成的料坯放入靜梁的同時，把爐口完成加熱的鋼坯送至出料輥道，后出爐軋制。整個裝出鋼過程共計95 s。不銹線材廠成規模軋制的鋼種為Φ5.5 mm 的TCBS 線材和Φ30 mm 的純鐵棒材，高線軋制道次多、時間長，要鋼周期為1 min 40 s，上述流程基本可以滿足要求。而軋制純鐵棒材時，要求鋼周期最短，僅為60 s，現有出鋼速度遠不能滿足軋制節奏，時常出現軋線空轉待料的情況，遂對加熱爐出鋼過程進行了調整優化。

經過討論，決定從以下幾方面著手縮短出鋼時間：

1）考慮到裝料側爐內懸臂輥位于加熱爐預熱段，環境溫度在400～500 ℃左右，長時間靜置不會發生輥道彎曲形變，遂將裝料控制范圍由爐外擴大到了爐內，即將料坯在爐外等待改為在爐內輥道上等待出鋼命令，這樣便省去了鋼坯入爐、定位的25 s 時間。

2）如圖4 所示，步進梁靜梁上升到高位（0，199）時處在裝料輥道上方，占據了鋼坯測長的激光通道，當梁體前進100 mm 到達（100，199）時，便完全離開了裝料爐內輥道的區域，可以將第N 支鋼坯的允許測長條件由步進梁第N-1 步的（319.5，0）提前至第N-1 步的（100，199），這樣在動梁未到達（319.5，199）時已經完成了第N 支鋼坯的長度測量。然后裝料爐外輥道開始運行，將鋼坯送入爐內。步進梁第N-1步回到零點前，第N 支料已在裝料爐內輥道上就位。

圖4 動梁上升和前進行程示意圖

3）在保證梁體安全的前提下，放寬輥道運行條件，提前出鋼。步進梁低于（319.5，89）便可避免出料輥道運送的紅鋼撞到梁體，因此將出料輥道運行條件由（319.5，0）提前至（319.5，70），消除了紅鋼上輥道后，梁體下降至低位才啟動輥道輸送的出鋼等待時間。

加熱爐出鋼過程優化控制前后對比圖如下頁圖5 所示，從圖5 可以看出，通過對整個裝出鋼周期進行優化，將裝鋼周期起點由步進循環的4/5 行程提前至1/3 行程處，在出料輥道輸送紅鋼出爐時，裝料輥道已完成料坯對中定位。優化后的出鋼周期僅為65 s，滿足了不銹線材廠全部規格的軋制節奏要求。按照不銹線材廠平均機時產量25 支/h 計算，每支節約出鋼時間30 s，每小時可節約750 s，這12 min便可軋制至少2 支料坯，將機時產量提高至27 支/h，提升了企業的經濟效益。

圖5 優化控制前后對比圖

2.2 優化物料下發

由于步進式加熱爐沒有二級系統，為了實現爐內物料跟蹤，入爐鋼坯的批次號、鋼種和數量等信息由崗位人員根據MES 計劃，通過觸摸屏手工錄入到加熱爐一級系統，才能完成后續測長、裝鋼、物料跟蹤、出鋼等一系列操作。為配合軋線二級系統上線，實現MES、二級、一級間信息互聯通訊，對加熱爐一級程序做相應修改。通過給順控和燃控兩個PLC 的網絡配置分別增加與第三方基于TCP 協議的通訊接口，實現了軋線二級與加熱爐一級間的數據收發[3]。當崗位人員在軋線二級客戶端操作從MES 下發的軋制計劃時，相應信息會下發至裝料觸摸屏，可自動填寫批次號、鋼種和數量等信息，并在入爐過程中形成與每支鋼坯一一對應的物料號，隨著步進動作的進行，該物料號攜帶爐內各段溫度值、在爐時間等信息出爐，然后傳送給軋線系統。加熱爐自動下發物料功能，實現了MES 與我廠一級系統在源頭上的連通，為后續MES 與軋線一、二級系統的信息互通做好基礎工作，同時這一功能減少了人員操作，避免了人工錄入錯誤，提高了工作效率。如圖6 所示，在裝料觸摸屏和上位機監控畫面上設有物料下發選擇，正常情況下選擇按鈕在“L2”，由L2 下發物料，當通訊出現故障時，切換至“觸摸屏”，恢復人工錄入軋坯號、鋼種等信息，從而保證加熱爐L1 物料跟蹤的正常進行，便于爐溫工藝的控制。

圖6 裝料觸摸屏物料下發選擇畫面

3 結論

通過對裝出鋼控制過程進行優化，將裝出鋼周期由95 s/支下降至65 s/支，消除了軋線停車待料時間，機時產量由25 支/h 提高至27 支/h，有效提升了生產效益。通過建立軋線二級與加熱爐一級間的數據收發對物料下發功能進行優化，實現了物料下發的自動和手動功能選擇，也提高了加熱爐L1 物料跟蹤可靠性，為后續MES 與軋線一、二級系統的信息互通做好基礎工作。