再加热炉步进梁机械系统改进设计

再加热炉步进梁机械系统改进设计

石小旭

中冶沈勘秦皇岛工程设计研究总院有限公司  河北省秦皇岛市066000  

摘要：随着钢铁行业的快速发展，步进梁式加热炉应用越来越广泛。本文以2250板带热轧厂加热炉项目为例，基于西门子S7-400监控软件，对步进梁式加热炉的运动控制系统进行改造升级，并利用STEP7编程软件进行了软件设计。加热炉实际运行结果表明，运动控制系统设计方案在提高效率和监控可靠性等方面均有改善。

关键词：步进梁式加热炉；运动控制；节能降耗

前言：工业加热炉按照进、出料方式的不同可分为推钢式加热炉和步进式加热炉。步进式加热炉是一种移送前进的连续加热炉，根据炉底结构的不同，又可分为步进底式炉和步进梁式炉。20世纪70年代以来，随着轧机的大型化，步进梁式炉得到了广泛应用。目前步进梁式加热炉已经成为国内建设最多，应用范围最广，技术含量最高的炉型。步进式加热炉是经过升级改进之后的连续式加热炉，其主要的组成部分包括炉底机械部件、炉壳、进出料系统、燃烧系统、控制系统、冷却系统等。步进式加热炉控制系统由燃烧控制及运动控制两部分构成，运动控制系统与燃烧控制系统既各自独立工作，又通过WinCC上位机产生必要的信号联络，协同控制整个生产过程。

1、步进式加热炉概述
    步进式加热炉分步进梁式和步进底式两种，是一种靠炉底或水冷金属梁的上升、前进、下降、返回等动作将工件由进料端移至出料端的连续加热炉。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。改进的步进式加热炉属于冶金行业生产设备，它包括炉体，炉体的侧墙由内向外分别是低水泥料层、隔热砖层、硅酸铝纤维毡隔热层，炉体分为预热段、加热段、均热段，加热段的两面侧墙上设置调焰烧嘴，均热段的上加热段设置平焰烧嘴，均热段的下加热段设置调焰烧嘴，调焰烧嘴的煤气和空气的混合气管道上设置电磁阀和调节阀，平焰烧嘴的煤气和空气的混合气管道上设置调节阀，空气总管道和煤气总管道设置在炉顶。步进式加热炉的工艺过程是从连铸机来的热坯（或库房的冷坯经上料辊道）、装料辊道、在装料辊道上对中、定位、装坯料入炉、加热、出坯，机械设备包括装出料炉门传动装置、装出钢机、炉底提升、平移机械、汽化冷却、风机传动等。
2、运动控制系统设计
　　2.1系统设计思想
　　步进梁式加热炉运动控制系统是指钢坯从进料炉门到出料炉门的运动过程实现的计算机自动控制，包括进料控制、炉内步进梁运动控制、出料控制。本文主要介绍以上内容的计算机监控系统的设计研发。本项目加热炉采用全液压驱动的步进梁机构，通过步进梁的行走来移送钢坯。步进梁相对于固定梁作上升、前进、下降、后退4个动作，这4个动作组成步进梁的1个运动周期，每完成1个周期，钢坯就从装料端向出料端前进1个行程，边前进、边加热，依次经过预热段、加热段和均热段，当钢坯达到所要求的温度范围且钢坯内外温度均匀后，即可出料。在充分考虑系统的可行性和经济性的基础上，按照工艺流程设计加热炉的运动控制系统，控制各种硬件设备相互协调工作，完成设计的生产目标。针对此项目设备多、控制复杂的特点，采用分层分布式设计模式，把控制系统分成监控管理层和现地控制层2个部分。监控管理层采用WinCC组态技术，负责集中监视和协调控制所有的工艺状况，并将主要的生产过程及参数进行显示、记录和分析，实现对加热炉的实时监控。现场控制层采用PROFIBUS-DP现场总线技术，以高性能PLC为控制核心，通过优化软件设计和控制策略，提高监控系统的可靠性。
　　2.2运动控制系统硬件设计
　　根据总体设计方案，硬件设计方面采用2条PROFIBUS-DP总线，PROFIBUS-DP（1）连接1个主站（S7-400）和3个ET200从站（远程I/O），PROFIBUS-DP（2）连接进料和出料辊道变频器。采用西门子PLC系统控制巨型步进梁设备，配置灵活，控制程序成熟且可方便快捷地在线进行修改。S7-400PLC采用模块化设计，适用于对可靠性要求极高的大型复杂控制系统，配合ET200M可实现分布式控制，能够实现本项目的控制要求。
　　2.3运动控制系统软件设计
　　加热炉运动控制系统的控制任务是确保钢坯在加热炉内的顺利传输，这就需要各种控制设备密切配合，严格按照时序动作。该系统是一个严格的顺序控制操作，应设置启动条件，如果前一步没有完成，则后面的操作将被闭锁，其后的流程便无法继续。本项目采用西门子S7-400PLC来实现其顺序控制功能，进料控制按照工艺流程分为：与上游铸钢区的信号联络、进料炉门控制、钢坯定位控制、推钢机动作控制和悬臂辊变频控制。钢坯定位控制是进料控制的核心，能使钢坯在炉内按工艺要求合理布置。本系统采用冷金属探测器和光电编码器分别检测钢坯位置及其移动速度，并通过MM440变频器来控制进料悬臂辊道速度，最后利用S7-400PLC实现了钢坯的准确定位。系統设置手动进料控制和自动进料控制，手动控制在控制室操作台上人工操作完成，自动控制通过调用程序来实现。允许进料条件为同时满足以下3个条件：①推钢机处于后退位；② 步进梁处于后下位；③ 无重大故障报警。信号联络从硬件上是通过一个DI信号（铸钢区发出的进料请求信号）和一个DO信号（加热炉发出的允许进料信号）实现的。

