鞍钢2130mm连续退火炉控制功能简析

鞍钢2130mm连续退火炉控制功能简析

柳军¹，李义¹，廉法勇¹，王玉珠²，王海雷³

(1．鞍钢股份有限公司冷轧厂，辽宁鞍山114021；2．鞍钢集团设计研究院， 辽宁鞍山114021；3．鞍钢集团工程质量监督站，辽宁鞍山114021)

摘要：对鞍钢2130 mm连续退火炉控制系统进行了简要介绍，包括设备组成及各段控制技术等。分析了所采用的各项先进技术的特点，说明了各段控制功能，介绍了连续退火炉投产后取得的效果。

关键词：连续退火炉；控制功能；点火控制；燃烧控制；冷却控制

连续退火技术近年来发展迅速，由于其高效

多产，需要生产线高速稳定运行，所以对于控制系统要求相对较高。鞍钢冷轧厂2130 mm连退机组于2006年6月正式投产，引进DREVER公司先进技术，采用立式连续退火方式，设计产能为96万t／a，用于产品厚度为0．3～2．0 mm，宽度为1000～1980 mm的CQ、DQ—ULC(IF)、HSS、BH、DP和TRIP等多种材质钢板的退火。其中的连续退火炉由比利时DREVER公司设计，关键设备如炉辊、辐射管、控制系统、高温计、冷却风机等从国外引进，其它设备由国内配套生产。本文对退火炉各段控制技术进行简要论述。

1 连续退火炉工艺段组成及功能简介

鞍钢2130 mm连续退火炉各区域名称及主要设备见表1，连续退火炉设备构成及主要功能如下。

1．1连续退火炉设备构成

连续退火炉预热段由4台预热循环风机、1台废气排气风机和1对入口密封辊等设备组成；加热段由12个加热区组成，均热段由2个加热区组成，加热和均热段共拥有6台点火风机、14台助燃风机、6台排烟风机和384个烧嘴控制器。每个加热区由同样的加热助燃风机、主煤气开关阀、调解阀以及30～36个不等的烧嘴组成，其控制单元简称为Bcu。该：BCU控制点火煤气阀和混合煤气阀控制炉区燃烧情况。冷却段由缓冷段与快冷段组成，缓冷段有2台缓冷风机，每一组缓冷风机由换热器、风动翻板和变频风机组成；快冷段有6台快冷风机，每2台快冷风机组成1组，共3组，为对射式喷射风机，同时每个区的风箱各由电机带动进行移动；过时效段的主要设备是电阻带，通过控制器调节调功器来控制加热功率。终冷段由5台风机组成，各自组成一个分区，每个分区由边部挡板、风机和换热器组成。水淬槽由2台循环冷却水泵、1台蒸汽排气风机、1个进水电磁阀和1个液位检测单元组成。

1．2连续退火炉各段功能

1．2．1预热段功能

预热段是由加热段燃烧后产生的废气通过热交换装置加热氢氮混合保护气，保护气与钢板充分接触，吹掉带钢表面浮游杂质，同时起到加热钢板的作用。预热段出口的带钢温度可达120一150℃，同时大大降低了加热段第一个导辊与钢板之间的温差，有利于带钢的纠偏和能耗的再利用。

l．2．2加热段和均热段功能

加热段和均热段均为辐射管加热，保证在连续退火过程中钢板不被氧化。采用辐射管加热时，在退火炉瞬间停止操作期间，炉内温度相对于明火加热时均匀，保证了带钢在炉内不断带。

1．2．3冷却段功能

冷却段分为缓冷段和快冷段两部分。缓冷段可将带钢温度冷却到700℃以下，快冷段的风箱具有向钢板方向前后移动的功能，并且可以通人高含量氢气，相对提高了快冷段的冷却能力。快冷段冷却速率高于60℃／s，并将有均匀过渡温度的带钢送到过时效段。

