过程控制系统课程设计

步进式加热炉控制系统设计一、步进式加热炉工艺流程1. 步进式加热炉简介⑴步进式加热炉步进式加热炉是一种靠炉底或水冷金属梁的上升、前进、下降、后退的动作把料坯一步一步地移送前进的连续加热炉。

炉子有固定炉底和步进炉底，或者有固定梁和步进梁。

前者叫做步进底式炉，后者叫做步进梁式炉。

轧钢用加热炉的步进梁通常由水冷管组成。

步进梁式炉可对料坯实现上下双面加热。

（2）步进式炉的几种类型步进式炉从炉子构造上分目前有：单面供热步进式炉、两面供热步进式炉、钢料可以翻转的步进式炉、交替步进式炉、炉底分段的步进式炉等等。

单面供热步进式炉也称步进底式炉，钢料放置在耐火材料炉底或铺设在炉底上的钢枕上。

钢坯吸热主要来自上部炉膛，由于一面受热，这种炉子的炉底强度较低。

它适用于加热薄板坯、小断面方坯或有特殊要求的场合。

两面供热步进式炉也称步进梁式炉，活动梁和固定梁上都安设有能将钢坏架空的炉底水管。

在钢坯的上部炉膛和下部炉膛都设置烧嘴，因此炉底强度较高，适用于产量很高的板坯或带钢轧前加热。

钢坯可以翻转的步进式炉是每走一步炉内钢料可以翻转某一角度，步进梁和固定梁都带有锯齿形耐热钢钢枕，这是加热钢管的步进式炉，每走一步钢管可以在锯齿形钢枕上滚动一小段距离，使受热条件较差的底面逐步翻转到上面，以求加热均匀。

交替步进式炉则有两套步进机构交替动作。

运送过程中，钢坯不必上升和下降，振动较小，底面不会被划伤，表面质量较好炉底分段的步进式炉的加热段和预热段可以分开动作。

例如预热段每走一步，加热段可以走两步或两步以上。

这种构造是专门为易脱碳钢的加热而设计的。

钢坯在预热段放置较密，可以得到正常的预热作用，在加热段钢坯前进较快，达到快速加热，以减少脱碳。

（3）步进式炉的优缺点步进式炉是借机械将炉内钢坯托着一步一步前进，因此钢坯与钢坯还不必紧挨着，其间距可根据需要加以改变。

原始的步进式炉只用于加热推钢机无法推进的落板坯或异形坯，随着轧机的大型化和连续化，推钢式炉已不能满足轧机产量和质量的要求。

在这种情况下，近十年来造价较高的步进式炉得到了快速发展，其结构也日趋完善。

步进式炉具有以下特点：（1）炉子长度不受钢坯厚度的限制，不会拱钢，炉子可以建得很长，目前有些炉子已接近60 米长，一个步进式炉可以代替1.5—2 个推钢式炉。

（2）操作上灵活性较大，可以通过改变装料间隙调节钢坯加热时间，且更换品种方便。

（3）炉内钢料易于清空，减少停炉时清除炉内钢料的时间。

（4）钢坯在炉内不与水管摩擦，不会造成通过轧制还不能消除的伤痕。

（5）水管黑印小，即能得到尺寸准确的轧材。

（6）两面加热步进式炉可以不要实底均热段，因此加热能力比推钢式炉稍大。

（7）没有出料滑坡，减少了由于滑坡高差作用而吸入炉内的冷空气。

（8）钢坯有侧面加热，这样可实现三面或四面加热，因此加热时间短，钢坯氧化少。

（ 9）生产能耗大幅度降低,从炼钢连铸后开始全连续的直接生产。

（ 10）产量大幅度提高,在100* 104t/a 以上。

（ 11）生产自动化水平非常高，原加热炉的控制系统大都是单回路仪表和继电器逻辑控制系统，传动系统也大多是模拟量控制式供电装置，现在的加热炉的控制系统大多数都具有二级过程控制系统和三级生产管理系统，传动系统都是全数字化的直流或交流供电装置。

