3《辊底式热处理炉过程控制系统及应用》

收稿日期：2011-03-16
作者简介：唐郑磊（1985-），男，助理工程师，双学位，主要从事宽厚板方面的技术工作。

Process Controlling System and Its Application for Roller Hearth Heat -treating Furnace
TANG Zheng -lei ，ZHANG Hong -wei ，YANG Dong ，ZHU Cheng -jie
（Nanyang Hanye Special Steel Co.，Ltd.，Nanyang
474500，China ）
ABSTRACT ：The article analyzes comprehensively the process controlling distinguishing features of roller hearth heat -treating furnace of Nangang.Moreover on the basis of mathematical model of roller hearth furnace ，achieves computer optimal controlling of roller hearth heat -treating furnace.The online optimal controlling of roller hearth heat -treating furnace can achieve real-time tracking of plate position inner furnace ，dynamic calculation of the temperature ，the best temperature optimization and online feedback correction ，plate loading and unloading online correction and other functions ，finally realizes the computer controlling system network in the whole line.
KEY WORDS ：roller hearth heat-treating furnace ；process controlling ；mathematical model ；optimal controlling
摘
要：以南钢辊底式热处理炉为研究对象，全面分析了其过程控制特点。

并以辊底式热处理炉数学模
型为基础，实现了辊底式热处理炉的计算机优化控制。

该辊底式热处理在线优化控制可实现炉内钢板位置的实时跟踪、温度的动态计算、最佳炉温优化及在线反馈修正、钢板装出炉在线修正等功能，最终实现了全线计算机控制系统网络。

关键词：辊底式热处理炉；过程控制；数学模型；优化控制中图分类号：TF 806.4
文献标识码：A
文章编号：1005-6084（2011）03-0019-05
唐郑磊，张红伟，杨
东，朱承杰
（南阳汉冶特钢有限公司，河南
南阳
474500）
2011年6月Jun 2011
METAL MATERIALS AND METALLURGY ENGINEERING
辊底式热处理炉过程控制系统及应用
热处理工艺是中厚板生产的最后处理工序，热处理在这个过程中扮演着极其重要的角色，钢板的加热质量将直接影响产品的质量。

辊底式热处理炉由于其处理的钢材质量好，产量高，易于实现机械化、自动化操作而被广泛应用于冶金及机械行业生产中［1］。

辐射管加热辊底式热处理炉由于充入氮气做保护气，炉内保持无氧化气氛，使钢板不会被氧化，大大提高了钢板的加热质量［2］。

本文针对南阳汉冶特钢有限公司
已建成的采用辐射管加热的辊底式热处理炉进行研究，全面分析了其过程控制特点，并以辊底式热处理炉数学模型为基础，实现了辊底式热处理炉的计算机优化控制。

1
南阳汉冶特钢有限公司辊底式热处理炉
南阳汉冶特钢有限公司的辊底式热处理炉
用于钢板的淬火、正火（常化）、回火，正火﹢回火，退火等。

辊底式热处理炉炉子有效炉长为85800mm，炉膛内宽4100mm。

在炉子有效加热长度上分12个炉节，每个炉节分上、下温度控制段，全长有24个温度控制段（上12个，下12个）。

共有340个辐射管烧嘴。

采用脉冲燃烧控制自身预热式烧嘴进行炉温自动控制，根据设定的炉温，对燃气及空气量自动进行增减，以适应不同热处理制度的控制要求，满足不同品种所要求的工艺制度。

炉子装有143根炉辊，采用单独传动，交流变频调速。

炉辊传动分为三个速度区域：入炉区、中间区和出炉区（见图1）。

根据加热钢板的厚度可任意调整炉辊速度。

图1炉辊传动示意
辊底炉过程控制计算机系统的主要任务是按生产工艺要求，对辊底炉内的钢板进行合理的加热，准确控制钢板的出炉温度和均匀度，降低钢板的氧化烧损，在提高加热质量及产量的前提下节省能源，并对辊底炉区内的钢板进行跟踪和控制。

辊底炉过程控制计算机主要完成如下功能：钢板核对、钢板跟踪、实际数据处理、燃烧模型、炉温设定计算、操作和显示画面等。

2.1钢板核对
用辊底式热处理炉操作室HMI上显示的热处理计划数据和钢板PDI数据，与辊底式热处理炉区入口辊道上实测的钢板宽度和钢板长度等数据进行核对，判断钢板是否正确。

