箱式电阻炉及温控系统结构设计

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作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日1 绪论箱式电阻炉是工业生产中应用的利用电热效应产生的热量加热或熔化物料的设备，通常由炉体和配套的机电装置组成。

工业电阻炉种类繁多，应用广泛，按电热方式不同，可分为电阻炉、感应炉、电弧炉、等离子炉、电子束炉、介质（微波）加热设备等几大类。

而每一类还可根据加热方式、炉体结构特点、物料输送方式、操作方式、电源特点、加热用途、炉内气氛与介质的不同等等分成许多小类。

箱式电阻炉是利用电流通过电阻丝产生的热量来加热或熔化物料的一类电炉。

影响箱式电阻炉加工质量的一个重要因素就是电阻炉的温度控制的精度，所以，温度控制是箱式电阻炉设备的制造之中的重中之重。

1.1箱式电阻炉温度控制方法的应用现状当前，自动化装置己成为现代生产过程的重要组成部分，自动化装置是保证生产过程正常进行的重要因素和条件，生产过程自动化的程度己成为衡量工业企业现代化水平的一个重要标志。

电阻炉温度控制方法也不例外是一个自动化控制的方式，使电阻炉的温度控制精度更高，使热加工质量更好。

1.1.1箱式电阻炉控温系统的常规结构及方法目前，箱式工业电阻炉的自动化水平较低，在控制方法上很多还停留在简单控制水平上。

由于小型箱式电阻炉一般应用在实验或小容量用炉的场合，这种电阻炉在设计方面满足了惯性小、非线性弱的控制要求、同时在应用过程中的扰动也比较少、动态参数时变性不大、因此，PID控制器足以满足这种电阻炉控温系统的要求。

尤其工业发达国家生产的PID温度控制器，以及一些国内采用引进技术而生产的模拟PID控制器，都得到了广泛的应用[1]。

与小容量箱式电阻炉相比大容量工业电阻炉最大的特点是具有大惯性、大延迟，当出现超调严重时，有可能引起系统的不稳定，甚至超过安全线，从而危及设备与生产安全。

由于在生产中还要满足不同生产过程的要求，需要动态的改变炉内温度、加热试样的品种、及相应加热试样的速度等，这使得电阻炉对象参数扰动频繁，造成了大容量电阻炉控制的复杂性、困难性。

而常规PID控制对这种对象达不到理想的控制效果。

这就要求必须根据大容量电阻炉的结构及动态特性提出新的控制策略[2-3]。

在新兴工业电阻炉温控方法的研究方面，很多学者做了大量的研究。

例如各种模糊技术在电阻炉温度控制中的成功应用，及神经网络在对电的这种灵活性，使得它已成为当前解决复杂被控对象的优先选择[4-6]。

包钢无缝厂环形加热炉即采用了复合模糊控制与PID调节相结合方法，解决了加热炉燃烧热值波动、阀线性不好和大惯性的难题。

1.1.2箱式电阻炉应用特点随着电力工业的发展，箱式电阻炉得到了大规模的工业的应用。

在20世纪末，为适应工业(特别是材料工业)发展的需要，电阻炉又得到快速发展。

它除应用于材料工业外，还广泛应用于机械工业、化学工业、建筑工业、轻工业及实验室等，它之所以应用广泛是因为和燃烧炉相比，具有很多优点：1) 热效率高：电阻炉不需要燃烧烟气作传热介质，没有排除废气造成的热损失，空间热强度高，能达到很高温度;2) 产品质量好：炉内气氛洁净，炉温可以精确控制，温度场均匀稳定，可适应各种烧成制度的要求;3) 能在各种人工气氛中烧成：如在N2, Ar, H2等气氛中烧成制品;4) 设备简单，占地面积小，节省设备投资;5) 电阻炉洁净卫生，不污染环境;6) 电阻炉易于实现生产过程的机械化和自动化，劳动条件好，劳动生产率高。

同时与其他电炉相比，电阻炉具有发热部分简单，对炉料种类的限制少等特点它广泛应于机械零件的淬火、回火、退火、渗碳、氮化等热处理，也用于各种材料的加热、干燥、烧结、钎焊、熔化等，是发展最早、品种规格最多、需要量最大的一类电炉。

1.1.3箱式电阻炉种类及控制特性箱式电阻炉的类型很多，按其加热方式不同，可分为间接加热电阻炉和直接加热电阻炉两大类。

前者依靠电流通过炉内的电热体或导电液体产生热量，再经过一定的传热过程将热量传给被加热的物体。

目前绝大多数电阻炉属于这一类。

后者是电流接通被加热的物料，依靠物料本身的电阻发热(物料的电阻要大)。

1、直接加热电阻炉的控制特性直接加热电阻炉的工作原理示于图 1.1。

由于其导电触头和物料之间靠接触导电，因此又称为接触热。

图1.1 直接加热电阻炉工作示意图直接加热电阻炉在生产过程中有以下特点，因为在加热过程中电流直接从被加热的物料中通过，加热物料所需的热量产生于被加热的物料本身，所以与间接加热相比，在其他条件相同的情况下，加热速度很快，尤其在加热金属材料时，加热时间只有几十秒甚至几秒，因此生产过程中的惯性时间要比间接电热小的多。

