步进式加热炉过程控制系统设计

前言 (1)

第一章绪论 (2)

1.1 步进式加热炉的发展 (2)

1.2 步进式加热炉结构 (3)

1.3 步进式加热炉工艺流程 (3)

第二章控制方案整体设计 (5)

2.1 炉膛温度控制系统 (5)

2.2 炉膛压力控制系统 (6)

第三章步进式加热炉过程控制方案设计 (7)

3.1 炉膛温度控制系统设计 (7)

3.1.1 炉膛温度控制系统的选择 (7)

3.1.2 主、副被控参数的选取 (7)

3.1.3 主、副回路调节器调节规律的选择 (8)

3.1.4 主、副调节器正、反作用的选择 (8)

3.1.5 控制系统的工作原理 (8)

3.1.6 温度传感器选型 (9)

3.1.7 控制器选型 (10)

3.1.8 流量计选型 (10)

3.1.9 执行器的选择 (11)

3.2 炉膛压力控制系统设计 (12)

3.2.1炉膛压力控制系统的选择 (12)

3.2.2 调节器调节规律的选择 (12)

3.2.3调节器正、反作用的选择 (12)

3.2.4 控制系统的工作原理 (12)

3.2.5压力传感器选型 (12)

第四章总结 (14)

附录 (15)

参考文献 (16)

钢铁工业是整个国家的支柱产业，国家的军事国防以及人们的日常生活等等都离不开钢铁行业，它为我们提供了大量的制作劳动工具所需的原材料。它对我们国民经济的发展起到了举足轻重的作用。随着近些年全球性能源危机的加剧，我国钢铁企业也面临着巨大的成本压力，这就要求我们合理的设定加热炉炉温，降低能量消耗，提高企业效益。

加热炉在整个行业的生产轧制过程中是主要耗能设备，占整个冶金工业耗能的1/4 。这个炉子控制的好坏及其所选择的控制方法十分重要，这会影响到钢坯的废钢率，钢坯的产量及其质量和烧损率等等。

在加热炉设备的更新及其生产工艺进步的同时，我国的现代化轧制技术也发生了翻天覆地的变化。尤其是轧机，正在一些方面快速发展，比如说高精度，高速，大规模，连续等等。这样就要求必须提高钢坯的加热质量。因此，研发高水平的炉温控制系统，生产出质量达标的钢坯，降低能耗，切实提高冶金企业经济效益，增强国际竞争力，这些都是我国钢铁行业要面临的一些难题。

在整个轧制过程的能源消耗中主要有两个方面：一方面是在加热炉对钢坯进行加热的时候，对钢坯加热的能量消耗；另一方面是在轧制的过程中，一些工序中的能量损耗。出炉钢坯温度主要取决于加热炉的炉温。有这样一个规律：如果轧制的温度下降了，那么它的轧制能耗就会上升，相应的加热钢坯的能耗就会迅速的下降。很显然在实际的生产中，它们之间是存在着比例关系的。假设因为出炉温度下降而导致轧制的能耗上升了1%，那么加热炉在加热过程中的能耗便会降低10%。怎样才能在保证钢坯被加热到可以被轧制的温度的前提下，尽可能的降低能耗，已经成为当前国内外学者研究的重要方向。但是，钢坯加热过程是一个包含化学、物理及热力学等在内的复杂工业过程。具有时变、强耦合、非线性、大惯性及纯滞后的特点。现有的大多数控制方法已经不能满足现代工业生产对节能减排，生产过程智能化等要求，所以，必须优化控制技术手段，进而对炉温的设定值进行优化才能真正达到现代工业生产要求，走上可持续发展之路。

第一章绪论

1.1 步进式加热炉的发展

钢坯加热炉是用来将初轧钢坯或者连铸钢坯轧制成最终产品而对钢坯进行再加热的生产设备。按照加热方式的不同可以分为周期式和连续式两种，其中连续式加热炉在目前的轧制生产中的应用最为广泛。周期式加热炉是指钢坯在炉内固定不动进行加热的炉子，它不适用于大量生产的情况，通常情况下只应用于某些连续加热炉不能处理的特殊材质和极厚、单重特别大的特殊尺寸的钢坯加热。连续式加热炉是指形状基本一致的钢坯，在加热炉内不断的移动，从加热炉入口一直移动到其出口处，并且在此过程中对钢坯进行加热的加热炉。

