武秀琪

（廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 韶關(guān)512100）

1 背景分析

目前，中國鋼鐵工業(yè)雖然已經(jīng)實現(xiàn)了量的突破，但是對于重點工程急需的優(yōu)質(zhì)、高附加值鋼材依然依賴進口。因此，現(xiàn)階段中國處于從鋼鐵大國向鋼鐵強國過渡的關(guān)鍵時期[1]，重點在于提高鋼鐵工業(yè)的生產(chǎn)水平、技術(shù)裝備水平、管理水平。中厚板是指厚度為5～120 mm 的各類鋼板，其生產(chǎn)水平是衡量一個國家鋼鐵工業(yè)水平的標(biāo)志之一。在造船業(yè)、機械加工業(yè)、石油化工、橋梁建筑等行業(yè)方面中厚板都發(fā)揮著舉足輕重的作用。但是隨著行業(yè)的調(diào)整和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的提升，普通鋼板已經(jīng)難以滿足日益增長的工業(yè)發(fā)展需求，而對高等級、高強度、高附加值的中厚鋼板的需求變得與日俱增[2]，比如性能均勻的高強度船板、海上石油平臺用板、大跨度公路和鐵路兩用的橋梁板、高強度低焊接裂紋的低溫壓力容器板、高強度的石油儲罐用鋼以及用于國防業(yè)的軍工鋼等都是有著非常廣闊的市場空間。這些高等級鋼板來源于熱處理爐對鋼板進行的二次加熱處理，通過將鋼板加熱到預(yù)定的溫度并保持一定的時間后，控制鋼板的冷卻速度，使鋼板內(nèi)部的結(jié)構(gòu)組織發(fā)生物理和化學(xué)的變化，從而改善鋼板的性能，生產(chǎn)出不同種類的高附加值鋼板[3]。從工藝設(shè)備和技術(shù)水平的角度來看，熱處理生產(chǎn)線缺乏和在線控制技術(shù)的落后，是造成中厚板產(chǎn)品單一、質(zhì)量不高的主要原因。所以，從中國鋼鐵工業(yè)的整體發(fā)展以及國內(nèi)鋼材市場良態(tài)發(fā)展的角度出發(fā)，加熱爐過程自動控制技術(shù)的研究對于國內(nèi)鋼鐵企業(yè)的設(shè)備更新、技術(shù)更新具有重要意義。

2 研究內(nèi)容

廣東某鋼鐵集團特軋廠中厚板生產(chǎn)線熱處理爐于2008年投產(chǎn)，主要完成熱處理鋼板的正火和回火處理。熱處理爐自動化控制系統(tǒng)由L1 系統(tǒng)和L2 系統(tǒng)構(gòu)成，L1 系統(tǒng)分為電氣自動化控制系統(tǒng)和儀表自動化控制系統(tǒng)，L2 為加熱溫度閉環(huán)自動化控制系統(tǒng)。隨著經(jīng)濟發(fā)展，逐漸不能滿足產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本控制需要。因此，針對中厚生產(chǎn)線熱處理爐自動化控制系統(tǒng)進行了改進研究。

本文以某廠中厚板生產(chǎn)線熱處理爐及其配套的控制系統(tǒng)為載體，在利用現(xiàn)有硬件基礎(chǔ)上，采用當(dāng)前最新的控制思路和控制理念，對控制系統(tǒng)軟件進行深入研究和優(yōu)化改進，提升自動化控制效果，力爭最大化發(fā)揮現(xiàn)有硬件的能力，提高爐內(nèi)有效加熱空間利用率和加快熱處理爐生產(chǎn)節(jié)奏，并對出爐后鋼板噴水冷卻裝置增加控制系統(tǒng)，從而幫助企業(yè)提高產(chǎn)品熱處理質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，進一步節(jié)能降耗增效。

具體內(nèi)容如下：①建立中厚板熱處理過程溫度計算數(shù)學(xué)模型。鋼板溫度涉及到鋼板的加熱效果，由于鋼板溫度無法實時測量，需對鋼板表面和內(nèi)部各點溫度進行建模，預(yù)報鋼板溫度。通過該模型可以計算出特定時刻鋼板在爐內(nèi)的溫度。假設(shè)爐溫理想化的情況下，按照工藝要求的保溫時間，利用模型對鋼板的在爐時間做出估算，作為指導(dǎo)生產(chǎn)的依據(jù)。②基于鋼板溫度跟蹤結(jié)果，制訂對鋼板速度和各段爐溫設(shè)定值做出實時動態(tài)調(diào)整的策略并編程實現(xiàn)。以幾種典型規(guī)格和鋼種的鋼板為例，進行穩(wěn)態(tài)優(yōu)化研究，尋求合理的供熱制度和爐溫制度，為在線模型提供參考依據(jù)。③研究和改進入爐鋼板爐內(nèi)輥道分組方式，實現(xiàn)對爐內(nèi)鋼板間距靈活有效安全的自動控制，解決短鋼板占用過長加熱空間問題，以減少鋼板間距，提高爐內(nèi)有效加熱空間利用率，在此基礎(chǔ)上進一步優(yōu)化溫度控制模型。④研究輥底式熱處理爐連續(xù)運行制度和擺動運行制度下，輥速設(shè)定、鋼板物料跟蹤和溫度跟蹤的不同特點，著重研究鋼板在爐內(nèi)的檢測跟蹤方式、檢測位置，以適應(yīng)更廣寬度范圍的鋼板檢測，解決目前中厚板生產(chǎn)線熱處理爐現(xiàn)有控制系統(tǒng)不能檢測薄鋼板的問題、部分鋼板不能連續(xù)入爐生產(chǎn)的問題。完善現(xiàn)有控制系統(tǒng)的L2 級功能，實現(xiàn)各工藝參數(shù)的可視化和功能完整化。⑤整個控制系統(tǒng)包括熱處理爐電氣PLC01、熱處理爐儀表PLC02 控制系統(tǒng)以及熱處理爐L2 控制系統(tǒng)，相應(yīng)的自動化系統(tǒng)軟硬件、電氣儀表控制系統(tǒng)之間接口、電氣控制系統(tǒng)與傳動系統(tǒng)之間接口、自動化系統(tǒng)與L2 過程控制系統(tǒng)之間接口、電氣儀表及L2 的HMI 畫面程序等。計算機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 計算機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 技術(shù)研究路線

