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1、内蒙古科技大学过程控制课程设计说明书题 目：加热炉温度控制系统设计 学生姓名：学 号：专 业：班 级： 指导教师：目录前言2第一章 步进式加热炉概述31.1 步进式加热炉工艺流程31.1.1 步进式加热炉简介31.2 步进式加热炉的结构41.3 步进式加热炉工艺流程5第二章 步进式加热炉温度控制系统设计方案72.1 步进式加热炉控制要求72.1.1 步进式加热炉的主要性能参数72.1.2 被控参数选择72.1.3 控制参数选择72.2 总体设计方案72.3 系统方块图 92.4 本设计优缺点分析9第三章 仪表选型103.1 控制器的选择103.2 执行器的选择113.4 变送器的选择123.4
2、.1 温度变送器的选择123.4.2 流量变送器的选择13第四章 心得体会14参考文献15前言现代化工业生产对钢材需求量的日益增加，高炉、步进式加热炉在现代轧 钢厂、轧钢厂中发挥着越来越重要的作用。不同行业对钢材性能和结构需求均不 同，不同钢材必须通过热冷轧制，进而生产出不同的型号钢板，而在整个连续式 轧钢系统中，钢材加热是整个轧制过程的第一步，其加热出的钢材性能好坏直接 影响整个钢材的轧制效果，所以步进式加热炉对生产的重要性不言而喻。然而，钢坯加热炉是一个典型的复杂工业被控对象，它包括了热力学、化 学和物理学的多种过程，几乎具备了复杂工业系统的多变量、时变、非线性、强 耦合、大惯性和纯滞后等
3、所有特点。工艺过程的复杂性决定了加热炉控制的复杂 性，加热炉的过程控制不能只局限于加热炉燃烧过程本身，而应综合考虑从加热 到轧制的整个过程，这样才能达到节能与提高产品质量的目的。由于本次课程设计时间较短，所以这次设计只考虑炉膛温度的控制进而控制 钢坯的出炉温度，据了解钢坯出炉温度与多项工艺参数相关，且存在着不可测扰 动，因此精确数学模型难以建立。实际中，由于炉内气氛的温度与钢坯温度具有 一定的函数关系，因此常采用控制炉内气氛温度的方法来达到间接控制钢坯温度 的目的。同时，目前钢铁厂的工业炉消费大量的燃料，因此成为节能的一个重要 对象。为了有效利用能源，必须提高供加热炉的效率燃烧的被控变量主要是
4、给煤 气量、送风量和引风量。在影响加热炉的诸多因素中，空气和煤气的比例（空燃 比）是否合适，是关键因素，因此研究加热炉经济燃烧控制方法具有十分重要的 意义。第一章 步进式加热炉概述1.1 步进式加热炉工艺流程1.1.1 步进式加热炉简介1. 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。 图 1. 步进式加热炉2. 步进式加热炉的优点： .可以加热各种
5、形状相比的料坯，特别适合推送式炉不便加热的大板坯和异 型坯。 .生产能力大，炉底强度可以达到800-100kg/m2 h,与推送式炉相比，加热 等量的料坯，炉子长度可以缩短 10%-15%。 . 炉子长度不受推送比的限制，不会产生拱料、粘连现象。 . 炉子的灵活性大，在炉长不变的情况下，通过改变料坯之间的距离，就可 以改变炉内料块的数目，适应产量变化的需要。而且步进周期也是可调的，如果 加大每一周期前进的步距，就意味着料坯在炉内的时间缩短，从而可以适应不同 金属加热要求。 . 单面加热的步进式炉没有水管黑印，不需要均热床。两面加热的情况比较 复杂，对黑印的影响要看水管绝热良好与否而定。 . 由
6、于坯料不在炉底滑道上滑动，料坯的下面不会有划痕。推送式炉由于推 力震动，使滑道及绝热材料经常损坏，而步进式炉不需要这些维修费用。 轧机故障或停轧时，能踏步或将物料退出炉膛，以免料坯长期停留炉内造 成氧化和脱碳。 可以准确计算和控制加热时间，便于实现过程自动化。3. 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 步进式加热炉的结构1. 步进式加热炉结构图图 2. 步进式加热炉结构图2. 炉底结构：
7、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
8、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