随着国际钢铁需求量的增加，轧机向着高效率和大能力发展，相应地要求板坯加热炉提高其炉床负荷，在有限的空间增加加热能力。因此，连续式加热炉由一段式向多段式发展，进而出现了步进式。这也是最近应用最为广泛的加热炉，它与以前经常使用的推送式加热炉相比有如下一些优点:

(l)可以加热各种形状的钢坯，并且特别适合加热推送式连续加热炉不便加热的大型板坯和异型板坯。

(2)生产能力大，炉底强度可以达到800-1000kg/(m2·h)，与推送式连续加热炉相比，加热等量的钢坯，步进式加热炉的炉长可以缩短10%-15%。

(3)炉子长度不受推送比的限制，不会产生拱料、粘连等现象。

(4)炉子的灵活性很大，在加热炉炉长不变的情况下，通过改变钢坯之间的距离就可以调整炉内钢坯的数量，因而可以适应不通产量的要求;同时，由于步进周期是可调的，故可以根据不同钢坯的不同加热要求，调整钢坯在炉内的加热时间，因而步进式加热炉的适应性很强，可以适应不通产量和不同加热速度的要求。

(5)由于坯料不在炉底滑道上滑动，坯料的下表面没有划痕。

(6)当轧机出现故障而停车时，步进式加热炉可以保持踏步或者将钢坯从炉内退出，以免钢坯长期在炉内造成氧化烧损和脱碳。

(7)由于步进速度可以调整并可测量，因此可以准确计算和控制钢坯的加热时间，便于实现钢坯加热过程的自动化控制。

步进式加热炉存在的缺点：和同样生产能力的推送式炉相比，造价高

15%-20%；其次步进式炉（两面加热的）炉底支撑水管较多，水耗量和热耗量超过同样生产能力的推送式炉。经数据表明，在同样小时产量下，步进式炉的热耗量比推送式炉高160KJ。

1.2 步进式加热炉结构

目前国内钢铁企业大多采用步进式加热炉，以某钢厂的步进式加热炉为研究对象，一般情况下，加热炉沿炉膛长度方向分为预热段、加热段和均热段，如图1.1所示。进料端为预热段，炉气温度较低，其作用在于充分利用炉气热量，给进炉板坯预热到一定温度，以提高炉子的热效率。加热段为主要供热段，炉气温度较高，以利于实现板坯的快速加热，保证板坯加热到要求的目标温度。均热段位于出料端，炉气温度与金属料温度差别很小，保证出炉料坯的断面温度均匀。一般用于加热小断面料坯的炉子只有预热段和加热段。

图1.1三段步进式加热炉结构简图

1.3 步进式加热炉工艺流程

在坯料进入到加热炉后，它首先要经过预热段进行缓慢的升温，预热段温度控制在850-950℃，然后再进入加热段进行强化加热使钢坯的平均温度达到轧制温度，加热段温度在1250℃左右，最后钢坯进入到均热段进行均热，使钢坯内外温度趋于一致，均热段温度在1250-1300℃左右。烧嘴分布在加热段、均热段的侧面炉墙的上下部，钢坯加热的生产过程如下:

加热炉的步进梁伸到钢坯底部的辊道之间，步进梁上升，将钢坯抬起一定高度，前进一段距离后停止，下降将钢坯放到固定梁上，步进梁继续下降脱离钢坯，到位后再后退回到下一原位，然后重复上述动作，如此循环往复，使得钢坯步进式前进，循环经过加热炉的各段，最后把加热好的钢坯送到出钢端的出钢悬臂辊道上，然后由该组辊道将其运送出炉，经过高压水除鳞处理后传送到轧机进行轧制。工艺过程如图1.2所示：

图1.2 工艺过程