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鋼絲氫氣罩式退火爐退火工藝敘述

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0 引言

 

    鋼絲氫氣罩式退火爐具有生產效率高、退火產品質量優、介質和能量消耗低、減少環境汙染等優點,是改善和提高鋼絲產品質量的一種重要設備,罩式退火爐的自動控製係統是保證設備穩定運行的關鍵。丹陽嘉恒爐業自動設計和開發出了氫氣罩式退火爐的設備和控製係統,以退火過程數學模型為基礎,實現退火過程控製以及爐溫、爐壓、安全保護的控製。運行結果表明該自動控製係統運行安全可靠,生產率高,並且退火鋼絲產品的性能和質量有較大 的提高。

 

1 鋼絲氫氣罩式退火爐退火過程簡述

 

    罩式退火爐設備包括爐台、內罩、加熱罩和冷卻罩。其工藝過程如下:爐台裝料,放置內罩並手動壓緊內罩;檢驗氮氣和氫氣入口壓力確保係統安全;用抽真空方式置換內罩內空氣,使爐內氧含量減少到1%以下,為通入保護氣作好準備(在內罩外放置加熱罩,內罩和加熱罩之間為燃燒區間);用氮氣抽真空置換空氣完成後,再用保護氣置換氮氣,開始加熱點火,實現在全保護氣氛下的退火過程;退火過程的加熱段、均熱段,保護氣定時間吹掃;帶加熱罩冷卻、輻射冷卻;帶冷卻罩冷卻;用氮氣置換爐內保護氣;鋼絲出爐。

 

2 自動控製係統設計

 

    根據鋼絲氫氣罩式爐退火工藝的特點和退火過程自動控製的需要,氫氣罩式爐自動控製係統結構。

 

    控製係統由一套PLC控製2台罩式退火爐,采用丹陽嘉恒爐業有限公司的Profibus現場總線,包括S7-300控製器、分布式I/OET200和OP操作麵板。基礎控製單元(PLC)完成退火過程及監控的控製功能。操作麵板(OP)完成退火參數的設定、退火過程的監視及事件報警記錄的短時存儲功能。當上位監控計算機故障時,由基礎控製係統單獨完成爐台的退火操作並記錄相應退火過程數據。現場電氣櫃有溫度顯示和報警以及故障報警顯示功能。

 

    係統通信由兩級網絡組成。上位監控計算機和S7-300之間為Profubus-FMS協議,主控製站S7-300與遠程I/O之間為Profibus-DP協議,兩個控製器之間采用MPI協議通信。

 

    罩式退火爐退火車間通常由爐群組成,其公用介質係統由單獨控製單元完成控製功能,通過網絡與每個爐台控製單元通信來實現信息共享。

 

    控製係統采用了分散控製方案,提高了控製係統的可靠性和抗幹擾能力,同時又降低了造價,達到了合理配置的目的。分布式I/O由2個爐台閥站子站(ET200M,一個子站包括兩個爐台)和2個加熱罩子站(ET200M)組成。各類風機的控製功能在主PLC信號模板上實現。其特點如下:

①可靠性高

    信號線和功率線分開並走不同的管槽;分布式I/O就近處理信號,連接線短,引入的幹擾小;采用二線製儀表,減少了線路故障,提高了係統抗幹擾能力,使檢測數據更精確;卡件分散供電有效地減少了由電源故障引起的係統故障。

 

②係統擴展方便

    Profibus-DP子站可隨時從網絡中解除或掛入,而不影響係統的運行;因工藝改變而需增加的信息隻要接入附近分布式I/O櫃即可,安裝方便。

 

③具有明顯的經濟效益

    所有需進PLC的信號接至現場分布式I/O櫃即可,從分布式I/O櫃到PLC櫃隻需一根電源線和一根通信電纜,所需安裝材料及人力可大量減少。

 