本研究關(guān)鍵點在于準確掌握分析某鋼廠中厚板熱處理爐控制系統(tǒng)中存在的對生產(chǎn)效率、質(zhì)量控制上存在的不足，改進控制系統(tǒng)以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。主要解決以下3個關(guān)鍵技術(shù)問題：①中厚板熱處理溫度控制模型；②實現(xiàn)中厚板熱處理爐后的冷卻裝置自動化控制；③中厚板熱處理爐內(nèi)輥道分組方式不合理，鋼板入爐后鋼板之間的間距大，造成生產(chǎn)效率低能耗高，要實現(xiàn)對爐內(nèi)鋼板間距靈活、有效、安全的自動控制，以減少鋼板間距，解決短鋼板占用過長加熱空間問題，提高爐內(nèi)有效加熱空間利用率。

具體的技術(shù)研究路線如圖2 所示。

圖2 技術(shù)研究路線圖

4 技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)

控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定率≥97.5%，熱處理板產(chǎn)量由10 t/h提高到12 t/h；正火板性能合格率提高8%。

5 經(jīng)濟效益

企業(yè)熱處理板機時產(chǎn)量每提高2 t，可節(jié)約能耗成本為76 元，按企業(yè)熱處理爐作業(yè)率60%測算，則每年增效（萬元）=76 元×8760 h×60%=39.9 萬元；企業(yè)年生產(chǎn)正火板按10000 t 計算，合格品和不合格品差價為1800 元/t，性能合格率提高8%，每年節(jié)約成本（萬元）=10000 t×8%×1800元/t=144 萬元；合計企業(yè)年經(jīng)濟效益增加（萬元）=39.9 萬元+144 萬元=183.9 萬元。

6 發(fā)展趨勢

熱處理的效果將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。隨著工業(yè)的發(fā)展，人們對產(chǎn)品的質(zhì)量提出了越來越高的要求。目前，雖然中國的熱處理生產(chǎn)技術(shù)也有了較大的進步，但生產(chǎn)整體技術(shù)水平還比較低，尤其是一些中小企業(yè)，對于工藝參數(shù)控制的精確程度較差，機械化自動化水平較低，熱處理工藝的制訂在很大程度上依賴現(xiàn)場工程技術(shù)人員的經(jīng)驗，不能對生產(chǎn)過程進行精確的定量預(yù)測，影響金屬產(chǎn)品的熱處理質(zhì)量。熱處理爐作為實現(xiàn)熱處理工藝的主要設(shè)備，提高其自動化操作水平及加熱控制水平已成為近年來熱處理爐改造的主要趨勢。

7 社會效益

隨著傳感技術(shù)與計算機技術(shù)的發(fā)展，熱處理工藝的智能化技術(shù)逐漸形成。如今作為能將普通知識轉(zhuǎn)化成現(xiàn)代生產(chǎn)力的強大工具的計算機，它的使用可擺脫以往主要憑經(jīng)驗進行生產(chǎn)的落后狀態(tài)，使其向預(yù)設(shè)工藝參數(shù)的方向發(fā)展；開發(fā)具有高度知識結(jié)合型的熱處理智能化技術(shù)的關(guān)鍵是對熱處理成熟的數(shù)學(xué)模型配合計算機的仿真模擬分析，并且熱處理智能化已是信息時代先進熱處理技術(shù)發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)之一。通過對不同材料熱處理工藝的智能仿真建立與實際更為接近的仿真數(shù)學(xué)模型，從而達到真實的仿真效果，為熱處理工藝制訂提供依據(jù)，進一步實現(xiàn)熱處理全過程的在線跟蹤和熱處理全過程的無人自動化操作。不僅提高了企業(yè)中厚板熱處理生產(chǎn)過程的生產(chǎn)效率，降低能耗，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，還為高附加值產(chǎn)品的品種開發(fā)奠定了堅實的基礎(chǔ)，社會效益顯著。