U型不銹鋼管固熔處理設(shè)備改造

【摘要】固熔處理工藝在大型管式換熱器設(shè)備制造中是一項(xiàng)關(guān)鍵工藝，該工藝的難點(diǎn)是對(duì)溫度的控制，要求將奧氏不銹鋼U形管快速加熱到1050度左右保溫3-5秒，然后快速冷卻得到過飽和單相奧氏體組織。設(shè)備的控制系統(tǒng)基于西門子PLC S7-200、AL-B紅外線測(cè)溫儀和MCGS組態(tài)軟件，此控制系統(tǒng)確保了對(duì)溫度的控制和對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的保存查詢。

【關(guān)鍵詞】固熔處理；溫度控制；數(shù)據(jù)記錄

1.引言

西安核設(shè)備有限公司是中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)公司的大型專用設(shè)備研究、設(shè)計(jì)、制造企業(yè)。公司具備制造成套核電設(shè)備的技術(shù)和裝配能力。公司承接的重點(diǎn)核電設(shè)備有穩(wěn)壓器、換熱器、安全注射箱、硼酸注入箱、PMC系統(tǒng)機(jī)具設(shè)備等，其中安全注射箱、硼酸注入箱的換熱管對(duì)熱處理工藝有嚴(yán)格的要求，具體工藝要求如下：

先在管內(nèi)通入氬氣保護(hù)，氬氣的壓力為0.1MPa，然后在30-90S的時(shí)間內(nèi)將換熱管的溫度由室溫加熱到1050-1080oC，溫度差為±10oC，保溫時(shí)間（1-2分鐘）到達(dá)后通入壓力為0.4-0.8MPa的壓縮空氣，在60-90S時(shí)間內(nèi)冷卻至300oC以下。

2.設(shè)備的改造設(shè)計(jì)方案

我公司原有的熱處理設(shè)備控制系統(tǒng)為繼電器接觸器控制，無溫度測(cè)量以及自動(dòng)控制系統(tǒng)，無溫度曲線記錄。操作工根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行手動(dòng)控制，U形管固溶熱處理的質(zhì)量無法保證。為了保證公司的產(chǎn)品質(zhì)量，公司決心對(duì)固溶處理設(shè)備進(jìn)行更新改造。

市場(chǎng)調(diào)研以及方案的確定：經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)研，目前的加熱方式有三種：

（1）爐膛加熱：

爐膛加熱升溫降溫速度慢，而且熱效率低；

（2）感應(yīng)式加熱：

感應(yīng)式加熱升溫速率快但因大電流的趨膚效應(yīng)造成表面溫度偏高的現(xiàn)象；

（3）自身電阻加熱；

采用低電壓、大電流局部加熱可以滿足快速加熱、快速冷卻的要求，處理時(shí)間短， 快速節(jié)能。確定采用電阻加熱工藝，利用原有的一臺(tái)大電流變壓器，設(shè)計(jì)制造一臺(tái)新的固溶處理控制設(shè)備。

3.設(shè)備的控制系統(tǒng)描述

根據(jù)工藝要求，我們采用最新的控制技術(shù)進(jìn)行了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)有一臺(tái)琴鍵式操作控制臺(tái)，控制臺(tái)安裝有觸摸屏、西門子可編程控制器PLC、AL-B紅外線測(cè)溫系統(tǒng)、其它低壓電器元件、保護(hù)以及冷卻氣體回路等。

3.1 加熱溫度測(cè)量功能：

采用AL-B紅外線測(cè)溫儀來進(jìn)行溫度的測(cè)量，此測(cè)溫儀具有響應(yīng)快（10毫秒的響應(yīng)時(shí)間），測(cè)量精度高（±0.5%的重復(fù)測(cè)量精度）的特點(diǎn)，可用于400-1400溫度范圍的溫度測(cè)量。

3.2 參數(shù)設(shè)置以及溫度曲線記錄功能：

采用MCGS一體式10.4寸觸摸屏TPC1062k，通過MCGS組態(tài)軟件的開發(fā)可以實(shí)現(xiàn)用戶操作登陸管理、控制參數(shù)設(shè)置以及設(shè)備運(yùn)行狀況的監(jiān)控，可以實(shí)時(shí)觀察溫度的升溫曲線，設(shè)備的處理過程參數(shù)等，如設(shè)定溫度曲線、實(shí)時(shí)溫度曲線以及溫度記錄曲線等，根據(jù)工藝要求設(shè)計(jì)有以下控制界面：