缓冷段由2个区组成，快冷段由3个区组成，每个区设有1对朝向带钢的强力通风装置，强力通风装置到带钢的距离通过远程控制用齿轮电动机调节，以增加冷却能力。强力通风系统设有横向槽缝，经槽缝向带钢两面吹送冷却的氢氮混合气，将带钢冷却下来。

1．2．4过时效段功能

过时效段的功能是使钢中的碳以碳化物的形式析出，并在400～450℃范围内使带钢温度保持2 min，将碳移到粒子的周边，改善钢板性能。每个时效段采取电加热方式，以补偿热损失和保持温度。

1．2．5终冷段功能

终冷段由设有高喷射冷却器的通道组成。将带钢从过时效段后的温度冷却至进人水淬槽可接受的温度，通过氢氮混合气在带钢两个表面的冷却，将温度降下来。喷射冷却器按2个通道5个区被分开，每个通道设l台风机和一个水冷器。氢氮混合气经2个出口由冷却器抽出，并用气密性风机通过水冷器使其温度降低，然后再用强力通风装置的气密性风机鼓风，该强力通风装置对带钢进行冷却。

1．2．6水淬槽和干燥器功能

水淬槽的功能是将带钢冷却到光整机可以接受的温度。经过终冷段后，水在闭环循环的充满冷软水的水淬槽中冷却，从200℃降到40℃，实现有效的逆流式热交换。软水经2台水一水热交换器用2台泵循环，充水量由液位控制系统监视。钢板进入水槽后产生的蒸汽从水槽上面抽出后用离心风机排到厂房外面。此后，带钢经过3对由电动机驱动的挤干辊，最后通过集气管和蒸汽一空气热交换器进行干燥，集气管由高压风机提供热空气。

2连续退火炉控制功能简析

2130 mm连续退火炉的主要控制功能包括点火控制、温度控制、燃烧控制、安全控制、炉辊凸度控制、冷却控制及吹扫控制等，各部分功能简析如下。

2．1 点火控制

每个烧嘴设置有自动操作的预混合式辅助烧嘴，辅助烧嘴设有火花点燃器和电离杆，经各自的HT。变压器和电子控制系统监视火焰。当烧嘴点火时，HT的另一端经状态开关接地后，电离杆对烧嘴进行打火，并将点火煤气阀打开。经过设定时间后状态开关返回检测位置，经电离杆对烧嘴火焰进行检测，当检测到火焰后，打开煤气主阀进行正常燃烧。在主煤气管道和辅助煤气供气管道上，每个燃烧器还设有自动断流阀，当出现火焰事故时能独立切断气源，并且不会影响到其它烧嘴。用电子控制箱监控完成全部点火程序、火焰监视和操作状态反馈，控制箱按区域分成组，机旁电气柜经自动一手动机旁选择按钮或远程控制开／关与炉子的控制系统连接。烧嘴点火控制系统示意图几凡图l。

2．2温度控制

2130 mm加热炉控制检测系统有其自身的特点，在炉区温度检测时不是简单的采用几个检测点相加的方式，而是采用了加权计算，将炉温实测值反馈回计算机经加权计算评估后再送人PID控制器。这种算法可在温度实际值中很好保留各个热电偶测量值的偏差分布性质，使反馈回的测量值更具科学性和准确性。

2．3燃烧控制

加热段和均热段均采用辐射管加热，燃气在辐射管内燃烧，产生的热量通过w形辐射管传到带钢表面。在炉子传动和操作侧均匀对称的分布有384个辐射管，每个辐射管由1个烧嘴控制器控制燃气流量，以控制温度。燃烧气体为混合煤气，助燃空气风机在炉子底部，空气过剩系数大于1，通过安装在炉上的热电偶检测炉温，实现炉温闭环控制。另有6个高温计分布在炉内，可检测钢板温度，反馈给炉温控制器，达到修正炉温的目的。燃烧控制系统示意图见图2。