步进式炉的缺点是炉底机械设备庞大，维护和检修都较复杂，炉子造价太高。

两面供热的步进式炉炉底水管较多，热损失大。

单面供热的步进式炉虽然无水冷热损失，但产量较低。

因此，尽管步进式炉有很多优点，仅由于它造价太高，目前在中小型厂全面推广还不适宜。

2步进式加热炉的结构⑴步进式加热炉结构图(2)炉底结构：从炉子结构看，步进式加热炉分为上加热步进式炉、上下加热步进式炉、双步进梁步进式炉等。

上加热炉只有上部有加热装置，固定梁和移动梁是耐热金属制作的，固定炉 底是耐或材料砌筑的。

这种炉子几乎没有水冷结构，所以热耗较低，只能单面加 热，用于较薄钢坯的加热。

与推进式加热炉一样，为了满足加大钢坯的需要，步进式加热炉也发展了以 下的加热方式，出现了上下加热的步进式加热炉。

结构图如图( 2)此炉底是架空的，可以实现双面加热，钢坯没有紧靠在一起，也可以看成是 四面受热。

下加热一般只能用侧烧，上加热可以用轴向端烧嘴，也可以用侧烧嘴 或炉顶端烧嘴供热。

考虑到轴向烧嘴火焰沿长度方向的温度分布和各段温度的控 制,某些大型步进式炉有明显的炉顶压下， 而下加热段设有端墙，以免各段温度 之间相互干扰。

因此这样的步进式炉子长度温度调节有更大的灵活性。

如果炉子 宽度较大，火焰长度又较短时，可以在炉顶上安装平焰烧嘴。

(3) 传动机构：步进式加热炉的传动机构分为机械传动和液压传动， 目前广泛应用的是液压传动方式。

此种传动方式运行稳定、结构简单、运行速度的控制比较准确，占地 面积小、设备质量小、比机械传动有明显的优点。

由于步进式炉很长，上下两面 温度差过大，线膨胀的不同会造成大量的弯曲和隆起。

为解决这个问题，目前一 些炉子将大梁分成若干段，各段间留有一定的膨胀间隙，变形虽不能避免，但弯 曲的程度大为减轻，不致影响炉子正常工作。

(4) 密封结构：为了保证步进梁正常无阻碍的运动，在活动梁和移动梁之间要有一定的间 隙，对步进梁来说则在梁支撑穿过炉底部分有保证它运动的足够大的开孔。

这些 缝隙或开孔的存在虽然是必要的，但也容易吸入冷风，影响加热质量和降低燃料 利用率，也可能造成炉气外逸，危害炉底下部设备，对轧钢用步进炉则必须考虑 密圭寸问题。

目前有滑板式密圭寸和水圭寸两种密圭寸形式， 前者密圭寸较差，水圭寸密圭寸较 好。

3.步进式加热炉工艺流程一般情况下，加热炉沿炉膛长度方向分为预热段、加热段和均热段。

进料端AA A A *◎◎ ◎■ ■ ■■ ■・・■ ■!■■■ ■a J ■ ■ s ■ ■ a a >■ a u a ・・・■ ■・・■■ ・・・*・■ ■ iBBa ■■■■■«■■■«・・■'■ ■ ■4 ■・_・H 1 ■■■ ■ KBia B—,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。