2.2钢板跟踪
对热处理炉区的钢板运行状况进行跟踪和控制。

它根据L1级计算机系统传来或操作员输入的钢板数据，结合热处理炉机械设备的动作情况，跟踪钢板在热处理炉区的位置并保留当前炉区所有钢板的分布图。

炉区物料跟踪是根据钢板在辊道上移动时冷热金属检测器、编码器产生的信号，或其他可用信号，及时正确地反映钢板的实际位置。

炉区的物料跟踪包括热处理炉的入口跟踪、炉内跟踪、出口跟踪。

2.2.1辊底炉入口侧钢板位置跟踪
从钢板被吊到对中辊道开始到钢板至钢板入炉结束，包括钢板的测宽测长。

当钢板进入热处理炉炉区时，系统根据上一级计算机传来的数据同实际检测的数据进行钢板数据的检验，同时对入炉钢板数据建立数据跟踪记录。

钢板通过装料炉门的冷热金属检测器时，由电气PLC 传来的检测器的接通（或断开）信号和运送钢板的辊道的旋转方向信号是钢板位置跟踪的依据，它允许正向和反向跟踪。

当钢板定位完毕，本入口跟踪记录完成。

2.2.2辊底炉内跟踪
炉内每一块钢板都有一个跟踪记录。

检测信号来自辊道编码器。

这些记录在计算机内以钢板的入炉顺序依次排列，中间不留空白，并随着钢板的向前移动而移动、随着相应钢板的入炉而出现，且随着相应钢板的出炉而删除。

2过程控制系统的特点及研究
21 2011年第3期唐郑磊等：辊底式热处理炉过程控制系统及应用
钢板每前进一个料位或后退一个料位，炉内跟踪将自动正向和反向跟踪。

在炉内长度方向上设若干HMD，对以上跟踪坯料进行修正。

2.2.3辊底式热处理炉出口侧钢板位置跟踪
从钢板出钢开始至钢板离开炉内辊道结束。

当钢板输送到炉内出料辊道上，热金属检测器接通（或断开）信号以及辊道的旋转方向是跟踪的依据，它允许正向和反向跟踪。

每次出炉热金属检测器接通，就进行炉内跟踪到出口跟踪的转换，由炉内跟踪记录编辑出口跟踪记录。

2.2.4跟踪修正
为了保持跟踪的正常，在某些情况下使用一些自动或手动的修正方法，包括钢板核对异常时的钢板吊销。

当钢板在辊道上进行钢板核对时，如果钢板实测长度与计算机中钢板长度之差超过允许范围值，或者钢板上的实际钢板号与计算机中的钢板号不一致时，由操作人员判断此钢板是否允许继续装入辊底式热处理炉。

如果不能装入辊底式热处理炉，进行“钢板吊销”操作。

2.2.5数据强制装入
当钢板已经被装入到辊底式热处理炉里，而数据还停留在炉前辊道时，需要进行“数据强制装入”操作。

2.2.6炉内位置的修正
在炉内长度方向上设若干HMD，利用炉内HMD接通，自动对炉内钢板的位置进行修正。

当误差大于设定值时，可以认为不是误差的累积，而是跟踪有误，因此不进行误差修正，而进行报警输出。

2.2.7数据强制抽出
当钢板已经从辊底式热处理炉到出炉辊道上，而数据还停留在辊底式热处理炉内时，需要进行“数据强制抽出”操作。

2.2.8跟踪位置修正
为使炉区钢板的实际位置与L2识别的位置相一致，操作人员人工修正L2识别的位置。

2.3实际数据处理
实际值数据来源于辊底式热处理炉入口辊道始至出炉之间的装置或仪表，具体包括：辊底式热处理炉装入钢板的长度测量值，辊底式热处理炉入炉钢板温度值，炉内实际值，实际的钢板宽度，休炉实绩。

