退火炉自动测控系统设计毕业设计说明书1 精品.docx
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退火炉自动测控系统设计毕业设计说明书1精品
内蒙古科技大学
本科生毕业设计说明书(毕业论文)
题目:
退火炉自动测控系统设计
退火炉自动测控系统设计
摘要
本文是基于罩式退火炉的结构及退火原理而设计的一套罩式退火炉自动测控系统,主要包括炉膛温度控制、炉膛压力控制、燃料压力控制和冷却器排水温度控制。
罩式退火炉退火处理是冷轧带钢的一个重要环节,其作用是消除加工硬化的现象,使晶粒均匀和组织稳定,而罩式退火炉又有多种形式,本文只对目前常用的氮氢型保护气体单垛式紧卷罩式退火炉的自动测控系统进行说明。
从冷轧带钢退火工艺、罩式退火炉的工作原理、罩式退火炉的工艺参数到罩式退火炉的退火程序都作了详细的说明,并列举目前常用的控制系统作参考。
此次设计的测控系统主要用到DDZ-Ⅲ型仪表,本文用组态王设计了上位机监控程序,用CAD设计了罩式退火炉自动测控系统图,并对各个系统进行了详细介绍。
关键词:
罩式退火炉;自动测控系统;组态王;监控程序
AnnealingFurnaceAutomaticMonitoringand
ControlSystemDesign
Abstract
ThisarticleisbasedontheBell-typeannealingfurnaceandannealingthestructureofasetofprinciplesdesignedhood-typeannealingfurnaceautomaticmonitoringandcontrolsystem,includingthefurnacetemperaturecontrol,chamberpressurecontrol,fuelpressurecontrolanddrainagecoolertemperaturecontrol.
Bell-typeannealingfurnaceannealingofcoldrolledstripisanimportantlink,anditsroleistoeliminatethephenomenonofwork-hardening,sothatgrainuniformandorganizationalstability,andthehood-typeannealingfurnacehasmanyforms,thepaperonlyonthecurrentcommonN-protectionhydrogengas-tightsingle-stackhood-typeannealingfurnacevolumeofautomaticmonitoringandcontrolsystemdescription.Cold-rolledstripfromtheannealingprocess,Bell-typeannealingfurnaceoftheprincipleoftheBell-typeannealingfurnaceprocessparameterstothehood-typeannealingfurnaceannealingprocessisadetaileddescription,andcitedthecurrentcontrolsystemcommonlyusedforreference.ThedesignofthemonitoringandcontrolsystemismainlyusedDDZ-Ⅲ-typeinstruments,thepaperwasdesignedbyWangconfigurationPCmonitoringprogram,usingCADdesignoftheBell-typeannealingfurnaceautomaticmonitoringsystemmap,andthevarioussystemsforthedetailedbriefing.
