（沈陽建筑大學(xué)，遼寧 沈陽 110168）

在線固熔爐在軋鋼中的應(yīng)用

于洪深

（沈陽建筑大學(xué)，遼寧 沈陽 110168）

介紹了在線固溶爐的主要組成以及各部分的工作原理。

在線固溶爐；電氣控制系統(tǒng)；溫度控制

一、在線固熔爐的布局與系統(tǒng)組成

1.在線固熔爐的布局

在線固熔（DST Direct Solution Treatment）工藝是軋鋼中重要的一個環(huán)節(jié)。與離線固溶相比，在線固溶的效率更高，能源消耗更少而且良品率也更有保障。

如圖1所示，DST位于軋線吐絲機的下游，系統(tǒng)的主要功能是將不銹鋼盤卷加熱到一個特定的溫度，然后用水降溫。盤卷的加熱會在一個加熱爐內(nèi)進行，而后通過特殊的爐輥形成的傳送裝置運輸。通過爐子之后，噴水降溫模塊會對盤卷進行降溫處理。爐子的進出口處裝有專用爐門，而降溫部分是不封閉的。

圖1 DST規(guī)劃圖

2.燒嘴系統(tǒng)

DST被分成10個分區(qū)，每個分區(qū)有獨立的溫度控制系統(tǒng)，如圖2所示，系統(tǒng)是由燒嘴、熱電偶、控制器構(gòu)成的閉環(huán)。

圖2 燒嘴和溫度分區(qū)

3.電氣控制系統(tǒng)

圖3所示為DST的電氣控制系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場實際要求分為控制室與電氣室?？刂剖遗c操作室在一起，主要處理各個模擬信號與重要參數(shù)的閉環(huán)控制；電氣室主要由配電部分、安全繼電器部分、功率部分組成。

圖3 DST電氣控制系統(tǒng)

（1）主電氣柜+A1

電氣柜分為9個部分。

第一部分：進線斷路器，主電源和緊急電源供電。斷電時的自動切換裝置。

通過控制柜門上的儀器檢測進線主電源的電壓和電流。

第二部分：主要有380V交流電和電動機空開。

第三部分：控制電壓230V交流變壓器和配電模組。24V直流單元和配電模組。

PLC輸入輸出單元U20：內(nèi)部信號+A1和Zone 6～10的空氣閥門。

第四部分：Zone 1～10溫度控制以及1#到3#燃氣環(huán)線安全繼電器。

PLC安全信號輸入輸出單元U10和U50，U10和CPU1相連，U50和CPU2相連，安全相關(guān)的信號并聯(lián)到這兩個單元。

第五部分：爐內(nèi)爐輥變頻器。

第六部分：爐內(nèi)爐輥變頻器。

第七部分：噴淋部分爐輥變頻器。

第八部分：PLC輸入輸出單元U30和U40，U30負責(zé)Zone 1～5氣體供給線路+燒嘴閥門位置指示。U40負責(zé)Zone 6～10的燒嘴閥門位置指示。

第九部分：PLC輸入輸出單元U60和U70。U60控制Zone 1～5燒嘴閥門。U70負責(zé)多種設(shè)備的控制，例如煙道排出風(fēng)機，爐門電機，水噴淋等，電機保護箱，本地控制面板+DSSG接口。

（2）PLC控制柜+A2

中央西門子S7-400PLC含有兩個414-2DP CPU。CPU1控制DST線路中所有的功能，而CPU2只處理和CPU1對應(yīng)的安全功能。這種雙CPU設(shè)計是為了達到更高的安全程度。

I/O模塊用于系統(tǒng)內(nèi)所有的模擬量輸入輸出和+A2內(nèi)部信號。安全相關(guān)信號并聯(lián)到兩個輸入輸出模塊，其中一個模塊使用CPU1進行處理，另一個使用CPU2處理。系統(tǒng)提供Proibus和以太網(wǎng)的通信單元、紅外線溫度計信號轉(zhuǎn)換器、過程控制器Eurotherm模塊2704，該模塊可以顯示爐內(nèi)氧氣含量，安裝于前門。

