鋼絲氫氣罩式退火爐退火工藝敘述

0 引言

 

    鋼絲氫氣罩式退火爐具有生產效率高、退火產品質量優、介質和能量消耗低、減少環境污染等優點，是改善和提高鋼絲產品質量的一種重要設備，罩式退火爐的自動控制系統是保證設備穩定運行的關鍵。丹陽嘉恒爐業自動設計和開發出了氫氣罩式退火爐的設備和控制系統，以退火過程數學模型為基礎，實現退火過程控制以及爐溫、爐壓、安全保護的控制。運行結果表明該自動控制系統運行安全可靠，生產率高，并且退火鋼絲產品的性能和質量有較大 的提高。

 

1 鋼絲氫氣罩式退火爐退火過程簡述

 

    罩式退火爐設備包括爐臺、內罩、加熱罩和冷卻罩。其工藝過程如下：爐臺裝料，放置內罩并手動壓緊內罩；檢驗氮氣和氫氣入口壓力確保系統安全；用抽真空方式置換內罩內空氣，使爐內氧含量減少到1％以下，為通入保護氣作好準備（在內罩外放置加熱罩，內罩和加熱罩之間為燃燒區間）；用氮氣抽真空置換空氣完成后，再用保護氣置換氮氣，開始加熱點火，實現在全保護氣氛下的退火過程；退火過程的加熱段、均熱段，保護氣定時間吹掃；帶加熱罩冷卻、輻射冷卻；帶冷卻罩冷卻；用氮氣置換爐內保護氣；鋼絲出爐。

 

2 自動控制系統設計

 

    根據鋼絲氫氣罩式爐退火工藝的特點和退火過程自動控制的需要，氫氣罩式爐自動控制系統結構。

 

    控制系統由一套PLC控制2臺罩式退火爐，采用丹陽嘉恒爐業有限公司的Profibus現場總線，包括S7－300控制器、分布式I/OET200和OP操作面板?；A控制單元（PLC）完成退火過程及監控的控制功能。操作面板（OP）完成退火參數的設定、退火過程的監視及事件報警記錄的短時存儲功能。當上位監控計算機故障時，由基礎控制系統單獨完成爐臺的退火操作并記錄相應退火過程數據。現場電氣柜有溫度顯示和報警以及故障報警顯示功能。

 

    系統通信由兩級網絡組成。上位監控計算機和S7－300之間為Profubus-FMS協議，主控制站S7－300與遠程I/O之間為Profibus－DP協議，兩個控制器之間采用MPI協議通信。

 

    罩式退火爐退火車間通常由爐群組成，其公用介質系統由單獨控制單元完成控制功能，通過網絡與每個爐臺控制單元通信來實現信息共享。

 

    控制系統采用了分散控制方案，提高了控制系統的可靠性和抗干擾能力，同時又降低了造價，達到了合理配置的目的。分布式I/O由2個爐臺閥站子站（ET200M,一個子站包括兩個爐臺）和2個加熱罩子站（ET200M）組成。各類風機的控制功能在主PLC信號模板上實現。其特點如下：

①可靠性高

    信號線和功率線分開并走不同的管槽；分布式I/O就近處理信號，連接線短，引入的干擾??；采用二線制儀表，減少了線路故障，提高了系統抗干擾能力，使檢測數據更精確；卡件分散供電有效地減少了由電源故障引起的系統故障。

 

②系統擴展方便

    Profibus－DP子站可隨時從網絡中解除或掛入，而不影響系統的運行；因工藝改變而需增加的信息只要接入附近分布式I/O柜即可，安裝方便。

 

③具有明顯的經濟效益

    所有需進PLC的信號接至現場分布式I/O柜即可，從分布式I/O柜到PLC柜只需一根電源線和一根通信電纜，所需安裝材料及人力可大量減少。

 