Keywords:
Bell-typeannealingfurnace;Automaticcontrolsystem;KingView;Monitoringprogram
第一章引言
一.1冷轧窄带钢生产的重要地位
冷轧带钢广泛用于汽车制造、食品包装、家用电器、交通运输、农业机械、民用小五金、轻工、仪表、通讯和军事工业等各行各业,是非常重要的通用钢材。
据不完全统计,目前我国每年可生产冷轧宽带钢和窄带钢约400万t和100万t,在相当长一段时间内仍存在较大缺口,每年需花费大量外汇从国外进口冷轧带钢。
由此可知,发展冷轧窄带钢生产对于减小冷轧带钢的缺口、缓解供需矛盾、节约外汇和促进国民经济的发展等,都起着相当重要的作用。
建设宽带钢冷轧机需要资金多,建设周期长,还必须有充足的资源和技术力量等,比较困难。
相反,窄带钢冷轧机比较容易建设和掌握。
因此,近年来冷轧窄带钢生产在我国的中小城镇和边远地区发展很快。
显然,它对促进地方工业的发展和逐步缩小城乡差别与地域间经济发展水平的差距,具有重要作用。
尤其需要指出,有些品种和规格(如工具钢、弹簧钢和合金钢等)的冷轧带钢和精密机器制造、通讯、仪表与军事工业等特殊行业需要的极薄高精度、高强度带钢等,只能在冷轧窄带钢轧机上生产。
冷轧窄带钢轧机的这个作用,是宽带钢轧机所不能取代的。
因此,冷轧窄带钢生产在国民经济和军事工业发展中更具有特殊的意义。
一.2冷轧带钢退火的目的、原理、工艺制度
一.2.1冷轧带钢退火的目的
退火的目的一是消除冷轧带钢加工硬化、降低硬度、软化金属、恢复带钢的塑性变形能力,以便于进一步进行冷轧或其他加工;二是改善组织结构,产生所需要的晶粒大小和取向。
通过对温度、时间的控制使晶粒具有一定的大小和形状,从而改善钢的力学性能和物理性能。
一.2.2冷轧带钢退火的原理
所谓退火就是将钢加热到一定温度,并保持一定时间,而后缓慢冷却至室温的一种热处理方式。
在退火过程中将发生回复、再结晶及晶粒长大等结构上的变化。
从热力学角度看,退火就是提高金属材料内部组织和结构的热力学稳定性,从而保证所需求的性能指标。
一.2.3冷轧带钢卷退火工艺制度
冷轧带钢卷在保护气体中进行退火,不氧化,也不产生脱碳,称为光亮退火。
冷轧带钢卷退火工艺制度,主要根据退火钢种、化学成分、带钢尺寸、卷重以及产品质量技术要求等因素制定,当然也和使用的退火炉型和装备技术水平有着直接的关系。
冷轧带钢卷退火工艺制度还需根据多年生产实践以及各钢种工艺试验逐步修订,不断完善。
⑴加热速度的制定
加热速度的制定主要取决于钢种的导热系数。
钢种的化学成分中碳含量和合金元素含量对导热系数影响较大。
若碳含量高、合金含量高,则导热系数小,加热速度应慢些,以避免内外温差过大造成组织和性能不均匀。
从室温到400℃,加热速度一般情况下是不控制的。
单垛式紧卷罩式炉是间歇式的退火方式,而加热罩是连续式作业,当一台炉加热罩保温结束后,加热罩立即吊扣到另一台已经准备好的炉台上继续生产,这样即符合正常组织生产规律,也不浪费资源。
加热罩热状态下继续生产,炉内钢卷从室温升到400℃是很快的。
钢卷在400℃以前并没有发生再结晶,内部组织也无显著变化,加热速度的快慢对性能影响是不大的。
从400℃加热到保温温度,加热速度对带钢退火质量是有影响的。
对于氮氢型保护气体罩式炉,一般升温速度控制在30~50℃/h之间。
当然钢种不同、带钢宽度和厚度不同,加热速度也不同。
对于碳含量低、厚度≤1.2mm的带钢,容易出现带钢层间粘结缺陷,而不易出现性能不合格缺陷,可以适当提高加热速度;对于碳含量高、厚度≥1.2mm的带钢,不易出现带钢层间粘结缺陷,而容易出现性能不合格缺陷,可以适当降低加热速度。
⑵保温温度和保温时间的制定
碳钢再结晶开始温度为450~500℃。