2.4钢板温度计算的热工模型
热处理炉热工数学模型用于周期性地（如每分钟一次）计算炉内每一块钢板的温度分布，温度变化和特殊热焓。

钢板温度计算是通过一个二元有限差分模型进行在线计算的。

通过炉内热元件的热辐射、炉膛尺寸、炉内气氛、炉墙导热系数等基本参数，建立起本热交换模型。

根据系统中存储钢板的尺寸、材质、规格、钢板在炉内的位置，钢板的运行速度，同时考虑辊道的影响，对每一代表钢板沿长度方向上的纵向剖面进行网格结点的温度计算。

不同钢种的热工物理特性被作为温度功能，存储在系统内的钢种数据表中。

对于每一结点，在线模型都运用所要求的热物理特性的合适的插入值作为当前结点温度的计算。

根据热处理炉的设计，该模型根据当前钢板在炉内的位置动态地改变不同的观察因子。

重要的一点要注意系统内所有的热交换计算都使用同上所述的热工模块，包括设定值计算，热处理炉生产率计算和离线模拟应用。

2.4.1炉温设定值的计算
炉温设定值计算软件周期性地（如每一分钟）计算以确定热处理炉每个燃烧控制段的合适的温度设定值。

炉温设定值计算的目的是决定燃烧控制段的温度设定值，使控制段的每一块钢板到达其控制段末端时能被加热到理想的温度分布。

计算过程如下：
（1）获取热处理炉内工件当前的温度：当前的热工条件和由热工模型计算得到的钢板温度分布。

（2）预测热处理炉出钢节奏：这个功能是在完成一次出钢动作时开始执行，它根据前热处理炉实际出钢节奏来预测以后的热处理炉出钢节奏。

（3）预测钢板的在炉时间。

（4）预测钢板的出钢温度：采用钢板温度计算同样的热工模型进行预测计算。

（5）确定各燃烧控制段的炉温设定值：一个燃烧控制段的温度设定值要综合考虑这个段的炉温能影响到的所有钢板，要使这些钢板出炉时都能尽量达到理想的加热状况。

因此，根据燃烧控制段温度对每一块钢板影响力的不同，
对这些计算出来的炉温设定值进行加权计算，得出累计均方差最小的最佳温度设定值。

由于该设定温度是计算机根据实际的钢板精密计算而得出的，所以其较传统的人工根据经验设定温度要精确和合理得多。

（6）确定各燃烧控制段对每一块钢板加热最佳的炉温设定值：计算机里保存有每一种钢板在热处理炉内的最佳热处理曲线，把预测的钢板出钢时的加热状况与最佳升温曲线所要求的情况相比较，从而确定钢板能达到理想加热状况的炉温设定值。

（7）出钢允许判断。

综合考虑待出炉钢板的实测温度和计算温度是否符合出钢条件，符合要求时，允许出钢。

2.4.2热处理炉辊道速度设定
这个功能块通过确定热处理炉最大生产率来确定热处理炉设定值，除非该生产率将导致热质量干扰。

在下面两种情况下这个功能将起作用：当确定加热不足或加热工质量存在问题时；或者当由于热处理炉加热能力的限制而达不到要求的产量时。

在上述任一种情况下，此功能块都将计算出允许热处理炉传送钢板的速率。

2.4.3钢板出炉温度反馈控制
由设置在出炉侧炉内的红外测温装置测得待出炉钢板的表面温度，反馈给加热模型进行修正。

从而达到最佳的实际温度设定。

2.4.4离线模拟计算模型
本功能用来分析和建立钢板在热处理炉内的初始加热曲线。

离线计算使用与在线计算同样的热工模型计算程序。

它允许操作者输入不同的产品数据和热处理炉的热工条件来离线模拟计算钢板在这种情况下的加热状况，可通过模拟得出的加热曲线来判断这些虚拟的热工条件是否符合加热这种钢板的要求，经过这样反复的模拟能最终得到钢板理想的加热曲线。

离线模拟的结果保存在计算机里面，可以用作设定值的计算和钢板加热分析。

离线模拟在二级系统的发展，测试和调整过程的各个阶段是非常有用的工具。

它也使得二级系统具有很大的可调整性，在将来有可能用于新的钢种和尺寸。

2.5操作和显示画面
在辊底式热处理炉操作室和计算机房的终端上有表示生产所需要的各种显示画面和操作画面，便于操作员了解生产情况和进行有关操作。

系统设有操作终端作为人—机界面，供操作人员进行操作和监控，主要的操作画面如下。

2.5.1加热部分
（1）物料跟踪画面包括如下内容。

动态显示每块钢板在炉内的实际位置；相应钢板的材质、长度、厚度、宽度；相应钢板的入炉时间；相应钢板的预计在炉时间以及计划的出炉时间；加热状态显示；对应于本批号在线热处理钢板沿炉长方向，各供热区炉膛温度实际分布值；与之对应的各段炉膛温度设定值；与之对应的钢板计算温度实际值；与之对应的钢板理想加热温度值；加热状态的预测趋势显示；显示在当前的炉膛温度下，钢板到达出料端的出炉温度；操作模式／设定参数显示；显示加热方式的自动／手动状态；在自动方式下，显示各段炉膛温度的实际设定值；在手动状态下，显示各段炉膛温度的建议设定值；历史趋势显示；以曲线和表格的方式，显示上一个处理批号的钢板在炉内主要处理参数和最终处理结果。

