加熱爐控溫技術影響因素分析及改進

朱洪杰

摘? 要：該文針對加熱爐控溫技術存在的問題，分別對溫度場均勻性和熱效率2個影響因素進行分析。具體因素有各區(qū)溫升速率差異大、燒嘴燃燒不穩(wěn)定、測量顯示儀表損壞老化嚴重、導流箱體和噴流槽變形、密封損傷、爐體銹蝕、爐壓控制不當、排煙溫度、爐膛溫度和煙氣氧含量控制不當?shù)取；诟饕蛩靥岢隽丝刂七^?？諝庀禂?shù)、減少爐熱損失、維修加熱爐、增加控制手段、改進控制技術、優(yōu)化控制參數(shù)和加強人員操作培訓等措施。這些措施有效地提升了產(chǎn)品工藝性能。

關鍵詞：加熱爐;溫度控制;影響因素;問題分析;改進措施

中圖分類號：TQ223? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

溫度是工業(yè)對象中的一個重要的被控參數(shù)。由于爐子的種類不同，使用的燃料和加熱方法也不同;由于工藝不同，所需要的溫度高低不同，所采用的測溫元件和測溫方法也不同;產(chǎn)品工藝不同，控制溫度的精度也不同，因而對數(shù)據(jù)采集的精度和所采用的控制方法也不同。

目前鋁加工市場的競爭非常激烈，普通產(chǎn)品的盈利凈值已不能滿足企業(yè)生存及發(fā)展的需要，而生產(chǎn)高端鋁板材對材料的性能要求極高，特別是一些深沖、均熱復合等中高端產(chǎn)品，其中均熱工藝是影響鋁產(chǎn)品性能的重要條件之一。為了使我廠鋁產(chǎn)品滿足中高端鋁產(chǎn)品性能，就必須對加熱爐的溫度均勻性進行精準控制，以達到產(chǎn)品工藝要求的設定值或允許的偏離值。

該廠共配備2臺加熱爐，每臺的進出料設備配置了受料臺、鏈式運輸機、上料機、推料機、軌道橋、取料機、翻料機、液壓站及料墊轉(zhuǎn)移車（橫向和縱向）為2臺共用，其動作過程全部采用PLC自動控制。燃燒系統(tǒng)燒嘴及閥件、控制元器件均采用當前知名度高的進口產(chǎn)品，性能安全可靠。

用于熱軋軋制前預熱及加熱保溫的立推式鋁板錠加熱爐設備由蘇州新長光熱能科技有限公司制造。單爐裝載量為500 t，采用大風量強制熱風循環(huán)、噴流加熱。每臺加熱爐有5個分區(qū)，可獨立進行溫度控制，每區(qū)另裝備4個燃燒器，采用美國天時ECLIPSE集成式自身換熱高速燃氣燒嘴，具有熱效率高、燃燒穩(wěn)定和結(jié)構緊湊的優(yōu)點。

加熱或均熱某種型號產(chǎn)品時，操作員可根據(jù)工藝員下發(fā)的工藝參數(shù)列表選取對應的工藝清單，并進行合理地調(diào)整優(yōu)化，設定爐溫爐氣控制的期望值，確認無誤后進行點火加熱。

1 存在問題及影響因素分析

自投入使用以來，加熱爐的溫度控制一直不太理想。鋁鑄錠的加熱質(zhì)量直接關系到鋁材產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量、生產(chǎn)能耗以及機械設備壽命，溫度控制問題解決后可以提高鋁的塑性，降低熱加工時的抗力，減少燃料消耗和氧化損耗。衡量加熱質(zhì)量、保證鋁鑄錠均勻加熱的因素主要是爐膛溫度場的均勻性和燃燒爐的熱效率。