2130 mm连续退火炉燃烧系统采用的是推拉式燃烧方式，燃烧空气经风机供给辐射管烧嘴，同时将废气经排烟风机通过预热换热器排到大气中。

利用加热室的2个热电偶监控与温度设定点有关的燃烧器控制区。采用自动控制方式时，温度设定点由数学模型确定，采用手动控制方式时，由操作员设定。正常操作条件下，温度设定采用2个热电偶的平均值。事故条件下，只用1个热电偶。每个区所要求的煤气流量的控制应由加热能力决定，再通过控制阀进行调节，同时调节空气阀，满足空燃比要求，以达到最佳燃烧比。

为了保证燃料充分燃烧和炉子废气安全排放，2130 mm连续退火炉采用了过氧燃烧交叉控制方式。从理论上讲，燃烧功率的大小与混和煤气的流量成正比，可以定义出混和煤气和燃烧空气所需要的流量。但是，由于所使用的助燃空气风机有功率上的限制，不可能无限制的增加助燃空气流量，因此为了保持过氧燃烧和严格的空燃比关系，引入了交叉控制，交叉控制系统示意图见图3。

当增加或减少区域负荷时，由于此交叉控制系统的存在，总能保证燃烧空气的流量变化在增加区域负荷时超前于混合煤气，在减少区域负荷时滞后于混合煤气，这样就保证了任意时刻的过氧燃烧，使可燃物燃烧充分。

如果某个燃烧器出事故，根据各控制箱发出的信号，断开来自受影响烧嘴的辅助和主煤气，事故情况由报警系统通知给操作员，燃烧控制系统调整空气流量并考虑其它烧嘴的流量。

2．4安全控制

2．4．1过加热监控

退火炉辐射管的设计温度为980℃，最高操作温度925℃，报警温度设定为950℃。

每个区设有1个调节热电偶和1个附加热电偶，用来监视过加热。如果其中任意一个发生过加热，则该区的煤气阀和燃烧空气调节器减少供气量，使温度保持在规定极限之内。

2．4．2煤气压力监控

每个线路的煤气管都配置与自动安全控制阀连接的压力开关，当该煤气超过压力(压力调节器偏离)或压力降低(管线泄漏)时，安全控制阀切断燃烧煤气流量。

2．4．3火焰监控

所有烧嘴都设有火焰电离监视系统，如果燃烧系统发生故障，该监视系统即断开辅助和主煤气。

2．4．4断电紧急控制

由于炉子的特殊性，废气排烟风机、密封辊装置和炉子导辊装置等设备都不允许断电，当这些设备的电源出现事故时，需要提供紧急电源。正常电源与紧急电源由MCC控制单元进行自动切换，并由控制系统自动触发，用紧急电源风机启动。

2．4．5断水紧急控制

当主给水出现事故时，必须保证提供1 h相当于50％正常流量的紧急给水，以保护炉辊等设柳军等：鞍钢2 130 mm连续退火炉控制功能简析备。如果不能保证提供急用水，必须预先准备好专门的急用给水。当出现冷却水停水事故时，必须马上投入水箱应急供水，直到供水系统恢复正常供水。

2．5炉辊凸度控制

在立式加热炉内，由于带钢在炉辊上行程较远，为保证带钢在炉内的稳定运行，各炉辊在加工时都有一定的原始凸度。炉辊凸度太大，钢板容易产生瓢曲；炉辊凸度太小，钢板容易产生跑偏。因此，炉辊设计对带钢是否发生瓢曲影响很大。选择合适的炉辊辊型，可以有效防止带钢瓢曲的发生。因此在2 130 mm连续退火炉中设计了热凸度风机，来给辊降低温度，改变炉辊凸度。此控制有数学模型和手动操作两种给定，由操作人员根据不同的板形自行进行选择。

