加热炉控温技术影响因素分析及改进

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　　摘  要：该文针对加热炉控温技术存在的问题，分别对温度场均匀性和热效率2个影响因素进行分析。具体因素有各区温升速率差异大、烧嘴燃烧不稳定、测量显示仪表损坏老化严重、导流箱体和喷流槽变形、密封损伤、炉体锈蚀、炉压控制不当、排烟温度、炉膛温度和烟气氧含量控制不当等。基于各因素提出了控制过剩空气系数、减少炉热损失、维修加热炉、增加控制手段、改进控制技术、优化控制参数和加强人员操作培训等措施。这些措施有效地提升了产品工艺性能。
　　关键词：加热炉;温度控制;影响因素;问题分析;改进措施
　　中图分类号：TQ223        文献标志码：A
　　0 引言
　　温度是工业对象中的一个重要的被控参数。由于炉子的种类不同，使用的燃料和加热方法也不同;由于工艺不同，所需要的温度高低不同，所采用的测温元件和测温方法也不同;产品工艺不同，控制温度的精度也不同，因而对数据采集的精度和所采用的控制方法也不同。
　　目前铝加工市场的竞争非常激烈，普通产品的盈利净值已不能满足企业生存及发展的需要，而生产高端铝板材对材料的性能要求极高，特别是一些深冲、均热复合等中高端产品，其中均热工艺是影响铝产品性能的重要条件之一。为了使我厂铝产品满足中高端铝产品性能，就必须对加热炉的温度均匀性进行精准控制，以达到产品工艺要求的设定值或允许的偏离值。
　　该厂共配备2台加热炉，每台的进出料设备配置了受料台、链式运输机、上料机、推料机、轨道桥、取料机、翻料机、液压站及料垫转移车（横向和纵向）为2台共用，其动作过程全部采用PLC自动控制。燃烧系统烧嘴及阀件、控制元器件均采用当前知名度高的进口产品，性能安全可靠。
　　用于热轧轧制前预热及加热保温的立推式铝板锭加热炉设备由苏州新长光热能科技有限公司制造。单炉装载量为500 t，采用大风量强制热风循环、喷流加热。每台加热炉有5个分区，可独立进行温度控制，每区另装备4个燃烧器，采用美国天时ECLIPSE集成式自身换热高速燃气烧嘴，具有热效率高、燃烧稳定和结构紧凑的优点。
　　加热或均热某种型号产品时，操作员可根据工艺员下发的工艺参数列表选取对应的工艺清单，并进行合理地调整优化，设定炉温炉气控制的期望值，确认无误后进行点火加热。
　　1 存在问题及影响因素分析
　　自投入使用以来，加热炉的温度控制一直不太理想。铝铸锭的加热质量直接关系到铝材产品的质量、产量、生产能耗以及机械设备寿命，温度控制问题解决后可以提高铝的塑性，降低热加工时的抗力，减少燃料消耗和氧化损耗。衡量加热质量、保证铝铸锭均匀加热的因素主要是炉膛温度场的均匀性和燃烧炉的热效率。
　　1.1 炉膛温度场的均匀性
　　温度场的不均匀性主要是由6点原因造成的。
　　1.1.1 各区温升速率差异较大
　　有的区在执行工藝后很快就能达到期望炉气温度，而有的区却要延迟一段时间。
　　1.1.2 烧嘴燃烧不稳定
　　对于性能要求较高的产品，烧嘴频繁熄火会使加热时长超出允许值，严重影响产品的质量，造成很大损失。此原因又可具体细化为3点。1）空燃比控制不准确，燃气和空气的混合比例调节不规范。在调节时，工作人员未使用工具仪表进行操作以达到最佳空燃比，而是通过个人主观感觉，目测燃烧火焰的焰色和强度进行调节，导致炉外调节好的小火火焰重新插入燃烧室内点火时，由于空燃比不合适，火焰强度达不到要求而熄灭。2）使用的天然气纯度低。天然气内部杂质含量和含水量较大，增大了点火难度;杂质也易堵塞燃气管路上的各组阀件，使燃气发生量减少，从而改变已经调整好的空燃比，不仅损害设备，影响产品质量，而且增加了空燃比的调整次数，加大了工作人员的劳动强度。3）燃气压力低于炉组所要求的供气压力值（不低于0.1 MPa）。虽然外部入厂进端的天然气压力值为0.1 MPa，但通过管道输送至设备点产生的损失、外部燃气压力本身的不稳定以及其他设备共同使用导致负荷加大气压降低，也会导致烧嘴频繁熄火。4）燃烧器从安装使用至今，未进行过维护及必要的更换。部分燃烧器已损坏较严重，前端凤翅和燃烧口发生脱落或变形。