1.1 爐膛溫度場的均勻性

溫度場的不均勻性主要是由6點原因造成的。

1.1.1 各區(qū)溫升速率差異較大

有的區(qū)在執(zhí)行工藝后很快就能達到期望爐氣溫度，而有的區(qū)卻要延遲一段時間。

1.1.2 燒嘴燃燒不穩(wěn)定

對于性能要求較高的產(chǎn)品，燒嘴頻繁熄火會使加熱時長超出允許值，嚴重影響產(chǎn)品的質(zhì)量，造成很大損失。此原因又可具體細化為3點。1）空燃比控制不準確，燃氣和空氣的混合比例調(diào)節(jié)不規(guī)范。在調(diào)節(jié)時，工作人員未使用工具儀表進行操作以達到最佳空燃比，而是通過個人主觀感覺，目測燃燒火焰的焰色和強度進行調(diào)節(jié)，導致爐外調(diào)節(jié)好的小火火焰重新插入燃燒室內(nèi)點火時，由于空燃比不合適，火焰強度達不到要求而熄滅。2）使用的天然氣純度低。天然氣內(nèi)部雜質(zhì)含量和含水量較大，增大了點火難度;雜質(zhì)也易堵塞燃氣管路上的各組閥件，使燃氣發(fā)生量減少，從而改變已經(jīng)調(diào)整好的空燃比，不僅損害設備，影響產(chǎn)品質(zhì)量，而且增加了空燃比的調(diào)整次數(shù)，加大了工作人員的勞動強度。3）燃氣壓力低于爐組所要求的供氣壓力值（不低于0.1 MPa）。雖然外部入廠進端的天然氣壓力值為0.1 MPa，但通過管道輸送至設備點產(chǎn)生的損失、外部燃氣壓力本身的不穩(wěn)定以及其他設備共同使用導致負荷加大氣壓降低，也會導致燒嘴頻繁熄火。4）燃燒器從安裝使用至今，未進行過維護及必要的更換。部分燃燒器已損壞較嚴重，前端鳳翅和燃燒口發(fā)生脫落或變形。

1.1.3 熱電偶及儀表損壞老化嚴重

其具體表現(xiàn)為2點。1）測量和顯示控制的熱電偶損壞或超過時效，測量精度降低，顯示值不正確。2）熱電偶質(zhì)量較差，精度、材質(zhì)達不到要求，出現(xiàn)測量誤差。

1.1.4 熱空氣循環(huán)不均

導流箱體的導流板和噴流口因鑄錠刮碰及熱脹冷縮造成變形、扭曲、移位，熱空氣被循環(huán)風機強制循環(huán)，而不是通過導流箱體及導流槽、噴流口噴出到鑄錠上，導致爐膛內(nèi)熱風循環(huán)分布不均勻，溫度有所偏差，加熱效果不理想，延長加熱時間，增加燃料消耗。

1.1.5 加熱爐長久失修

爐體因長期使用未進行維護和大修檢查，部分爐體和內(nèi)腔密封巖棉燒損嚴重，再加上長期的熱脹冷縮及銹蝕等因素，造成靠近燒嘴燃燒口前端的內(nèi)腔爐壁透火，局部溫度過高;內(nèi)部軌道立柱底部、爐體熱漲接縫處及爐門邊框銜接處透風，溫度降低較快。爐腔內(nèi)均勻分布的溫度場產(chǎn)生變化波動，極大地影響了產(chǎn)品性能質(zhì)量，給企業(yè)造成損失。

1.1.6 爐壓控制不當

設計時，工程師只是通過爐氣和鑄錠溫度來控制加熱爐整個加熱工藝過程，未考慮到爐壓變化對加熱系統(tǒng)和產(chǎn)品性能質(zhì)量的影響，所以未安裝爐壓表，致使加熱爐加熱工藝控制系統(tǒng)存在缺陷，爐壓運行情況處于不可控狀態(tài)，爐壓與排煙蝶閥的關系也無法控制。爐壓對于鑄錠的加熱質(zhì)量、加熱時燃料消耗的影響較大。在正常情況下，加熱爐進行鑄錠加熱工作時應處于微正壓狀態(tài)，爐壓過大會造成熱量從爐門及墻縫中溢出，造成燃料浪費，給企業(yè)造成嚴重的損失;而處于負壓時會吸入冷風，使鑄錠氧化燒損，降低爐內(nèi)的熱效率，使加熱周期延長，超出工藝所允許的時間，并造成鑄錠溫度不均勻，產(chǎn)品性能改變。另外，爐壓不穩(wěn)定也不利于工藝的制定和執(zhí)行。

1.2 燃燒爐熱效率

除了以上幾個因素外，加熱爐的熱效率也同樣影響產(chǎn)品的性能質(zhì)量、溫度場分布和能源消耗。影響熱效率的主要因素是排煙溫度控制、爐膛溫度控制和煙氣氧含量控制。具體分析如下所述。

1.2.1 排煙溫度控制

排煙熱損失是加熱爐的主要熱損失之一，主要取決于排煙溫度和排煙容積。排煙溫度高，煙氣帶走的熱量多，熱損失就會增大，熱效率降低，燃料消耗相應增大。而造成這個現(xiàn)象的原因主要有3點。1）使用的天然氣含水量大，燃燒不完全，使得排煙容積增大。2）天然氣和空氣混合比例未調(diào)整到最佳狀態(tài)，使燃燒室內(nèi)的空氣氧含量增多，促使煙氣溫度增高，加大了熱效率損失的強度，促使排煙溫度升高。相反，空氣氧含量的減少，會使燃燒不完全，可能會造成二次燃燒，增加鑄錠氧化燒損的概率。3）電動排煙蝶閥關閉不嚴或打開不到位，使逸散的熱量隨著煙氣外溢，增加了煙氣的排煙溫度。