再结晶温度与带钢内部组织状态有直接关系。
例如,在轧制过程中冷加工变形量越大,晶格歪扭和晶粒被拉长的现象越严重,带钢内部储存的内能也越大,在较低的温度就能进行再结晶。
与上述情况相反,就不易形成再结晶,必须在较高的温度下才能进行再结晶。
保温温度的选择范围也就是带钢再结晶的温度范围,主要根据钢种、带钢厚度、卷重以及产品要求而确定,同时还应考虑罩式炉内保护气体种类和炉台循环风机能力。
碳含量高、带钢厚度大以及卷重大时,加热时间需长些,保温时间也要长些。
氢气导热系数比氮气导热系数高出6倍多。
当保护气体含氢量高时,炉台循环风机能力大可提高保护气体循环量,提高加热能力,这样,加热时间可以短些,保温时间亦可适当短些。
⑶冷却速度和出炉温度的制定
根据多年生产实践和国内外关于冷轧带钢退火理论的论述,冷却速度一般情况下是不限制的,因为冷轧速度对一般钢种是不影响轧件性能的,而且加快冷却速度,可以提高退火能力。
但是,对于特殊要求的钢材,例如重深冲用汽车板,在500℃以上冷却时,速度太快会导致冲压性能变坏,因此采用不卸加热罩冷却到550~500℃。
出炉温度主要是以带钢卷出炉后与空气接触不产生氧化为依据来确定,同时应该考虑在冷却罩和分流快速冷却设备的作用下,出炉温度还有回升现象,从160℃减去回升温度值,即为出炉温度。
例如:
回升温度50℃,则出炉温度应该是110℃。
一.3研究罩式退火炉自动测控系统的意义
退火工艺在决定钢材的机械性能方面起着重要的作用。
在这一工艺中,高精度的仪表和控制装置是满足当今优质产品市场竞争需要的一种根本手段。
罩式退火炉在决定钢材质量上起着关键的作用,因此是先进过程控制系统的首选设备。
设计罩式退火炉自动测控系统的意义主要体现在以下几个方面:
⑴提高产品性能
产品性能的提高主要体现在钢材的机械性能,因钢种不同退火分初退火、中间退火和成品退火。
初退火主要是对45号钢以上和合金钢、高合金钢的热轧板卷。
因为这些钢强度高、硬度高,冷轧难以进行,所以要进行初退火,以降低硬度和消除硬化,为冷轧做好组织准备。
生产中优质高中碳钢的初退火一般采用不完全退火或再结晶退火。
中间退火目的是为了消除第一次冷轧的加工硬化、消除内应力、降低硬度、恢复塑性,以便继续进行冷轧。
中间退火一般采用再结晶退火。
除非特殊需要,一般尽量合理选用原料,不搞中间退火和二次轧制。
成品退火用于消除冷轧造成的内应力和加工硬化,使钢板具有标准所要求的力学性能、工艺性能及显微组织结构。
为达到这一目的,一般采用再结晶退火。
当生产50号钢,而又要求其组织为片状珠光体时,只能采用完全退火来达到这一要求。
根据钢种和性能要求也可进行其他相应的热处理。
⑵降低设备维护成本
通过设计罩式退火炉自动测控系统,可以实现罩式退火炉的自动控制,从而减少人为的操作。
如炉温的控制,能够使炉温按照设定的值进行调节,当高出炉温的高限时便会产生报警,既保证了产品的质量,也保证了炉体的安全。
⑶提高生产效率
设计一个好的罩式炉自动测控系统可以有效地提高生产效率,通过对燃料流量和空气流量的比值控制可以使燃料燃烧得充分,通过对温度的反馈将温度调节在允许的范围内,可以使罩式退火炉能够不间断地有效进行,既提高了生产效率,又能保证产品的质量合格。
一.4本文主要研究内容
针对罩式退火炉设计自动测控系统,在保证其能正常运行的情况下,还必须考虑系统的质量及运行成本。
主要研究内容可以概括如下:
⑴控制系统类型的确定
设计一个控制系统,首先必须得确定这个控制适用何种类型的控制系统,如炉温的控制最好采用串级控制系统,从两个位置采集过来的信号通过比较,从而可以对炉温进行更为准确的控制,使炉膛内部温差始终控制在一个允许的范围之内。
而炉膛压力控制采用单回路控制系统即可,利用炉膛压力反馈值去控制炉气排气阀的开度。
⑵控制规律的选择
过程工业中常见的被控参数有温度、压力、液位和流量。