（3）通信連接

PLC和操作員站間使用局域網(wǎng)進行通信。+PC1和+PC2分別通過雙絞網(wǎng)線連接至+A2和+A1?？刂剖液碗姎馐业目刂乒裢ㄟ^光纖連接，即150m帶有卡口的預(yù)制光纖（BFOC）。另外，還有300m長的預(yù)制FO線用于和2級DSSG系統(tǒng)通信。Profibus DP用于控制級的通信系統(tǒng)，即中央PLC和輸入輸出單元的通信、變頻器和BCU的通信。+A1和+A2之間的雙重通信連接通過150m預(yù)制的單工電纜實現(xiàn)。FO電纜BCU總線通過標(biāo)準Profibus電纜連接到主電氣控制柜。

二、DST系統(tǒng)的操作模式

1.DST的啟爐步序

操作員通過HMI啟動操作系統(tǒng)。啟動前，所有閥門均為關(guān)閉狀態(tài)，爐子處于冷卻狀態(tài)。前后門必須通過本地操作盒手動關(guān)閉。啟動前，參數(shù)必須按如下要求設(shè)定。

（1）吹掃時間：應(yīng)該大約吹掃6倍的爐子體積的流量。

（2）吹掃之后最長時間操作：就是允許在無焰溫度以下操作爐子的時間。當(dāng)這段時間過去后，對任何燒嘴的點火操作都需要再次吹掃。

（3）最少點火燒嘴數(shù)量：在啟動主燒嘴之前，必須啟動最小數(shù)量的點火燒嘴。由于點火燒嘴是按順序一個個啟動的，所以也要設(shè)定燒嘴啟動之間的時間。

（4）整體重啟：在爐內(nèi)溫度低于無煙模式溫度（750℃）下點火或啟爐將會被要求整體重啟。

如果在最大吹掃時間以內(nèi)發(fā)生停爐或是安全繼電器動作，系統(tǒng)會從第5步啟爐；反之，整體重啟同樣也會被執(zhí)行。

（5）爐膛吹掃：步驟4，出于維修目的此步驟可以單獨激活。

（6）泄漏測試：步驟5，1～3號燃氣環(huán)線的測漏通過Krom Schr?der閥門控制器TC410自動進行。當(dāng)PLC發(fā)出開始命令給控制器TC410之后相應(yīng)的進口閥門會打開同時在設(shè)定的時間內(nèi)檢測燃氣壓力的情況，如果壓力正常則返回OK反之則返回Failure。泄漏測試同樣可以進行手動操作。在無煙模式下重啟會重新進行泄漏測試。

（7）啟動點火燒嘴：步驟6，啟動命令按順序提交至BCU。點火燒嘴會在BCU鎖住之前自動進行4次點火嘗試。被鎖住的燒嘴必須在BCU上復(fù)位。在規(guī)定最大吹掃后之間內(nèi)必須點燃至少一個點火燒嘴，否則將會執(zhí)行整體重啟。

（8）升溫：步驟7，當(dāng)升溫步序被激活后，Zone 6～10的主燒嘴會與點火燒嘴同步啟動。之后燒嘴會在PID溫度控制器和“Swap”控制器的共同作用下工作。

2.生產(chǎn)模式

當(dāng)爐內(nèi)溫度上升到目標(biāo)溫度之后系統(tǒng)進入步驟8“Main Operation”。該狀態(tài)可以通過HMI畫面進行選擇或者是通過網(wǎng)絡(luò)接口進行遠程控制。

根據(jù)錄入的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，PLC會計算爐輥的速度和分區(qū)的溫度設(shè)定值。接口信號DO1，即操作準備就緒信號，是當(dāng)達到生產(chǎn)溫度時設(shè)定的。此時爐門打開在中間狀態(tài)。當(dāng)盤卷接近爐子時，入口處的紅外線溫度計會檢測到接近的盤卷（盤卷的溫度也會被記錄為信息或參考量）。當(dāng)盤卷進入爐子時，功能反饋量會補償初始的溫度損失。PLC通過速度數(shù)據(jù)和進入時間計算在爐子內(nèi)盤卷的位置。

在經(jīng)過DST之后，根據(jù)紅外線高溫計的顯示，當(dāng)坯料進入噴淋冷卻部分的入口時水冷閥門就會打開。

3.待料模式

對于生產(chǎn)模式來說，待料模式可以根據(jù)控制模式通過HMI或者遠程端口進行選擇。通過爐內(nèi)對坯料的跟蹤，系統(tǒng)可以確定爐內(nèi)是否為空，在最后一個盤卷通過之前系統(tǒng)不會切換為Standby狀態(tài)。