3、运行情况
　　3.1改造后的情况
　　本项目加热炉采用三加热段步进梁设计后，与传统的常规工业炉相比，具有以下优点。（1）钢坯在低温区域预热时，加热速度适中，温度应力小，当钢坯中心温度超过 600℃左右，钢坯进入塑性范围，此时加热速度明显加快，钢坯表面温度迅速上升到出炉所要求的温度，同时由于尽量减少了钢坯在高温区域停留的时间，钢坯的氧化烧损程度减到了最小，进入均热期后，钢坯的表面温度不再升高，中心温度逐渐上升，均热结束时，钢坯的断面温差达到轧制工艺要求，出炉进行轧制。这种加热方式既考虑了加热初期温度应力，又考虑了中期快速加热和最后温度的均匀性，兼顾了加热质量和产量两方面，已知最优的加热曲线之后，就可以利用热力学有关知识和加热炉各区段热平衡方程，从而可以求出各段的燃料供入量，提高加热炉的热能利用率。（2）炉温均匀、加热质量好。与改造前的烧嘴供热相比，蓄热式燃烧技术扩展了火焰燃烧区域，并且是从炉膛两侧交替供热、交替排烟，使得炉内各温度场分布均匀，平均温度也得到了提高，有效降低了钢坯“黑印”现象。（3）与改造之前的加热炉相比，改造后的加热炉不拱钢、不粘钢、加热过程中不划伤、加热时间短、控制系统可靠性大大提高。
　　3.2调试结果分析
　　步进梁式加热炉运动控制系统的调试实验主要包括各子系统的单独保护测试和跑偏测试。根据实验结果，系统运行到限位自动停止、异常情况自动停止等功能正常，系统运行平稳，各项指标均达到了设计要求。跑偏实验结果是测试系统性能的关键依据，它通过检测钢坯经过加热炉所有设备时，设计位置与实测位置之差，判断系统性能优劣。改造后的加热炉运动控制系统步进机构运行平稳，跑偏量等各项指标均达到要求，实现了设计目的。
结语：本文以热轧带钢加热炉改造项目为例，设计了三加热段步进梁式加热炉运动控制系统；然后着重从装料控制、炉内控制和出料控制3个方面研究分析了运动控制系统的控制原理和方法。加热炉实际运行情况和跑偏实验结果表明，改造后的加热炉在降低能耗和提高控制系统的可靠性方面有了明显改善，可为同类型设备的技术改造提供一些参考。
参考文献：
　　[1]王志亮.步进梁式加热炉电液比例控制可靠性研究[D].秦皇岛：燕山大学.
　　[2]张芳杰.基于西门子PCS7的加热炉炉温预测控制[D].包头：内蒙古科技大学.

[3]黄锡铁.蓄热式步进加热炉电气控制系统设计及应用研究[D].重庆大学.
  [4]潘刚.带钢厂步进加热炉控制系统的改造[D].内蒙古科技大学.