3 控制功能

    控制系統接收來自上位監控計算機的設定退火曲線，完成退火全過程的自動控制，包括自動點火控制、燃燒過程控制、升溫速度和保溫過程、循壞風機的變頻控制、冷卻風機的運行、氮氣和保護氣控制吹掃、爐溫爐壓監測與控制、緊急吹掃控制、冷卻水系統監控和各種閥門操作。

 

按照工藝過程，該系統完成以下的任務：

①內罩設置的控制；

②進行閥站和爐臺系統的密封性試驗；

③抽真空實現保護氣的置換過程；

④加熱罩的設置和點火，退火過程的加熱和均熱，以及爐臺熱態密封試驗和冷卻過程控制；

⑤各種過程變量的監測，包括爐臺溫度測量、冷卻水流量及溫度監測、內罩壓力監測、內罩壓力安全裝置監測、氮氣和氫氣流量監測等；

⑥在退火過程中各類故障的監測以及報警，并根據相應的情況給于特殊情況下的退火處理；

⑦和控制計算機的通信，接收來自控制計算機的離線數學模型的各類數據（包括退火時間、退火溫度、吹掃時間和吹掃量等各種設定值），并把過程監控狀態信息以及故障信息從PLC傳至控制計算機；

⑧用于測試和維護目的的手動運行功能。

 

4 系統重要控制策略及功能實現

4.1 抽真空過程

    為了滿足鋼絲退火系統快速、高效、穩定、可靠的生產工藝要求，在保護氣置換時采用抽真空的方式實現內罩內氣氛置換。通氫氣前進行兩次抽真空置換：首先，用抽真空方式置換內罩內空氣，為通入氫氣作好準備；再抽真空一次用氫氣置換氮氣。在滿足工藝要求的前提下使用最少量氫氣，達到經濟運行的效果。

 

4.2 內罩壓力自動調節

    為保持內罩壓力的穩定，在不同的退火階段采用不同的穩壓方式。退火加熱和均熱期間要進行保護氣吹掃，在保證鋼絲質量情況下使用最少流量的保護氣，以節約成本，而且爐內壓力必須保持穩定，據此，由電磁閥直接將內罩壓力控制在一定范圍內。退火冷卻過程中，采用補氣方式實現內罩壓力的穩定。

 

4.3 退火過程溫度控制

    退火過程溫度控制按工藝過程分為三段：加熱段、均熱段和冷卻段。加熱段的燃燒控制采用連續量控制方式，用PID調節器來實現，由熱電偶采集到的溫度信號經過PLC的PID運算，輸出4～20mA的信號控制執行機構來調節閥門開度；均熱段采用脈沖燃燒控制來保證溫度的均衡性，使系統始終運行在******狀態，它具有動態性能好、溫度波動小、節約燃料等優點；在冷卻段，通過冷卻速度的計算，控制空氣電動調節閥的開度大小來控制退火冷卻過程。

 

4.4 循環風機的變頻控制

    在退火過程中，爐內氣氛隨工藝過程不同而不同。在不同介質和不同溫度情況下循環風機的轉速由日本富士變頻器實現變速控制。經過反復試驗和驗證，此變頻控制方式滿足退火過程的工藝要求。

 

4.5 數據處理中的抗干擾

    工業現場環境中大功率風機等的變頻控制引起的電磁干擾比較強，會導致測量信號的瞬時非真實波動，甚至可能是尖峰脈動，造成控制系統不穩定。所以有必要對工藝過程的測量信號進行抗干擾處理。硬件方面，采用抗干擾的信號輸入模板，并使用抗干擾的接線方式；控制軟件對采集來的實時信號進行超差信號的短時延遲處理以求******限度地消除各種干擾信號。

 

5 結束語

    鋼絲高氫罩式退火爐設備和控制系統于2003年6月投入使用以來，設備性能可靠，使用方便，運行穩定，控制效果好，取得了較好的經濟效益和社會效益，出爐鋼絲各項性能指標達到生產標準，滿足用戶要求。

 

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