4.擺動

當(dāng)存在任何可能造成爐輥停止工作的干擾，如果溫度大于200℃，爐輥會自動進入擺動模式，向前旋轉(zhuǎn)再逆向轉(zhuǎn)（一圈向前另一圈反向）。噴淋單元的擺動會和爐內(nèi)爐輥的擺動同時開始。擺動模式能夠通過HMI和DSSG接口（DI3）在本地或遠程選擇。

三、DST的溫度控制

1.爐內(nèi)的安全保護

（1）Zone 1～5的熱電偶：每個分區(qū)共有4個熱電偶（1#、2#、3#、4#），其中2個（2#、3#）用來測量控制回路的實際溫度。它們的值都會顯示在HMI上，但是用于系統(tǒng)控制的溫度可以在兩者之間最低、最高、平均進行選擇。如果其中一個熱電偶斷路，它會自動在計算時斷開并使用相連的熱電偶的數(shù)據(jù)用做計算。如果測得值差異較大，就會產(chǎn)生報警。如果兩個熱電偶都斷路，那么它們所在的分區(qū)就會關(guān)閉。

另外2個熱電偶（1#、4#）會用做高溫限制和無焰燃燒模式的溫度開關(guān)。

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出于安全方面的考慮，控制用熱電偶（2#、3#）會追蹤爐內(nèi)的溫度，用作判斷爐內(nèi)是否為無焰模式的依據(jù)：如果有控制電偶指示冷，就算開關(guān)電偶顯示為熱，它也不可能進入無焰燃燒模式。

（2）Zone 6～10的熱電偶：每個區(qū)域有2個熱電偶。2#用作回路控制，同時可以進行過高溫度保護（在1 170℃），這個保護通過PLC處理（無開關(guān)控制）。1#熱電偶控制無煙模式的判定（無焰燃燒模式750℃）。控制用熱電偶也會追蹤溫度，并做冷熱安全備份；如果有熱電偶指示冷，就算開關(guān)顯示為熱，它也不可能進入無焰燃燒模式。

2.溫度范圍

爐內(nèi)主要溫度的定義如下。

（1）無焰燃燒溫度。溫度上限設(shè)置為750℃。燒嘴可以在該上限之上不監(jiān)控火焰。在上限之下時，只有BCU初始燒嘴可能運轉(zhuǎn)。

（2）操作溫度。當(dāng)所有的分區(qū)到達該溫度時，設(shè)定到900～950℃，爐子進行主操作和standby模式，可以選擇生產(chǎn)模式。

（4）過高溫度：溫度上限設(shè)定在1 170℃，更高的溫度會導(dǎo)致關(guān)閉。

3.溫度控制回路

對于溫度控制，每一個分區(qū)都有一個PID控制器，在PLC中通過帶有標(biāo)準Step7功能的FB41塊實現(xiàn)。具體的控制參數(shù)能夠從HMI上選擇。

在自動模式中，設(shè)定值SP是分區(qū)要求的溫度。過程量PV和SP相比較，差值用作PID的輸入?？烧{(diào)節(jié)的參數(shù)有Gain、TI/積分時間、TD/微分時間和TM_ LAG?？刂频妮敵鯫P，0～100%，連接至分區(qū)的邏輯交換器。在手動模式中，輸出量直接通過HMI的MAN VALUE進行設(shè)定。Zone 1～5的一個額外功能是可以給輸出直接加入一個反饋信號。

下圖4所示為溫度PID控制器的控制原理圖，具體的參數(shù)輸入位置通過DB塊符號名的形式標(biāo)出。

溫度PID控制器的輸出為功率給定信號TIC-OP，此信號決定了Swap控制的方式。輸入，輸出和參數(shù)被連接到每個Zone控制器的數(shù)據(jù)塊。

圖4 溫度PID控制器

4.燒嘴控制

表1中表示了每個分區(qū)在不同加熱輸入要求時需要多少個燒嘴及其功率值。

表1 每個分區(qū)加熱器的最大流量和功率

Swap功能：溫度控制系統(tǒng)是通過Swap功能實現(xiàn)溫度的均勻控制的。Zone 1～5區(qū)每個燒嘴的工作時只有兩種狀態(tài)：ON/OFF。為了使打開燒嘴數(shù)量與燃氣流量（功率）成正比必須保證管線內(nèi)部的燃氣壓力穩(wěn)定。

系統(tǒng)會根據(jù)當(dāng)前的功率給定來決定每個燒嘴開啟的時間、控制器輸出信號TIC-OP、和中的循環(huán)時間。由溫度PID控制器計算出的TIC-OP將會被一個最大的合理值限制。

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