在加热段初期，带钢温度低，不接触带钢的炉辊的端部受炉墙和辐射管辐射，加热温度高于与带钢接触的炉辊的中部温度，温度差将使炉辊沿长度上的凸度产生负凸度，会引起带钢跑偏。控制措施如图4所示。

该系统由炉辊室中的气体喷射设备组成，炉辊室将加热室的头两个上辊封住。炉辊室设有气体喷射冷却设备，在炉辊室里，强力通风装置室也用作偏转辊的热屏蔽。炉辊室配备有保护气体吸气口，保护气体由风机从吸气口抽出，经气体冷却器冷却后，从强力通风室下降到偏转辊，偏转辊的边缘由气体喷射冷却设备进行冷却。

在缓冷段初期，带钢温度高，不接触带钢的炉辊的端部受周围冷却条件的影响，温度低于与带钢接触的炉辊的中部温度，温度差将使炉辊沿长度的凸度产生正凸度，会引起带钢的热瓢曲。其控制措施是在炉辊两端设加热器和加热炉辊，辊子采用双锥度辊。

2．6带钢冷却控制

由于冷却速度高，鼓风力量强，所以要求快冷段的带钢张力大。为加速启动和防止操作过程中带钢在偏转辊两端冷却，在出人口和上辊设置有电加热元件，根据带钢材质、带钢目标温度和所在的区域，由离心风机调节循环的气体流量，以此控制缓冷和快冷过程。循环风机由变频电动机传动，缓冷部分和快冷部分在基础控制上基本相同，但由于快冷部分每个区是由2台风机进行同一位置的两面对吹，因此有必要对2台风机进行压力控制，以保证钢板在炉内不跑偏，或与快冷喷嘴擦刮损坏带钢，其主要控制方式是将上表面的风机压力实际测量值作为下表面的压力设定值，这样就可以避免由于2台风机的差异而造成钢板跑

偏。

2．7保护气吹扫控制

钢的热处理是在正压保护性气氛下进行，保护气氛为3％～5％氢气和平衡氮气组成的混合气体。氢气和氮气在自动混合站混合，通过氢气检测单元对在混合站混合后的氢氦混合气体进行监控，并通过调节阀调整氢气的流量，以匹配出要求的混合气源。混合后，氢氮混合气经控制工艺封闭罩内的配气控制系统喷射到炉内。

退火炉内还具有便于启动以及在事故情况下必备的吹扫能力。为确保操作员安全操作和为带钢处理提供良好的条件，连续监视进人炉内的保护气体流量及炉内压力，避免空气进人炉内。图5为吹扫控制系统示意图。

2．8电气控制系统

2130 mm连续退火炉工艺控制系统采用的是西门子：PCS7系统程序。由于：PCS7整合了S7、CFC、Wincc等主要程序，方便了程序之间的数据传送，使编程更加快捷。在编程中主要使用了CFC、SFC语言，其图形化结构使程序编制更加直观。另外，PCS7还采用了工厂模式编程结构，使功能结构采用数形结构管理，更加方便了编程和维护人员的应用。

3结语

2130 mm连续退火炉连续退火过程是根据规定的加热周期在不同炉段进行带钢加热和再冷却，该过程的效率取决于保持不同加热段温度和保持喷射冷却段的强力通风装置的压力，使它们保持在预定的范围内。为保证其控制的有效性，退火炉配备有高端控制系统和必要的检测分析仪表以及电动或气动执行机构。所采用的燃烧控 2 130 mm连续退火机组自投产以来，通过对控制系统参数和工艺参数的优化，目前已经完成包括DP、FRIP等高强钢在内的各种钢种的生产测试，各项工艺指标均达到设计水平。投产以来的运行实践证明，控制系统运行安全可靠，采用的技术先进，故障率低，充分满足了现场生产的需要，生产出的产品质量得到用户的肯定。制、冷却控制以及炉内各气氛控制，包括安全控制善项寂采，切实保证了整个退火炉系统的高精度、高质量和高效率。