燕山大学工学硕士学位论文
第2 章 步进式加热炉工艺和炉温控制原理
2.1 步进式加热炉工艺
步进式加热炉是机械化炉底加热炉中使用较为广泛的一种，是取代推钢式加热炉的主要炉型。70年代以来，国内外新建的许多大型加热炉大部分选用了步进式加热炉，还有一些中小型加热炉也运用此种炉。该炉底基本由活动部分和固定部分构成。按其构造不同又有步进梁式、步进底式和步进梁、底组合式加热炉之分。一般坯料断面大于（120×120）mm2多采用步进梁式加热炉，钢坯断面小于（100×100）mm2多采用步进底式加热炉[21]。
2.1.1 炉内坯料的运动
步进式加热炉主要是依靠其底部可动的步进梁作矩形轨迹的往返运动，坯料在固定梁上逐步地从进料端送到出料端，经过炉膛内不同的温度段后使坯料达到工艺要求的温度。图2.1所示为步进式加热炉内坯料运动的示意图。
步进式加热炉炉底由固定梁和移动梁两部分所组成。起先把料坯放到固定梁上，此时移动梁位于坯料下面的最低点1。开始动作时，移动梁便由1点垂直上升到2点的位置，在到达固定梁平面时把坯料托起，接着移动梁载着坯料沿水平方向移动一段距离从2点到3点，然后移动梁再垂直下降到4点的位置，当经过固定梁水平面时又把坯料放到固定梁上，这时坯料已经运动到一个新的位置，相当于在固定梁上移动了从2点到3点这样一段距离，最后移动梁再由4点退回到1点的位置。这样移动梁经过上升→前进→下降→后退四个动作完成一个周期，通过这样不断的循环方式使炉料一步步前进。移动梁往复一个周期所需要的时间和升降进退的距离，是按设计或操作规程的要求确定的。步进周期和行程可以根据坯料种类和断面尺寸确定坯料在炉内的加热时间进行调整。移动梁的运动是可逆的，当轧机故障要停炉检修，或因其他情况需要将坯料退出炉子时，移动梁可以逆向工作，把坯料由装料端退出炉外。移动梁还可以只作升降运动而没有前进或后退的动作，即在原地踏步，以此来延长坯料的加热时间。因此，步进式加热炉可以通过控制步进梁的运动灵活地控制坯料的加热。
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图2.1 步进式加热炉内坯料运动的示意图
2.1.2 步进式加热炉的炉底结构
炉底可分为活动部分和固定部分，它们可以是钢梁，也可以是耐火砖砌筑的实底炉。按照炉底构造和所用材质具体可划分为：（1）由耐热钢铸件组成的步进梁和固定梁；（2）由耐火材料覆盖的步进梁（也称步进床）；（3）水冷的步进梁和固定梁。（1）和（2）采用单面加热，（3）采用双面加热。 A耐热钢步进梁和固定梁炉底
一般采用耐高温的合金钢作为步进梁及固定梁的材质，如Cr30Nil4、Cr26Nil4等，适用炉膛温度为1 150～1200℃。这种步进炉的优点是重量轻，而且可以做成锯齿状，适用于钢管的加热。缺点是炉温受耐热钢材质的限制，此外，要求耐热钢质量好，在高温下要有足够长的使用寿命（1～2年甚至更高），因此，用这种耐热钢供给工业炉使用尚有一定困难。为了节省耐热钢，可以只在步进梁顶面上用一层耐热钢外壳，下面用耐热混凝土代替。目前，用耐热钢做步进梁和固定梁的炉子主要用在钢管热扩及张力减径前的加热，将步进梁和固定梁做成锯齿状，以便于钢管放置，同时步进梁和固定梁锯齿在安装时有意错开一定角度，使钢管在步进运动过程中可以转动一个角度，使钢管加热更均匀。
B耐火材料覆盖的步进梁炉底
在步进梁上覆盖足够厚度的耐火材料就有可能提高炉膛温度，最上层耐火材料必须耐高温，并具有足够的强度，尤其砌筑在步进梁两侧边缘上的耐火材料，为防止受振动后掉落，可采用大块耐火混凝土砌筑。炉底耐火材料下面需要铺一层绝热砖和石棉板，这种步进炉炉底绝热和砌筑质量很重要，否则炉底温度升高，钢梁会发生变形，甚至不能正常工作。设计良好的步进炉能保证炉底下面钢板温度在150℃
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以下。当炉膛较宽或加热坯料长度有变化时可采用两个步进梁，应该保证它们动作同步以防止坯料在炉膛中间歪斜。这种耐火材料覆盖的步进梁炉底的优点是炉温高，节省大量耐热钢，缺点是比较笨重[22]。