顼热段加热段均热段钢坯加热是热轧生产工艺过程中的重要工序。

其生产过程如下：对于步进式加热炉，钢坯的移动是通过固定梁和移动梁的周期运动来实现的。

钢坯位于固定梁上，移动梁反复地进行上升、前进、下降、后退的矩形运动，移动梁的每一个循环运动带动钢坯在炉前进一步，而且保证钢坯没有任何滑动。

传动机构的上下运动和前后运动分别是由独立的机构完成的。

步进梁的进后运动多采用油压传动方式，上下运动可以采用油压传动也可以采用电动方式。

钢坯被送到加热炉外的上料辊道上，经过测长后，从装料炉门进入炉内，然后在炉内悬臂辊道上进行对中定位，通过移动梁步进机械的周期运动，一步步地前进。

当钢坯被输送到出炉位置，且已达到所要求的出炉温度，当接到允许出钢信号时，钢坯加热结束，由出料悬臂辊道从出料炉门送出，送往轧机进行轧制。

图（3）步进结构工艺过程如图（4）图⑷二、控制方案步进式加热炉的热工制度主要包括：温度制度、燃料燃烧制度和炉压制度等。

根据影响加热炉钢坯质量的因素，其主要能控因素是温度和炉膛压力，而温度的变化主要受燃料流量和空气流量的影响，为了充分燃烧，燃料流量和空气流量必须按一定的比例送入管道，所以将燃料和空气构成双闭环比值控制系统，这样不仅实现了比较精确的流量比值，而且使燃料流量和空气流量变得比较平稳，确保了两物料总量基本不变，为后续温度的控制提供了前提条件。

对于温度的控制采用单交叉限幅方式的串级控制系统，这样可以在炉温偏低时，先增加空气量，后增加煤气量；炉温偏高时，先减煤气量，后减空气量，实现空气、煤气交叉控制，保证了燃料的完全燃烧，最终通过控制燃料和空气流量以达到控制炉温的目的。

对于炉膛压力，采用单回路控制，它是通过调整烟道百叶窗的开度，从而调节烟囱的吸力，达到控制炉膛压力的目的。

1、燃料燃烧的控制系统设计双闭环比值控制系统是为了克服单闭环比值控制系统主流量不受控，生产负荷在较大范围内波动的不足而设计的。

它是在单闭环比值控制的基础上，增设了主流量控制回路而构成。

双闭环比值控制系统由于主流量控制回路的存在，实现了对燃料流量的定值控制，大大地克服了燃料流量干扰的影响，使燃料流量变得比较平稳。

通过比值控制副流量即空气流量也将比较平稳。

这不仅实现了比较精确的流量比值，而且也确保了两物料总量基本不变，这是它的一个主要特点。

另一个优点是提降负荷比较方便，只要缓慢地改变主流量控制器即燃料控制器的给定值，就可以提降燃料流量，同时副流量即空气流量也就自动跟踪提降，并保持两者比值不变。

这种方案能够适用于主流量干扰频繁及工艺上不允许负荷有较大波动或工艺上经常需要提降负荷的场合，实用性强⑵。

设计的燃料流量与空气流量双闭环比值控制系统方框图如下：图2-1燃料流量和空气流量构成的双闭环比值控制系统方框图2. 炉温的控制系统设计在步进式加热炉加热钢坯的过程中，空燃比过高，使钢坯表面氧化，热量损失增加；空燃比过低，使燃料不能完全燃烧，造成煤气外流，浪费了燃料并污染了环境。

所以为了控制温度，工艺上不但要求燃料量与空气量成一定的比例，而且要求在温度发生变化时，燃料与空气的提降量有一定的先后次序，以保证空燃比的合理性及供热区段温度的可控性。

本设计采用单交叉限幅控制，即以炉内温度为主环，空、煤气为副环的串级炉温控制回路。

串级控制系统是由其结构上的特征而得名的。

它是由主、副两个控制器串接工作的。

主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对变量的定值控制。

在这个设计中，主控制器是温度控制器，副控制器是燃料控制器或者是空气控制器，这要依据提降时的先后顺序而定。

一般来说，主控制器的给定值是由工艺规定的，它是一个定值，在该系统中主参数温度是一个定值，工业上要求步进式加热炉预热段温度为750C〜1100C,加热时间15〜30 分钟；加热段的温度为1250C〜1300T，加热时间40〜60分钟；均热段的温度为1150C〜1250T，保温时间20〜30分钟；连铸冷坯料、模铸冷坯料的总加热时间为90〜120分钟；因此，主环是一个定值控制系统。

而副控制器的给定值是由主控制器的输出提供的，它随主控制器输出变化而变化，因此，副回路是个随动系统。

设计的炉温与流量的串级控制系统方框图如图2-2。

图2-2炉温与流量串级控制系统方框图加热炉温度控制是通过调节煤气和空气流量来实现的。