工业用控制器常见的有开关控制器、比例控制器、比例积分控制器、比例微分控制器、比例积分微分控制器。
控制器控制规律的选择可以参照下面一些基本原则:
①对于不太重要的参数,例如中间储罐的液位、热量回收预热系统等,控制一般要求不太严格,可考虑比例控制,甚至采用开关控制;
②对于不太重要的参数,但是惯性较大,又不希望动态偏差较大,可考虑采用比例-微分控制器,但是对于系统噪声较大的参数,例如流量,则不能选用比例-微分控制器;
③对于比较重要的,控制精度要求比较高参数,可采用比例积分控制器;
④对于比较重要的,控制精度要求比较高,希望动态偏差较小,被控对象的时间滞后比较大的参数,应当采用比例积分微分控制器。
⑶控制器正反作用的选择
对于一个反馈控制系统来说,只有在负反馈的情况下,系统才是稳定的,为了保证能构成负反馈,系统开环总放大倍数必须为负值,而系统开环总放大倍数是系统中各个环节放大倍数的乘积。
这样,只要知道了对象、控制阀和测量变送装置放大倍数的正负,再根据开环总放大倍数必须为负的要求,就可以确定出控制器的正、反作用。
⑷控制系统的投运和整定
系统投运就是将系统由手动工作状态切换到自动工作状态。
这一过程是通过控制器上的手动-自动切换开关从手动位置切换到自动位置来完成的,但是这种切换必须保证无扰动地进行。
对于Ⅲ型仪表,由于它们有比较完善的自动跟踪和保持电路,可以保证不论偏差是否存在,随时都可以进行手动与自动切换而不会引起扰动。
系统整定就是对一个已经设计并安装就绪的控制系统,通过控制器参数(δ、TI、TD)的调整,使得系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。
第二章冷轧带钢退火工艺及设备
二.1冷轧带钢退火工艺及操作
冷连轧板带生产由于产品品种不同,其设备组成也不同,一般为酸洗机组、冷连轧或酸洗-冷连轧联合机组、退火机组(罩式退火炉、连续退火机组)、平整机、涂层或镀层机组(彩色涂层机组、热镀锌机组、电镀锌机组和电镀锡机组)、横剪切机组、纵剪切机组、重卷检查机组、压形机组以及包装机组等。
冷轧生产以热轧产品(主要是热轧板、卷)为原料,经酸洗去除其表面的氧化铁皮后通过冷轧机在常温下进行轧制。
为消除冷加工硬化现象,冷轧后的钢卷一般在罩式炉内进行再结晶退火,用平整机保持平整并提高其表面光洁度。
部分冷轧产品将在表面镀(涂)以金属镀层或非金属涂层,生产镀(涂)层带钢(钢板)。
作为冷轧原料的热轧板卷,经开卷机开卷后,送往盐酸连续酸洗机组进行酸洗以清除铁锈。
钢板酸洗后需经清水漂洗,以除去钢板表面上残留的酸液,有的还要进行碱洗。
在酸洗生产线产生盐酸酸洗废液和酸、碱废水。
酸洗后的钢板送冷轧机组进行连续轧制。
钢板在冷轧后要进行必要的热处理(如退火处理)。
板卷热处理一般采用罩式退火炉,并在其内罩通入保护气体(H2、N2等)。
冷轧过程中需要用乳化液或棕桐油做润滑、冷却剂(润滑轧辊及轧件等),因此产生废乳液和含乳化液及油的冷废水。
冷轧生产的板、卷还要进行平整机平整、检查涂油、卷取、打捆等,而后作为成品入库。
近来为节能高效,把无缺陷的热铸坯直送轧钢加热炉加热或直接轧制。
轧区的任务是把钢区来的铸坯轧制或用其他工艺生产各种成品钢材,主要是板(热轧板带、中厚板、冷轧板带、各类涂层镀层板等)、管(无缝钢管、电焊钢管、大口径钢管、各种异型钢管等)、型材(棒、线、重轨、H型钢等)和其他钢材(火车轮箍等)。
轧钢主要的自动控制系统有加热炉和退火炉自动控制系统,板带轧制的厚度、位置、张力、温度、板形自动控制系统,型钢轧制的微张力、级联速度及阻断、轧线速度设定自适应和活套自动控制系统。
其中的冷连轧包括退火炉的自动控制系统。
退火炉最常用的一般为连续退火炉和罩式退火炉。
图2.1是各种冷轧产品的工艺流程图,从图中可以看出,因钢种不同,工艺流程图也有所不同,如冷轧退火常见的普通深冲板从原料经过酸洗、冷轧、退火、平整、剪切等工序,而镀锌板则需要经过一个连续镀锌的工序。