（1）用戶管理界面：

進(jìn)行操作員的管理以及登陸。

3.3 溫度閉環(huán)控制：

采用紅外線測(cè)溫儀、希曼頓專業(yè)溫度控制儀FP93以及單相可控硅調(diào)功器組成溫度自動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)。溫度控制過程按照設(shè)定的參數(shù)曲線進(jìn)行升溫、保溫以及降溫。

3.4 工件加熱過程：

工件的加熱升溫按照設(shè)定的溫控曲線自動(dòng)控制，加熱時(shí)氬氣保護(hù)氣體自動(dòng)打開，在到達(dá)工件要求的溫度后保溫，保溫的時(shí)間在觸摸屏上也可設(shè)定，升溫結(jié)束后設(shè)備自動(dòng)降溫，降溫時(shí)冷卻空氣電磁閥自動(dòng)打開，加快冷卻速度。操作員每次只需操作啟動(dòng)按鈕，控制過程自動(dòng)完成。

3.5 氬氣保護(hù)功能：

為了防止加熱時(shí)管子內(nèi)表面的氧化，在加熱過程中氬氣保護(hù)氣體電磁閥自動(dòng)打開。

3.6 防止測(cè)溫故障產(chǎn)生過熱措施：

加熱溫度的控制主要依據(jù)測(cè)量溫度來控制，因?yàn)榧t外線測(cè)溫儀測(cè)溫點(diǎn)的瞄準(zhǔn)是影響測(cè)溫精度的一個(gè)重要因素，為了防止測(cè)溫點(diǎn)的瞄準(zhǔn)失誤造成過加熱，U形管局部溶化事故的發(fā)生，在軟件中設(shè)置有最長(zhǎng)加熱時(shí)間保護(hù)值的設(shè)定，到達(dá)設(shè)定的加熱時(shí)間，系統(tǒng)自動(dòng)停止加熱。

4.關(guān)鍵技術(shù)說明

快速升溫溫度的測(cè)量方式：經(jīng)過大量的市場(chǎng)調(diào)研、技術(shù)分析以及多次的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試選擇了AL-B紅外線測(cè)溫儀來進(jìn)行溫度的測(cè)量，此測(cè)溫儀具有響應(yīng)快（10毫秒的響應(yīng)時(shí)間），測(cè)量精度高（±0.5%的重復(fù)測(cè)量精度）的特點(diǎn)，可用于400-1400溫度范圍的溫度測(cè)量，關(guān)鍵是適應(yīng)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的使用，具有較高的性價(jià)比。

溫度的控制精度：采用電阻自身加熱方法升溫速度快，加熱慣性大，溫度控制容易造成超溫現(xiàn)象，溫度控制參數(shù)的調(diào)試以及優(yōu)化是控制的難點(diǎn)，經(jīng)過對(duì)不同管徑管材進(jìn)行固熔處理試驗(yàn)，積累了不同管材對(duì)應(yīng)的PID參數(shù)，建立了控制參數(shù)數(shù)據(jù)庫，在實(shí)際使用中通過選擇要處理的管材便可自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)的控制參數(shù)，即達(dá)到高精度的溫度控制，也便于操作人員的使用。

歷史數(shù)據(jù)的導(dǎo)出技術(shù)：組態(tài)軟件采用專用歷史數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)直接拷貝在其它的未安裝組態(tài)軟件的計(jì)算機(jī)上將無法打開，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)出編制專用的數(shù)據(jù)導(dǎo)出程序，并設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)導(dǎo)出界面，實(shí)現(xiàn)了將歷史數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Eexcel表格導(dǎo)出到U盤中，便于數(shù)據(jù)的保存以及查詢。

5.設(shè)備實(shí)際使用情況

設(shè)備自制造調(diào)試完成以來，進(jìn)行了近萬根U形管的固溶處理加工，經(jīng)過對(duì)試樣的物理性能檢驗(yàn)，證明該設(shè)備滿足固溶處理工藝的要求。

設(shè)備具有良好的操作界面，溫度曲線可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，溫度的控制精度達(dá)到了工藝要求，具有溫度曲線的查詢以及打印功能，滿足核電產(chǎn)品質(zhì)量文件要求。

6.結(jié)論

設(shè)備的控制系統(tǒng)采用可編程控制器、組態(tài)軟件和紅外測(cè)溫儀，可實(shí)現(xiàn)可靠的溫度控制。組態(tài)軟件的應(yīng)用使設(shè)備具有良好的操作界面，實(shí)現(xiàn)了良好的操控性及對(duì)數(shù)據(jù)的記錄查詢。該設(shè)備可滿足多規(guī)格U型不銹鋼管材固熔處理工藝技術(shù)要求。