锻造加热炉方案

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控制结束
图 3-3 控制流程图
3.3 系统设计 锻造加热炉控制系统总体设计见图 3-4 所示。
变空燃比自寻优 系统
监测站
输入
输出
S7-300
压力 变送 器
流量 变送 器
温度 变送 器
压力 调节 执行 机构
流量 调节 执行 机构
温度 调节 执行 机构
烟道 氧气 检测 器
加热炉
图 3-4 加热炉计算机控制系统
310S+衬里
加热炉是锻钢生产企业中的主要耗能设备,尽量提高燃料利用率, 是节能降耗需解决的主要问题。计算机控制燃烧过程,就是在各种燃 烧工况条件下,找到合理的最佳空燃比,使燃烧处于较佳状态,从而 提高炉温控制精度,保证钢锭以较快的速度达到出钢温度,节约能源, 减少氧化烧损。 3.1 加热炉空燃比自寻优控制
加热炉的燃烧系统是个极其复杂的系统,而影响燃烧工况的参数 大多又存在纯滞后特性,这样就很难建立出准确的数学模型,为现代 控制理论的应用设置了障碍。目前,加热炉燃烧系统应用自寻最优控 制均假设控制量与控制目标函数之间为静态极值特性,采用静态搜索 法进行分析。但是,加热炉是一个存在显著动力学现象影响的热工对 象,在静态搜索过程中会产生振荡,有时甚至大幅度摆动,致使搜索 时间较长,搜索损失增大。图 3-1 热效率 ƞ 和空气过剩系数 a 的关系
图 2-1 天然气锻造炉
燃烧器 快速阀
快速阀
蓄热箱
工件
回烟管
燃烧器 快速阀
快速阀
小车
蓄热箱
图 2-2 天然气锻造加热炉炉膛结构 2.3 炉衬结构
锻造炉是周期性作业加热炉,工作温度为 1300℃。对炉衬材料 的耐火度和热震性能要求较高,采用砖体和浇注料虽能满足使用要求, 但在节能和使用寿命等方面达不到更好的效果。因此采用纤维制品制 作炉衬是合理的,但在纤维的选择上应该注意:①所选择纤维的品质 与使用温度的关系;②纤维制品对炉内气氛的敏感性。
温炉气大量溢出炉门,加长炉喉尺寸,此方案可延长炉门寿命,提高 热效率。
炉底面积的大小,主要决定于产量和配套锻压设备的生产能力, 尽量做到工件达到锻打要求后尽快出炉,缩短工件在炉内的滞留时 间,以免氧化和过烧 。
炉膛高度应考虑工件高度尺寸和烧嘴安装尺寸,应尽可能地降低 炉膛,以免温度分层。
天然气锻造加热炉示意图见图 2-1、炉膛结构示意图见图 2-2 所 示。
300~500 1350~1400 1200~1300
5000 5200 12(130kw)×10 2500 5200 3000 2100
2.2 炉膛结构 天然气锻造炉的炉膛采用圆柱球冠顶结构,此结构在相同的炉膛
容积下,可减少炉壁表面积,相应地减少了炉壁散热量而节能。热量 由炉内壁集中向中央辐射,炉内温度均匀,球冠半径为炉膛直径,此 结构有利于炉顶热量集中向炉底辐射,可提高热效率。炉子在使用时 膨胀应力均匀向四周发散,可减少膨胀裂纹的产生。为防止火焰和高
采用纤维制品制作炉衬,在选择合理的前提下,可达到提高炉衬 寿命,减少炉衬蓄、散热损失,节约能源的目的。考虑到绝热、抗冲 刷及制作成本等因素,采用复合结构,即在高温段和低温段所采用的 纤维品质不同。
采用复合模块组合结构,吊挂铆固技术。即在炉衬低温段平铺 1260 型硅酸铝纤维,作为绝热层,平铺结构纤维与受热面平行,导 热系数最小,有利于炉衬的绝热;在炉衬高温段叠铺进口纤维模块, 作为耐火层,叠铺结构纤维与受热面垂直,高温收缩小,耐高温和气 流冲刷性能好。因此,这种复合模块组合结构有利于提高炉衬的绝热 性能和气密性能,减少热短路,增加抗冲刷能力,降低施工周期,并 能有效地保证纤维与钢结构之间的连接强度,提高炉衬的使用寿命。 全纤维天然气锻造加热炉施工图片见图 2-3 所示。
定值,随着空气流量的增大,也即增大了燃料设定值,在燃料控制器
的作用下,使燃料流量随着空气流量增大之后增大,直到三量均衡,
测量值回到设定值。而当温度测量值高于设定值时,温度控制器的输