（2）热态仿真显示。

显示在离线状态下，根据钢板的最终热处理要求，系统模拟计算出钢板在炉内的一条理想的（仿真的）加热曲线，以及各段的温度设定值，其作用是给操作人员在热处理工序开始时，提供一个初始的加热模式。

2.5.2冷却部分
自动控制系统的基本功能是，根据产品钢种、厚度、钢板温度以及由此钢种决定的工艺要求（冷却速度及终冷温度）作出以下决策和控制：辊道速度的计算及控制；钢板的头尾跟踪；对冷却集管的开启组数和各集管的流量进行控制；冷却区内上集管水量与下集管水量可根据钢板厚度、温度分别调整上、下水量比例；根据钢板在冷却区内位置开启后吹扫。

自动控制系统为二级计算机控制系统，由一级PLC控制器和二级快冷过程计算机组成，该计算机控制系统与辊底式热处理炉的计算机控制系统共用，单独设置控冷系统的HMI。

二级控冷过程计算机完成如下功能：数学模型计算；人机操作界面；与一级PLC的通讯；报表的输出。

一级PLC完成如下功能：过程的顺序
22金属材料与冶金工程Vol.39No.3
自动控制；钢板的位置跟踪；上下集管水量的调节；速度的设定与控制；钢板温度、水量、水温、水位等模拟量的检测；气动开闭阀的开启与关闭；后吹扫的开闭控制等。

2.6
HMI 画面设置
HMI 采用的是德国SIEMENS 西门子公司的WinCC 系统软件，L 1级的主要画面有：自动
控制画面、生产线总貌画面（Plate Overview ）、炉子总貌画面（Furnace Overview ）、装炉总貌画面（Charging Overview ）、热处理炉上料画面（Charging Sequence ）、装炉控制箱画面（Control
Desk Centering ）、热处理炉出料画面（Discharging Sequence ）、液压站控制箱画面（Control Desk Hydraulic Pumps ）、传动主画面（General ）、变
频器状态显示与切换（Driver -Status 1）、其它变频器状态显示（Other -Driver ）、其它辊道设备状态显示（Other Rollers ）、燃烧控制画面（Burner
Control ）、温度设定画面（Temperature ）、烧嘴
状态显示画面（Burners ）、氮气工作状态画面、助燃风机状态画面（Combustion Air ）、废气风机状态画面（Waste Air ）、冷却水工作状态画面（Cooling Water ）、参数输入画面（Parameter ）、趋势画面（Trend ）、燃气压力趋势画面、助燃空气压力趋势画面、各区炉温趋势画面（Trend
Furnace Temperature ）、安全连锁画面（Safty Chain ）、报警画面（Alarm ）。

通过各个分级系
统的可视化画面控制来达到全线计算机控制系统的网络（见图2）。

图2
全线计算机控制系统网络
南阳汉冶特钢有限公司辊底式热处理炉过程控制系统能够根据不同钢种需求，制定相应的加热规程，并将设定规程、实际设备参数及钢板信息实时显示到界面上，对热处理进行控制。

在此基础上，通过自学习计算提高模型自身精度，经实际生产检验，控制系统运行稳定，温度跟踪准确，各项性能指标已达到预期工艺设计要求。

特别是本项目所应用的辊底式热处理炉数学模型及其在线优化计算机控制系统为
国内外同类生产线提供了可供借鉴的成功案例，且本系统具有良好的适应能力，通过简单修改能应用到各热处理线上，可在大型钢铁厂中厚板生产中得到广泛应用。

参考文献：
［1］牛
珏，温
治，王俊升，等.紧凑式辊底式连续
热处理炉优化加热控制策略［J ］.仪器仪表学报，
2007，28（8）：1502-1507.
［2］邵正伟.国内中厚板热处理工艺与设备发展现状及
展望［J ］.山东冶金，2006，（3）：11-15.
3结语
23
2011年第3期唐郑磊等：辊底式热处理炉过程控制系统及应用。