　　1.1.3 热电偶及仪表损坏老化严重
　　其具体表现为2点。1）测量和显示控制的热电偶损坏或超过时效，测量精度降低，显示值不正确。2）热电偶质量较差，精度、材质达不到要求，出现测量误差。
　　1.1.4 热空气循环不均
　　导流箱体的导流板和喷流口因铸锭刮碰及热胀冷缩造成变形、扭曲、移位，热空气被循环风机强制循环，而不是通过导流箱体及导流槽、喷流口喷出到铸锭上，导致炉膛内热风循环分布不均匀，温度有所偏差，加热效果不理想，延长加热时间，增加燃料消耗。
　　1.1.5 加热炉长久失修
　　炉体因长期使用未进行维护和大修检查，部分炉体和内腔密封岩棉烧损严重，再加上长期的热胀冷缩及锈蚀等因素，造成靠近烧嘴燃烧口前端的内腔炉壁透火，局部温度过高;内部轨道立柱底部、炉体热涨接缝处及炉门边框衔接处透风，温度降低较快。炉腔内均匀分布的温度场产生变化波动，极大地影响了产品性能质量，给企业造成损失。
　　1.1.6 炉压控制不当
　　设计时，工程师只是通过炉气和铸锭温度来控制加热炉整个加热工艺过程，未考虑到炉压变化对加热系统和产品性能质量的影响，所以未安装炉压表，致使加热炉加热工艺控制系统存在缺陷，炉压运行情况处于不可控状态，炉压与排烟蝶阀的关系也无法控制。炉压对于铸锭的加热质量、加热时燃料消耗的影响较大。在正常情况下，加热炉进行铸锭加热工作时应处于微正压状态，炉压过大会造成热量从炉门及墙缝中溢出，造成燃料浪费，给企业造成严重的损失;而处于负压时会吸入冷风，使铸锭氧化烧损，降低炉内的热效率，使加热周期延长，超出工艺所允许的时间，并造成铸锭温度不均匀，产品性能改变。另外，炉压不稳定也不利于工艺的制定和执行。 　　1.2 燃烧炉热效率
　　除了以上几个因素外，加热炉的热效率也同样影响产品的性能质量、温度场分布和能源消耗。影响热效率的主要因素是排烟温度控制、炉膛温度控制和烟气氧含量控制。具体分析如下所述。
　　1.2.1 排烟温度控制
　　排烟热损失是加热炉的主要热损失之一，主要取决于排烟温度和排烟容积。排烟温度高，烟气带走的热量多，热损失就会增大，热效率降低，燃料消耗相应增大。而造成这个现象的原因主要有3点。1）使用的天然气含水量大，燃烧不完全，使得排烟容积增大。2）天然气和空气混合比例未调整到最佳状态，使燃烧室内的空气氧含量增多，促使烟气温度增高，加大了热效率损失的强度，促使排烟温度升高。相反，空气氧含量的减少，会使燃烧不完全，可能会造成二次燃烧，增加铸锭氧化烧损的概率。3）电动排烟蝶阀关闭不严或打开不到位，使逸散的热量随着烟气外溢，增加了烟气的排烟温度。
　　而排烟温度过低则会造成烟道破裂，存在温差处产生凝露回流，对产品造成不可估量的损失。因此，合理地排烟温度是决定加热工艺执行是否理想的关键指标之一，也是影响产品质量性能的关键指标之一。
　　1.2.2 炉膛温度控制
　　炉膛温度是加热炉的重要工艺操作指标，也是保证加热炉长期安全运行的指标之一。该温度是指烟气离开燃烧室的温度，代表炉膛内的烟气温度。依靠安装在炉膛内的多点热电偶，测量并控制炉膛温度。操作时，主要改变燃料在炉膛内的燃烧状况、烧嘴点火分布，合理控制燃料流量、空气量和压力来保持炉膛内的合适温度，确保燃料在炉膛内的充分燃烧，并将介质加热到指定温度。
　　1.2.3 烟气氧含量控制
　　烟气氧含量的高低直接影响到加热炉的热效率及安全平稳的运行。当烟气氧含量高时，热效率降低，使得铸锭表面易被氧化，从而影响产品质量性能;当烟气氧含量低时，容易造成不完全燃烧。如果过剩空气系数太小，燃料燃烧不完全，甚至会造成二次燃烧;如果过剩空气系数太大，进入炉膛内的空气太多，导致炉膛温度下降，造成循环的热风对铸锭传导热量的效果不好，影响到产品的最终质量性能。其中影响过剩空气系数的因素主要包括燃料性质、燃烧器的操作、空气量、烟道挡板的开度和炉体密封性等。
　　2 技术措施改进
　　经过分析以上的影响因素，可以针对性地从2个方面提高加热炉的加热质量和效率。
　　2.1 控制过剩空气系数