和推钢式加热炉相比，步进式加热炉具有以下优点：（1）可以加热各种形状的坯料，特别适合推钢式加热炉不便加热的大板坯和异型坯；（2）生产能力大，炉底强度可以达到800～1000kg·（m2·h），与推送式炉相比，加热等量的坯料炉子长度可以缩短10％～15％；（3）炉子长度不受推送比的限制，不会产生拱料、粘连现象；（4）炉子灵活性好，在炉长不变的情况下，通过改变坯料间距就可以改变炉内料块数量，以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，就意味着坯料在炉内的时间缩短，从而可以适应不同金属加热的要求；（5）单面加热的步进式炉没有水管黑印，不需要均热床，双面加热的情况比较复杂，对黑印的影响要看水管绝热情况而定；（6）由于坯料在固定梁上，坯料下面没有划痕。推送式炉由于推力振动，使滑道及绝热材料经常损坏，而步进式加热炉不需要这些维修费用；（7）轧机故障或停轧时，能踏步或将物料退出炉膛，避免坯料长期停留炉内造成氧化和脱碳；（8）可以准确计算和控制加热时间，便于实现过程自动化[23]。
2.2 加热炉炉温控制原理
在钢坯加热过程中，加热炉炉内各段的温度值及其均匀性是十分重要的工艺参数。加热炉通常采用轴流式燃烧供热方式。在加热炉的上部和下部各有若干个加热区段，各加热区段配置有烧嘴，燃料由调节阀门经烧嘴进入炉内进行燃烧。每个加热区段设有热电偶，用于测量炉内温度，温度实测值作为反馈信号，各加热区段的预期温度通过温度设定值进行设定及调节，对于采用集散控制系统进行控制的加热炉，温度设定及调节可以通过上位机进行，也可以通过各个加热区段的控制仪表进行。在加热炉中，每个加热区段的控制是类似的。
通过控制系统，操作人员可以对炉内各段温度进行设定，控制系统的调节器根据温度设定值和炉内温度实测值的偏差，控制调节阀门的开度，从而改变燃料流量，使炉内温度实际值趋于温度设定值。
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图2.2 加热炉炉温控制原理
在燃烧过程当中，投入加热炉的燃料必须与空气混合燃烧，因此，在向烧嘴输送燃料的同时，还要输送空气。能够使炉内的燃料充分燃烧，达到所要的热量，应使燃料流量和空气流量保持适当比例，过高或过低都会导致炉内的热量达不到标准量，引起温度波动，从而影响加热质量，还会造成燃料浪费和环境污染[24]。
系统中燃料流量用转子流量计进行测量，燃料流量实测值作为燃料流量反馈信号，空气流量用孔板进行测量，空气流量实测值作为空气流量反馈信号。温度调节器的输出并不直接控制燃料调节阀，而是作为燃料设定值，与燃料实测值进行对比后，利用偏差来控制燃料调节阀，使燃料流量控制在保持炉内温度所需的流量上。空燃比曲线是预先测定的燃料流量和空气流量的比例关系，在这个比例关系下，燃料可达到最佳燃烧效果，很少造成燃料浪费和环境污染。通过空燃比曲线将燃料设定值转换为空气设定值，它与空气实测值进行比较后，利用偏差来控制空气调节阀，使空气流量保持在最佳燃烧所需的流量上。应该注意的是，当加热炉的状态发生大的变化时(如大修或改造后)，应根据实际对空燃比曲线进行调整。
2.3 本章小结
本章主要通过分析加热炉温控制的原理，为后面对加热炉炉温折PLC控制提供理论支撑。
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第3章 加热炉炉温控制系统的方案设计
3.1 加热炉炉温控制系统的基本构成
加热炉温度控制系统基本结构如图3.1所示，它由PLC主控系统、PID控制器、加热炉、温度传感器等4部分组成[25][26][27]。
图3.1 加热炉温度控制系统基本组成
3.2 加热炉燃烧系统工艺流程
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基于PLC的加热炉炉温控制系统设计与应用