而且材料内部的温差较小使得系统的稳定性也比较好。

所以，这种电阻炉的控制是相对比较容易实现的，通常采用模糊控制或PID控制。

2、间接加热电阻炉的控制特性间接加热电阻炉中，电流是通过炉内的专门电阻发热元件即电热体所产生的热量，借辐射、对流和导热，传递给被加热物料，这种炉子称为间接加热电阻炉。

间接加热电阻炉在用途及结构上种类繁多，但从炉子的电热体向被加热物料传热过程来讲，可分为三种基本类型，即辐射传热型、对流传热型和导热传热型。

它们的特点分别示于图1.2（a）辐射型 (b)对流型(c) 传导型图1.2 间接加热电阻炉的基本结构形式示意图图中1.2(a)所示的炉子，电热体直接安装在炉内。

电热体1的热量只靠辐射传热传给被加热的物料2;若炉子在一般大气压状态下工作，电热体对物料的传热，除辐射作用外，还有一部分靠自然对流传热。

两者的比例视炉子的温度而异，温度越高，辐射所起的作用越大。

对于这一类电阻炉，加热体通常采用加热棒或加热管等加热体，电流通过加热体时，电热体的温度迅速变化，从而将热量向周围以辐射和自然对流的方式传递。

从上述的这些传热特点，可看出这一类电阻炉炉内温度的分布是不均匀的，而且对象的稳定性能差;同时对试样的加热也往往具有大的热惯性;因此，实现试样的高精度控制，就必须解决对象的大惯性、非线性问题。

当采用单回路控制系统时，只需要一支热电偶放在加热试样附近，控制方法最好采用智能控制。

如果采用串级结构系统，则需要两热电偶分别放在加热体附近与试样附近，控制方法可采用PID控制或模糊控制。

在图1.2(b)属于对流型结构，其中电热体和被加热物料之间用罩子隔开，完全排除了电热体对物料进行直接辐射的可能性。

炉内的气体由于风机的作用而强烈循环，当气流冲刷电热体时，靠对流传热作用而被加热;然后气流又依靠对流传热作用将热量传给被加热体的物料。

这种电阻炉的体积通常较大，但因为有强制对流换热，电热体通电升温后，很快就可将热量以较大的换热系数传递给加热试样;虽然试样的温度与加热体有一定差值，但这种电阻炉的惯性时间不是很大，而且炉内的温度分布往往比较均匀，稳定性能比较好。

所以，这种电阻炉中热电偶位置的选择可以随意一些，而且采用单回路模糊控制或PID控制就可以满足控制要求。

图1.2(c)是传导型的结构，带有厚壁的耐火材料罩。

电热体的热量以传导的方式由罩子的外表面传到内表面，然后由罩子内表面以辐射和对流的方式传给被加热的物料。

对于这种类型的电阻炉，电热体热量传递到内表面需要一定时间:如果炉内的空间较大，且电阻炉的工作温度不是很高时，其自然对流换热与辐射换热的强度都不是很大，所以对这种电阻炉也具有大惯性的特点。

但这种电阻炉各点的热惯性差异不会太大。

因此，如果采用单回路的控制系统，则热电偶最好放在试样附近:如果由于生产要求，无法将热电偶放在试样附近，也可以放在贴近上壁面处，因为这里的温度变化比较小，但实际测量的温度并不是试样温度，所以应该根据经验对测量温度进行适当补偿，使其接近试样温度。

从上面叙述可知，间接式电阻炉当采用不同材料的电热体可在炉内达到不同的最高工作温度;采用不同的电热体安装和布置方式，可在炉内得到不同的温度分布以及做成各种形式的炉子。

而且，随着炉内换热方式与换热程度的不同，也使得电阻炉的动态特性有很大的不同。

因此，充分了解电阻炉的工作原理对于电阻炉控制的研究是非常必要的[20-25]。

1.2箱式电阻炉发展对控制的要求最近几年来，由于人类忽略了经济发展对自然生态的破坏作用，而一味追求工业的飞速发展与经济的繁荣，从而导致了空前的两大危机，即能源危机与环境污染。

随着社会的发展和人类社会的文明，人们对环境及能源问题的认识日益加深，因此已将环境保护作为我国的一项基本国策[26]。

现代工业是朝着节能与环保的大方向发展的，在这种趋势的推动下，燃烧炉已经退出历史的舞台，而电阻炉在这方面的优势，使得它在工业上得到了进一步的广泛应用。

因此，实现我国工业电阻炉的自动化，达到精确控制炉温，提高成品率，实现节能及减少污染，己成为近几年来热工与自动化专业人员的一项研究课题[27]新型工业箱式电阻炉研制的难度更大，控制要求水平更高。

而解决这类问题的重要途径之一就是将人工智能、控制理论和运筹学三者结合的智能控制。

这一方面已受到国内外控制界的极大重视，并已有在化工、热工和水泥工业中有成功应用的报导。

因此，作为从事热工自动化方向的科技工作者深入到智能控制的研究中是非常必要的。

1.3箱式电阻炉的设计箱式电阻炉的设计主要内容是围绕着解决具有大惯性动态特性对象的控制精度而展开的。