　　在装置负荷变化时，根据加热工艺控制好加热炉的排烟蝶阀开口度，并及时对电动执行器做出微量的调整，减少过剩空气系数。根据不同的负荷，及时调节助燃风机风门挡板、烟道挡板的开度，保证烧嘴燃烧完全、燃烧效果良好。
　　2.2 减少加热炉热损失
　　在加热过程中，根据负荷的变化，及时调整风门和烟道挡板，对烟气循环加热管路的封头和环流管路加大保温棉的覆盖厚度。经常观察炉内运行情况，及时做出调整，以减少加热炉的热量损失，确保燃烧状态良好。加强接缝、开合部位与外部环境衔接部位处的封堵和密封性。加热炉门框与炉体开合处更换新的密封盘根，减少炉门框与炉体贴合面的缝隙，减小冷风的吸入量和内部热量的逸散，防止炉内热效率的降低，对产品造成不良影响。
　　2.3 及时检查及维修加热炉
　　2.3.1 清理和更换燃烧器部件
　　逐个拆解烧嘴，清理内部积碳，消除阻塞;更换不合格的点火电极;修复燃烧棒前端脱落的风翅和燃烧口，对无法修复的进行更换。改善燃烧器燃烧状况，有利于保持火焰燃烧稳定，炉膛温度均匀，避免火焰偏烧或舔管。
　　2.3.2 修复炉膛内衬
　　在生产停工期间对炉膛内衬进行检修，将内壁因火焰调整不当造成烧透和开裂的地方进行焊接修补，消除影响加热炉温度场均匀性的缺陷。
　　2.3.3 修复矫正导流板和喷气口
　　修复导流槽和喷流口，将移位的导流箱体归位，矫正变形的导流板和喷流口，从而使循环的热风经过导流箱体喷射后不会使铸锭周围温度场产生偏差，保证其均匀性。
　　2.3.4 更换老旧热电偶和仪表并选择合适量程
　　及时更换不合格的热电偶和老化控制显示仪表，保证测量显示的准确性，避免因仪表器件误差造成损失。除此以外，温度测量的准确与否，不仅与选用的测温仪表的准确度等级有关，而且还与测量仪表量程范围有关。相同准确度等级，量程不同的测温仪表，它们可能产生的绝对误差是不同的。因此，在选用仪表量程时，同样准确度等级的仪表应尽量选用测量上限与被测温度相近的仪表，也就是说，在选用仪表时，尽量使它们工作在测量上限附近。
　　2.4 增加必要控制手段，改进控制技术
　　正确设计与选择加热炉的控温系统，是保证对加热炉控温准确度的关键。在控温系统中，因控制对象的特性和要求不同，控温方式、测温元件、测温仪表等条件也不同。
　　2.4.1 改进燃烧控制系统
　　将炉压传感器接入燃烧控制系统，参与加热炉整个加热工艺的控制过程，与控制炉气和料温的热电偶相辅相成，对加热炉的温度控制更加精准，让炉膛内的温度场的均匀性更好。
　　2.4.2 改进监控系统
　　外接热电偶进行监控，保证炉膛内每个分区的温度均匀性和铸锭温度达到预期，给温度控制提供了1个可以进行对比和参与控制的手段。
　　2.5 优化控制参数
　　2.5.1 优化加热工艺控制参数
　　改进加热燃烧控制系统的各项指标值，保证排烟温度、炉膛温度、烟气氧含量在可控范围之内，达到目标产品所要的期望值，保证最终产品的性能合格。
　　2.5.2 提高气源纯净度
　　调节天然气进端压力，清理气源管路及各部分的阀件，增加燃气过滤器和空气过滤器，提高气源的纯净度，保证燃烧系统运行的稳定性和可靠性。
　　2.5.3 调校空燃比
　　使用专业工具仪表调校燃气和空气的混合比例，以达到最佳燃烧效果。
　　2.6 加强人员操作培训
　　为了确保炉温的均匀性，对操作人员进行培训。采取手动控制方式进行补偿的方法，即在执行工艺时以铸锭温控为准，每位操作员要根据各区温度上升特点，与外接热电偶进行比对，及时对加热炉进行手动控制以满足工艺要求，确保铸锭温度不超温。
　　3 改進效果及结论
　　通过减少加热炉热损失，合理优化控制排烟温度、炉膛温度、烟气含氧量，做好炉体密封、燃烧器的操作与维护等措施来提高加热炉热效率，使各项运行参数指标趋向良好。
　　经过现场数据采集、分析，改善后的加热炉炉温整体均匀性比较稳定，目标铸锭在加热、均热过程中，物料温度可控制在±5℃范围之内，已具备对中高端铝产品进行加工的条件，能够达到产品所需的性能指标，有效地提高了产品质量，提高了资源利用率，降低了生产成本。
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