9、。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 密封问题。目前有滑板式密封和水封两种密封形式，前者密封较差，水封密封较 好。1.3 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 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
10、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。I 图3.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
11、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。工艺流程如图图 4. 步进式加热炉工艺流程第二章 步进式加热炉温度控制系统设计方案2.1 步进式加热炉控制要求钢坯加热炉是一个典型的复杂工业被控对象，它包括了热力学、化学和物 理学的多种过程，几乎具备了复杂工业系统的多变量、时变、非线性、强耦合、 大惯性和纯滞后等所有特点。工艺过程的复杂性决定了加热炉控制
12、的复杂性，加 热炉的过程控制不能只局限于加热炉燃烧过程本身，而应综合考虑从加热到轧制 的整个过程，这样才能达到节能与提高产品质量的目的。2.1.1 步进式加热炉的主要性能参数炉膛温度、压力、煤气流量、烟气含氧量、空燃比、热空气温度。2.1.2 被控参数选择单回路控制系统选择被控参数时要遵循以下原则在条件许可的情况下首先 应尽量选择能直接反应控制目的的参数为被控参数其次要选择与控制目的有某 种单值对应关系的间接单数作为被控参数所选的被控参数必须有足够的变化灵 敏度。综合以上原则在本系统中选择物料的出口温度0作为被控参数。该参数 可直接反应控制目的。2.1.3 控制参数选择工业过程的输入变量有两类
13、控制变量和扰动变量。其中干扰时客观存在的它 是影响系统平稳操作的因素而操纵变量是克服干扰的影响使控制系统重新稳定 运行的因素。综合以上原则选择燃料的流量作为控制参数。2.2 总体设计方案由于钢坯加热炉通常采用煤气作为燃料，煤气的热值、含水量、含尘量以及 天气变化等因素都会使空燃比偏离最优值。空燃比过大，会导致热能的损失增大， 而且由于炉内气氛中含有过多的氧，进而造成钢坯严重烧损；空燃比过小，则会导致部分燃料不能充分燃烧，热效率降低，炉尾喷火并产生大量黑烟而污染环境 等问题。因此对空燃比进行准确控制具有重要的现实意义。空燃比控制是煤气流量与空气流量的协调控制，是实现炉温控制和经济燃 烧的手段。空
14、燃比控制系统从属于炉温控制回路，炉温调节器的输出作为煤气流 量或空气流量控制系统的设定值，是一个典型的串级控制回路。通过控制煤气与空气的空燃比即可有效的控制炉膛内部温度，同时可以节省 大量燃料从而减少环境污染。蒸汽压力调节器 PC 是串级控制系统的主调节器，其输出同时作为燃料流量 调节器和空气流量调节器的设定值，该系统中燃料量与空气量是同步变化的，燃 料量与空气量的比值通过两个副调节回路间接保证，空燃比由比值器K设定。蒸汽.串级比值控制系统流程由图可知温度调节器与双闭环比值控制系统组成了一个串级比值温度控制系统,结构上气、煤气流量控制回路是副回路，诵I回路在控制过程中起着甲路是主回路，图炉膛温
15、口粗调、快调作用，主回路用来完成、慢调、细调任务。主回路是一个定值控制系统即要求温 度无静差所以必须采用 PID 调节规律，副回路是一个随动系统同时副对象为流量控制所以 不可加入D型调节规律，因而可以采用P调节规律。2.3 系统方块图图 6 步进式加热炉控制系统方框图2.4 本设计优缺点分析优点：1. 本系统能改善对象的动态特性，提高系统的工作频率。2. 具有较强的抗干扰能力，能够迅速克服煤气、空气的流量变化而引起系统 的真当，有效的克服二次干扰。3. 对负荷变化具有一定的自适应能力，当温度发生改变是系统能够根据温度 的变化从而有效的调节煤气、空气的流量以适应负荷的变化。4. 使主副流量既能保持一定的比值关系，又能使总物料保持平稳，节约了大 量的燃料。缺点：1. 所需的仪表多，系统的投运和整定较为复杂2. 易产生共振3. 动态比值不能得到保证第三章 仪表选型3.1控制器的选择XM708P 系列仪表采用了多项国际先进技术，具备 100-240VAC 宽范围输 入的开关电源，输入采用数字校正及自校准技术，测量精确稳定，消除了温漂和 时漂引起的测量误差。仪表全面采用了表面贴装工艺，并采用了多重保护和隔离 设计，抗干扰能力强、可靠性高。 XM708 系列仪表都具有多类型