图2.1各种冷轧产品的工艺流程图
二.2罩式退火炉
二.2.1单垛式紧卷罩式炉
单垛式紧卷罩式炉的规格是用炉型来表示的,炉型大小取决于装料的几何尺寸。
例如:
炉型为200/460型,200代表退火钢卷最大外径为200cm;460代表退火钢卷垛最大高度为460cm。
采用cm作为单位,是一种通常的表示方法。
为了提高退火能力,必须增加装炉量,装炉量大小取决于卷重和装料高度。
卷重与钢锭、连铸坯、初轧机、热连轧机以及冷轧机都有密切关系,也是体现近现代钢铁工业技术水平的综合标志。
目前我国主要大型钢铁公司冷轧钢卷最大外径有1800mm、1850mm、2000mm、2050mm、2500mm以及2550mm..钢卷垛最大高度有4200mm、4400mm、4600mm、4900mm以及5300mm。
炉型有180/420型、185/440型、200/460型、200/530型、205/490型、255/490型以及255/530型。
最大卷重有15t、19t、21t以及45t等。
单垛式罩式炉技术是伴随着冷轧技术的发展逐渐发展起来的。
50年代,单垛紧卷罩式炉加热罩采用高压喷射式煤气烧嘴单列径向布置,加热罩炉衬是轻质粘土砖砌筑。
炉台对于保护罩和加热罩均是砂封方式。
装有一般炉台循环风机。
就其烧嘴而言,烧嘴径向布置,对眷烧嘴部位的钢卷局部温度偏高,烧嘴与烧嘴之间部位的钢卷局部温度偏低,当燃烧室挡火板砖脱落的时候上述现象更为严重,同时严重烧损保护罩,降低了保护罩的使用寿命。
60年代,高压喷射式烧嘴为双列切向布置,并有平行或交错两种布置方式,通过生产实践认为双列烧嘴交错方式布置为好,并将下排烟方式改为上排烟方式。
这种罩式炉改善了温度的均匀性,但是,煤气和空气混合配比仍然不能控制,需进一步改进。
二.2.2单垛式紧卷罩式炉技术性能及设备构成
单垛式紧卷罩式炉由于退火钢种、炉型以及供应能源条件等原因,技术性能各有不同。
在这里以某冷轧厂热处理车间185/440型单垛式紧卷罩式炉为例进行叙述。
技术性能主要包括:
炉型:
185/440型单垛式紧卷罩式炉;
退火钢种:
碳素结构钢、优质碳素结构钢、深冲钢以及低合金钢;
用途:
在保护气体下进行再结晶光亮退火;
退火钢卷最大外径:
φ1850mm;
钢卷垛最大高度:
4400mm;
钢卷最大卷重:
15t;
最大装炉量:
60t;
最高退火温度:
750℃;
炉台小时能力:
1t/h;
加热罩小时能力:
2t/h;
燃料:
高焦炉混合煤气,高炉煤气体积:
焦炉煤气体积=7:
3;
燃料发热值:
7110kJ/m3;
烧嘴:
低压套管式烧嘴,两列交错切向布置;
烧嘴前煤气压力:
3000~3500Pa;
煤气最大消耗量:
370m3/h;
烧嘴前空气压力:
3000~3500Pa;
空气最大消耗量:
750m3/h(当α=1.2时);
空气预热温度:
250~300℃;
最大废气量:
1080m3/h;
保护气体成分:
2%~5%H2,其余N2;
保护气体质量:
露点-40℃,O2≤10ppm;
保护气体最大消耗量:
30m3/h;
炉台保护气体最大压力:
1200Pa;
炉台循环风机能力:
风量为20000~24000m3/h,风压为1200Pa;
冷却水供水温度:
≤20℃;
冷却水供水压力:
0.2~0.3Mpa;
分流快冷工艺冷却水排水温度:
≤42℃;
炉台冷却水用量:
3~5m3/h;
分流快冷工艺用水量:
20m3/h。
单垛式紧卷罩式退火炉设备设计一般应该考虑以下几个方面:
①为了使退火钢卷的力学性能均匀,必须均匀地、快速地对钢卷进行加热。
②为了提高生产能力,当钢卷垛中钢卷最冷点达到规定的退火温度后,必须迅速地冷却到出炉温度。
③退火过程中煤气、保护气体、冷却水以及电力等能源消耗应尽量少,从而降低退火产品成本。
