钢丝氢气罩式退火炉退火工艺叙述

0 引言

 

    钢丝氢气罩式退火炉具有生产效率高、退火产品质量优、介质和能量消耗低、减少环境污染等优点，是改善和提高钢丝产品质量的一种重要设备，罩式退火炉的自动控制系统是保证设备稳定运行的关键。丹阳嘉恒炉业自动设计和开发出了氢气罩式退火炉的设备和控制系统，以退火过程数学模型为基础，实现退火过程控制以及炉温、炉压、安全保护的控制。运行结果表明该自动控制系统运行安全可靠，生产率高，并且退火钢丝产品的性能和质量有较大 的提高。

 

1 钢丝氢气罩式退火炉退火过程简述

 

    罩式退火炉设备包括炉台、内罩、加热罩和冷却罩。其工艺过程如下：炉台装料，放置内罩并手动压紧内罩；检验氮气和氢气入口压力确保系统安全；用抽真空方式置换内罩内空气，使炉内氧含量减少到1％以下，为通入保护气作好准备（在内罩外放置加热罩，内罩和加热罩之间为燃烧区间）；用氮气抽真空置换空气完成后，再用保护气置换氮气，开始加热点火，实现在全保护气氛下的退火过程；退火过程的加热段、均热段，保护气定时间吹扫；带加热罩冷却、辐射冷却；带冷却罩冷却；用氮气置换炉内保护气；钢丝出炉。

 

2 自动控制系统设计

 

    根据钢丝氢气罩式炉退火工艺的特点和退火过程自动控制的需要，氢气罩式炉自动控制系统结构。

 

    控制系统由一套PLC控制2台罩式退火炉，采用丹阳嘉恒炉业有限公司的Profibus现场总线，包括S7－300控制器、分布式I/OET200和OP操作面板。基础控制单元（PLC）完成退火过程及监控的控制功能。操作面板（OP）完成退火参数的设定、退火过程的监视及事件报警记录的短时存储功能。当上位监控计算机故障时，由基础控制系统单独完成炉台的退火操作并记录相应退火过程数据。现场电气柜有温度显示和报警以及故障报警显示功能。

 

    系统通信由两级网络组成。上位监控计算机和S7－300之间为Profubus-FMS协议，主控制站S7－300与远程I/O之间为Profibus－DP协议，两个控制器之间采用MPI协议通信。

 

    罩式退火炉退火车间通常由炉群组成，其公用介质系统由单独控制单元完成控制功能，通过网络与每个炉台控制单元通信来实现信息共享。

 

    控制系统采用了分散控制方案，提高了控制系统的可靠性和抗干扰能力，同时又降低了造价，达到了合理配置的目的。分布式I/O由2个炉台阀站子站（ET200M,一个子站包括两个炉台）和2个加热罩子站（ET200M）组成。各类风机的控制功能在主PLC信号模板上实现。其特点如下：

①可靠性高

    信号线和功率线分开并走不同的管槽；分布式I/O就近处理信号，连接线短，引入的干扰小；采用二线制仪表，减少了线路故障，提高了系统抗干扰能力，使检测数据更精确；卡件分散供电有效地减少了由电源故障引起的系统故障。

 

②系统扩展方便

    Profibus－DP子站可随时从网络中解除或挂入，而不影响系统的运行；因工艺改变而需增加的信息只要接入附近分布式I/O柜即可，安装方便。

 

③具有明显的经济效益

    所有需进PLC的信号接至现场分布式I/O柜即可，从分布式I/O柜到PLC柜只需一根电源线和一根通信电缆，所需安装材料及人力可大量减少。

 

3 控制功能

    控制系统接收来自上位监控计算机的设定退火曲线，完成退火全过程的自动控制，包括自动点火控制、燃烧过程控制、升温速度和保温过程、循坏风机的变频控制、冷却风机的运行、氮气和保护气控制吹扫、炉温炉压监测与控制、紧急吹扫控制、冷却水系统监控和各种阀门操作。

 

按照工艺过程，该系统完成以下的任务：

①内罩设置的控制；

②进行阀站和炉台系统的密封性试验；

③抽真空实现保护气的置换过程；

④加热罩的设置和点火，退火过程的加热和均热，以及炉台热态密封试验和冷却过程控制；

⑤各种过程变量的监测，包括炉台温度测量、冷却水流量及温度监测、内罩压力监测、内罩压力安全装置监测、氮气和氢气流量监测等；

⑥在退火过程中各类故障的监测以及报警，并根据相应的情况给于特殊情况下的退火处理；

⑦和控制计算机的通信，接收来自控制计算机的离线数学模型的各类数据（包括退火时间、退火温度、吹扫时间和吹扫量等各种设定值），并把过程监控状态信息以及故障信息从PLC传至控制计算机；

⑧用于测试和维护目的的手动运行功能。

 

4 系统重要控制策略及功能实现

4.1 抽真空过程

    为了满足钢丝退火系统快速、高效、稳定、可靠的生产工艺要求，在保护气置换时采用抽真空的方式实现内罩内气氛置换。通氢气前进行两次抽真空置换：首先，用抽真空方式置换内罩内空气，为通入氢气作好准备；再抽真空一次用氢气置换氮气。在满足工艺要求的前提下使用最少量氢气，达到经济运行的效果。

 

4.2 内罩压力自动调节

    为保持内罩压力的稳定，在不同的退火阶段采用不同的稳压方式。退火加热和均热期间要进行保护气吹扫，在保证钢丝质量情况下使用最少流量的保护气，以节约成本，而且炉内压力必须保持稳定，据此，由电磁阀直接将内罩压力控制在一定范围内。退火冷却过程中，采用补气方式实现内罩压力的稳定。

 

4.3 退火过程温度控制

    退火过程温度控制按工艺过程分为三段：加热段、均热段和冷却段。加热段的燃烧控制采用连续量控制方式，用PID调节器来实现，由热电偶采集到的温度信号经过PLC的PID运算，输出4～20mA的信号控制执行机构来调节阀门开度；均热段采用脉冲燃烧控制来保证温度的均衡性，使系统始终运行在******状态，它具有动态性能好、温度波动小、节约燃料等优点；在冷却段，通过冷却速度的计算，控制空气电动调节阀的开度大小来控制退火冷却过程。

 

4.4 循环风机的变频控制

    在退火过程中，炉内气氛随工艺过程不同而不同。在不同介质和不同温度情况下循环风机的转速由日本富士变频器实现变速控制。经过反复试验和验证，此变频控制方式满足退火过程的工艺要求。

 

4.5 数据处理中的抗干扰

    工业现场环境中大功率风机等的变频控制引起的电磁干扰比较强，会导致测量信号的瞬时非真实波动，甚至可能是尖峰脉动，造成控制系统不稳定。所以有必要对工艺过程的测量信号进行抗干扰处理。硬件方面，采用抗干扰的信号输入模板，并使用抗干扰的接线方式；控制软件对采集来的实时信号进行超差信号的短时延迟处理以求******限度地消除各种干扰信号。

 

5 结束语

    钢丝高氢罩式退火炉设备和控制系统于2003年6月投入使用以来，设备性能可靠，使用方便，运行稳定，控制效果好，取得了较好的经济效益和社会效益，出炉钢丝各项性能指标达到生产标准，满足用户要求。

 

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