3 控製功能

    控製係統接收來自上位監控計算機的設定退火曲線,完成退火全過程的自動控製,包括自動點火控製、燃燒過程控製、升溫速度和保溫過程、循壞風機的變頻控製、冷卻風機的運行、氮氣和保護氣控製吹掃、爐溫爐壓監測與控製、緊急吹掃控製、冷卻水係統監控和各種閥門操作。

 

按照工藝過程,該係統完成以下的任務:

①內罩設置的控製;

②進行閥站和爐台係統的密封性試驗;

③抽真空實現保護氣的置換過程;

④加熱罩的設置和點火,退火過程的加熱和均熱,以及爐台熱態密封試驗和冷卻過程控製;

⑤各種過程變量的監測,包括爐台溫度測量、冷卻水流量及溫度監測、內罩壓力監測、內罩壓力安全裝置監測、氮氣和氫氣流量監測等;

⑥在退火過程中各類故障的監測以及報警,並根據相應的情況給於特殊情況下的退火處理;

⑦和控製計算機的通信,接收來自控製計算機的離線數學模型的各類數據(包括退火時間、退火溫度、吹掃時間和吹掃量等各種設定值),並把過程監控狀態信息以及故障信息從PLC傳至控製計算機;

⑧用於測試和維護目的的手動運行功能。

 

4 係統重要控製策略及功能實現

4.1 抽真空過程

    為了滿足鋼絲退火係統快速、高效、穩定、可靠的生產工藝要求,在保護氣置換時采用抽真空的方式實現內罩內氣氛置換。通氫氣前進行兩次抽真空置換:首先,用抽真空方式置換內罩內空氣,為通入氫氣作好準備;再抽真空一次用氫氣置換氮氣。在滿足工藝要求的前提下使用最少量氫氣,達到經濟運行的效果。

 

4.2 內罩壓力自動調節

    為保持內罩壓力的穩定,在不同的退火階段采用不同的穩壓方式。退火加熱和均熱期間要進行保護氣吹掃,在保證鋼絲質量情況下使用最少流量的保護氣,以節約成本,而且爐內壓力必須保持穩定,據此,由電磁閥直接將內罩壓力控製在一定範圍內。退火冷卻過程中,采用補氣方式實現內罩壓力的穩定。

 

4.3 退火過程溫度控製

    退火過程溫度控製按工藝過程分為三段:加熱段、均熱段和冷卻段。加熱段的燃燒控製采用連續量控製方式,用PID調節器來實現,由熱電偶采集到的溫度信號經過PLC的PID運算,輸出4~20mA的信號控製執行機構來調節閥門開度;均熱段采用脈衝燃燒控製來保證溫度的均衡性,使係統始終運行在最佳狀態,它具有動態性能好、溫度波動小、節約燃料等優點;在冷卻段,通過冷卻速度的計算,控製空氣電動調節閥的開度大小來控製退火冷卻過程。

 

4.4 循環風機的變頻控製

    在退火過程中,爐內氣氛隨工藝過程不同而不同。在不同介質和不同溫度情況下循環風機的轉速由日本富士變頻器實現變速控製。經過反複試驗和驗證,此變頻控製方式滿足退火過程的工藝要求。

 

4.5 數據處理中的抗幹擾

    工業現場環境中大功率風機等的變頻控製引起的電磁幹擾比較強,會導致測量信號的瞬時非真實波動,甚至可能是尖峰脈動,造成控製係統不穩定。所以有必要對工藝過程的測量信號進行抗幹擾處理。硬件方麵,采用抗幹擾的信號輸入模板,並使用抗幹擾的接線方式;控製軟件對采集來的實時信號進行超差信號的短時延遲處理以求最大限度地消除各種幹擾信號。

 

5 結束語

    鋼絲高氫罩式退火爐設備和控製係統於2003年6月投入使用以來,設備性能可靠,使用方便,運行穩定,控製效果好,取得了較好的經濟效益和社會效益,出爐鋼絲各項性能指標達到生產標準,滿足用戶要求。