④操作简单,安全生产。
⑤采用先进的计算机对退火工艺实现程序控制和监督。
单垛式紧卷罩式炉主要设备有:
加热罩、炉台、炉台循环风机、快速冷却设备、保护罩、对流板、钢卷吊钳、对流板吊具。
⑴加热罩
加热罩是单垛式紧卷罩式炉的主要设备。
加热罩主要几何尺寸是由最大外径和钢卷垛最大高度决定的。
加热罩在设计时应力求减轻重量,特别是当加热罩的重量已成为车间起重能力的决定因素时,就更应该考虑。
加热罩由钢结构的金属壳体、炉顶横梁、燃烧系统、排烟系统、空气预热器以及炉衬砌筑等组成。
⑵炉台
炉台是罩式炉的主体设备,从某种意义上讲,也可以说是罩式炉的永久性设备。
在设计罩式炉的时候,是以退火产量来计算炉台数量的,而后计算加热罩数量,一般情况下,加热罩数量与炉台数量相匹配时,加热罩数量应比炉台数量充裕。
在组织罩式炉生产的时候,应以不影响生产和浪费煤气为原则,加热结束的加热罩,必须立即扣到另一个准备生产的炉台上,一般情况下不允许热状态加热罩落地。
炉台要承受钢卷垛和保护罩的全部重量。
炉台应该具备承载能力、抵抗反复加热和冷却变形能力,并应具有不漏气、绝热性能好、蓄热量小以及结构简单等特点。
⑶炉台循环风机
炉台循环风机是罩式炉的重要设备,是在罩式炉正常退火生产过程中不可缺少的设备,它是决定罩式炉退火产品质量和产量的关键性设备。
炉台循环风机立式安装在炉台中心,保护罩内的保护气体进行强制循环,从加热开始直到冷却结束出炉,整个退火周期连续运转。
炉台循环风机属于无壳离心式风机,它的运转是从钢卷垛的内腔吸入保护气体,经过分流盘,沿着保护罩内壁上升被加热(冷却阶段时被冷却),然后保护气体经过对流板进入钢卷垛的内腔,此时以高速度冲刷钢卷端部,对钢卷进行加热(冷却阶段时进行冷却)。
经过对流板回到钢卷内腔的保护气体流回炉台循环风机入口处,这样形成连续不间断的循环保护气体气流。
使用炉台循环风机将会加速钢卷的加热和冷却、缩短退火周期、提高炉温均匀性。
炉台循环风机不启动的时候,炉内保护气体不能进行强制循环,加热时,其热量只能是利用钢卷外圈径向和保护罩壁之间的辐射热方式来传递,而钢卷层间纵向对流传热受到影响。
由于钢卷层间存在空气夹层,而空气的导热系数比退火钢卷的钢板导热系数小得多,这样径向加热速度远远低于轴向加热速度,所以不启动炉台循环风机时,钢卷加热或冷却速度十分缓慢。
炉台循环风机不启动时炉内保护气体不能进行强制循环,炉内上部温度高,底部温度低,钢卷垛外圈温度高,内圈温度低,产生了炉温不均匀。
如果启动炉台循环风机会改变这种炉温不均匀现象,所以说罩式炉退火质量好坏很大程度上是由炉台循环风机决定的。
⑷快速冷却设备
①快速冷却设备的作用及型式
在罩式炉冷却阶段使用快速冷却设备。
罩式炉整个退火周期中,冷却阶段占用时间较长,直接影响退火产量。
带有分流快速冷却设备的罩式炉冷却阶段占用时间和加热阶段占用时间一般情况下是各占一半。
如果没带有分流快速冷却设备,则罩式炉冷却阶段占用时间将大大超过加热阶段占用时间。
开始吊出加热罩时,炉内温度在700℃左右,这时与室温的温度梯度较大,炉温下降较快。
当炉温较低时,单靠自然散热冷却效率很低,严重影响退火能力。
在罩式炉整个退火过程中,加热时间进一步缩短还是有限度的,而冷却阶段采用快速冷却设备,对于缩短冷却时间,提高退火能力还是大有潜力的。
目前,快速冷却设备大多和冷却罩同时使用。
快速冷却设备可以为分流快速冷却设备和全流快速冷却设备两种。
炉内全流快速冷却设备结构紧凑、简单、造价低。
但因冷却器盘圆形管装在炉台分流盘中,加热阶段不能通入冷却水,只有在冷却阶段高温(500℃)通冷却水,这样对冷却器管的材质和形状等提出较高要求,而且冷却器的能力也受到限制,尤其在操作时必须认真遵守操作程序,以免发生爆炸事故。
某冷轧厂曾安装3台炉内全流
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