出开始减小,通过最小值选择模块选择最小值 X2 输出,作为燃料流
量控制器的设定值,在控制器的作用下,燃料流量就先开始减小,同
中频加热锻造炉广泛用于锻造加热主要用于棒料、圆钢,方钢, 钢板的透热,补温,兰淬下料在线加热,局部加热,金属材料在线锻 造(如齿轮、半轴连杆、轴承等精锻)、挤压、热轧、剪切前的加热、 喷涂加热、热装配以及金属材料整体的调质、退火、回火等。
中频感应加热具有加热速度快、氧化少、温度控制准确、生产条 件较好以及工作稳定可靠等诸多优点,在汽车锻件的大批量生产中得 到了广泛应用。
Kcal/m3 Kg/h
参数
8500 2000
燃料消耗量 助燃空气量 空气预热温度 加热炉最高温度 锻件出炉温度 烧嘴前天然气压力 空气压力 烧嘴能力 鼓风机风量 鼓风机风压 引风机风量 引风机风压
m3/h m3/h
℃ ℃ ℃ KPa KPa Kcal(KW) m3/h KPa m3/h KPa
110~130 1100~1300
天然气流量检测
天然气流 量控制
阀门
天然气流 量对象
空燃比模糊寻 寻优
空燃比最佳值
除法 模块
炉温设定 -
炉膛温度 控制器
炉温测量值
乘法 模块
Y
选择最小输出
X1
选择最大输出
X1
Y
空气流 量控制
阀门
空气流量检测
空气流 量对象
图 3-5 温度、空燃比燃烧控制图 稳定情况下,炉温被控制在设定值。当出现扰动,温度测量值低 于设定值时,温度控制器的输出开始增大,通过最大值选择模块选择 最大值输出,乘上空燃比,使空气流量控制器的给定值增大,在控制 器的作用下,空气流量就先开始增大,同时,在最小值选择模块的作 用下选择输出,除以空燃比,空气流量信号就变为相对燃料流量的设
曲线,在情况不变的条件下,由图可知 ƞ 和 a 之间是具有一个极值 点。
η η η
热效率
空气过剩系数
图 3-1 η 和 a 的关系曲线 加热炉是具有一定的时间常数和纯滞后的热工现象,采用静态寻 优会使系统的实际输出热效率产生延时,搜索过程出现摆动现象。为 此,采用空燃比的动态模糊自寻优控制,其动态模糊自寻优控制系统 如图 3-2 示 。
出于环保的考虑,空燃比的初值略大于最优值,以保证燃料充分 燃烧;由于频繁的变化阀门的开度,会让阀门的使用寿命缩短。所以 应该设定好空燃比的最大寻优次数为 3 次,这样寻优得到的空燃比优 化值即使不是最优值,但是相对于初始的设定值依然是一个次优值, 燃烧的状况较之初始空燃比时的燃烧状况一定是有所改善的。 3.4 温度控制系统
含高铝球
5
鼓风机 2JZ
5
9800
6
引风机 Y6-30
5 14000
7
高温快速阀
20 9500
8
低温快速阀
20 4500
9
管道、管件等
1P 50000
10
控制系统 HYRK-035
1 85000
11
电磁阀
20 3500
12
压力开关
40
800
13
燃气调节阀
10 4000
14
空气调节阀
10 12000
15
燃气球阀 Q41F-25P DN40
40
1450
16
点火电极
10 2450
17
火焰检测器 UV
10 4250
18
长明灯
10 5500
19
安装费用
20
税收
合计
49000 70000 190000 90000 50000 85000 70000 32000 40000 120000 58000 24500 42500 55000 35000 155000 1796000
成本为:
改造前:500 KWh×0.7 元/ KWh=350 元/t 改造后:35 KWh×0.7 元/ KWh+50 m3×4 元/ m3=225 元
改造后,能源成本降低 125 元/t,按照 1000KW 电磁感应炉计算,。
每小时可加热 2t 钢,按照每天工作 20h,年工作 300 天计算,则每年
但在局部加热管状有内孔的锻件时,会出现上下部温度不均的现 象,严重影响产品质量。而且,随着电费的升高,生产成本不断攀升, 锻造加热炉电耗为 500KWh/t。 2 天然气锻造加热炉的设计 2.1 天然气锻造加热炉技术参数
见表 2-1。
表 2-1 天然气锻造加热炉技术参数
名称
天然气热值 加热能力
单位
△t
△T
模糊自寻优 △

控制器
u
加热炉
图 3-2 空燃比的动态模糊自寻优控制 系统
3.2 锻钢加热炉空燃比控制系统的数据流图
煤气 空气
见图 3-3。
开始
计算机采集数 据 推算出最佳空燃比
增大或者减小
增 大 调节空气流量调节阀
减小 调节天然气流量
调节天然气控制阀
调节空气流量
检测烟道氧气 含量
达到最佳空燃比
锻造加热炉电改气
技术方案
中科院广州能源所节能环保技术中心 广州好易燃能源科技有限公司 二 0 一四年九月十二日
1 概述 十堰有很多中频锻造加热炉,因工厂规模较小,电费较高,为了
降低生产成本,拟将电炉改为天然气炉。 中频锻造加热炉是一种将工频 50HZ 交流电转变为中频(300HZ
~20KHZ)的电源装置,把三相工频交流电,整流后变成直流电,再 把直流电变为可调节的中频电流,供给由电容和感应线圈里流过的中 频交变电流,在感应圈中产生高密度的磁力线,并切割感应圈里盛放 的金属材料,在金属材料中产生很大的涡流。这种涡流同样具有中频 电流的一些性质,即金属自身的自由电子在有电阻的金属体里流动要 产生热量。
时,在最大值选择模块的作用下选择最大值 X1 输出,燃料流量信号
就变为相对空气流量的设定值,随着燃料流量的减小,也即减小了空
气设定值,在空气控制器的作用下,使空气流量随着燃料流量减小之
后减小,直到三量均衡,测量值回到设定值。
4 改造效果预测
经过改造后,锻造炉改为天然气炉,每吨锻钢件大约消耗天然气
50m3 左右,每吨锻钢件还要消耗电力 35KWh。那么,改造前后能源
根据目前国内纤维的使用情况,尽管纤维供应商对其生产的产品, 在使用参数上如何标识或是做如何的承诺和保证,最终经实际使用证 明,使用寿命都很短,其主要原因是产品不能满足使用温度的要求。 因此采用进口纤维制作炉衬,但需要考虑制作成本的问题。根据市场 调研,我们采用了 UNIFRAX 纤维折叠模块,使用温度为 1343℃,完 全能满足锻造加热炉 1300℃的炉温要求。
燃烧器A
燃烧器B
快速阀3
快速阀5
快速阀6
快速阀4
箱A
箱B
快速阀1 快速阀7
快速阀8
快速阀2
引风机
鼓风机
图 2-5 蓄热式燃烧器并联方式
当鼓风机将助燃风鼓入箱 A 时,快速阀 1、3、6、8 打开,2、4、 5、7 处于关闭状态。助燃风在蓄热箱 A 中吸收蓄热球热量从而升温 到比炉膛温度低 50℃进入燃烧器 A、B 助燃,高温烟气通过快速阀 6 进入蓄热箱 B 与蓄热球换热,通过快速阀 8 排出,排烟温度控制在 100℃左右。当蓄热箱 A 中蓄热球温度降低到一定程度后,快速阀 2、 4、5、7 打开,1、3、6、8 关闭,助燃风在蓄热箱 B 中与蓄热球换热 后进入燃烧器 A、B 助燃,烟气进入蓄热箱 A 与蓄热球换热后排出。 如此往复,燃烧器始终保持在燃烧状态,而 2 个蓄热箱交替换热。 3 控制系统
可节能能源费用 150 万元。
5 投资预算
序 号
项目名称及规格
1
炉体
2
传动系统
3
燃烧器
4
蓄热箱
数 单价 量 (元) 1 150000 1 80000 10 15000 10 25000
金额 (元) 150000 80000 150000 250000
备注
全纤维+310S 10 个小车+传动 制壳、打磨、吊抛
2.4 燃烧器设计
图 2-3 全纤维锻造加热炉
该锻造加热炉采用不换向式蓄热燃烧器,共 10 只燃烧枪交错分 布在加热炉两侧,见图 2-4 所示。
图 2-4 蓄热燃烧器安装布局图 每一对燃烧器共用一对蓄热箱,各配备 1 台鼓风机、1 台引风机 和 8 台快速阀,其中 4 台是耐高温快速阀。见图 2-5 所示。
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