而排煙溫度過低則會造成煙道破裂，存在溫差處產(chǎn)生凝露回流，對產(chǎn)品造成不可估量的損失。因此，合理地排煙溫度是決定加熱工藝執(zhí)行是否理想的關鍵指標之一，也是影響產(chǎn)品質(zhì)量性能的關鍵指標之一。

1.2.2 爐膛溫度控制

爐膛溫度是加熱爐的重要工藝操作指標，也是保證加熱爐長期安全運行的指標之一。該溫度是指煙氣離開燃燒室的溫度，代表爐膛內(nèi)的煙氣溫度。依靠安裝在爐膛內(nèi)的多點熱電偶，測量并控制爐膛溫度。操作時，主要改變?nèi)剂显跔t膛內(nèi)的燃燒狀況、燒嘴點火分布，合理控制燃料流量、空氣量和壓力來保持爐膛內(nèi)的合適溫度，確保燃料在爐膛內(nèi)的充分燃燒，并將介質(zhì)加熱到指定溫度。

1.2.3 煙氣氧含量控制

煙氣氧含量的高低直接影響到加熱爐的熱效率及安全平穩(wěn)的運行。當煙氣氧含量高時，熱效率降低，使得鑄錠表面易被氧化，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量性能;當煙氣氧含量低時，容易造成不完全燃燒。如果過?？諝庀禂?shù)太小，燃料燃燒不完全，甚至會造成二次燃燒;如果過剩空氣系數(shù)太大，進入爐膛內(nèi)的空氣太多，導致爐膛溫度下降，造成循環(huán)的熱風對鑄錠傳導熱量的效果不好，影響到產(chǎn)品的最終質(zhì)量性能。其中影響過?？諝庀禂?shù)的因素主要包括燃料性質(zhì)、燃燒器的操作、空氣量、煙道擋板的開度和爐體密封性等。

2 技術措施改進

經(jīng)過分析以上的影響因素，可以針對性地從2個方面提高加熱爐的加熱質(zhì)量和效率。

2.1 控制過?？諝庀禂?shù)

在裝置負荷變化時，根據(jù)加熱工藝控制好加熱爐的排煙蝶閥開口度，并及時對電動執(zhí)行器做出微量的調(diào)整，減少過剩空氣系數(shù)。根據(jù)不同的負荷，及時調(diào)節(jié)助燃風機風門擋板、煙道擋板的開度，保證燒嘴燃燒完全、燃燒效果良好。

2.2 減少加熱爐熱損失

在加熱過程中，根據(jù)負荷的變化，及時調(diào)整風門和煙道擋板，對煙氣循環(huán)加熱管路的封頭和環(huán)流管路加大保溫棉的覆蓋厚度。經(jīng)常觀察爐內(nèi)運行情況，及時做出調(diào)整，以減少加熱爐的熱量損失，確保燃燒狀態(tài)良好。加強接縫、開合部位與外部環(huán)境銜接部位處的封堵和密封性。加熱爐門框與爐體開合處更換新的密封盤根，減少爐門框與爐體貼合面的縫隙，減小冷風的吸入量和內(nèi)部熱量的逸散，防止爐內(nèi)熱效率的降低，對產(chǎn)品造成不良影響。

2.3 及時檢查及維修加熱爐

2.3.1 清理和更換燃燒器部件

逐個拆解燒嘴，清理內(nèi)部積碳，消除阻塞;更換不合格的點火電極;修復燃燒棒前端脫落的風翅和燃燒口，對無法修復的進行更換。改善燃燒器燃燒狀況，有利于保持火焰燃燒穩(wěn)定，爐膛溫度均勻，避免火焰偏燒或舔管。

2.3.2 修復爐膛內(nèi)襯

在生產(chǎn)停工期間對爐膛內(nèi)襯進行檢修，將內(nèi)壁因火焰調(diào)整不當造成燒透和開裂的地方進行焊接修補，消除影響加熱爐溫度場均勻性的缺陷。

2.3.3 修復矯正導流板和噴氣口

修復導流槽和噴流口，將移位的導流箱體歸位，矯正變形的導流板和噴流口，從而使循環(huán)的熱風經(jīng)過導流箱體噴射后不會使鑄錠周圍溫度場產(chǎn)生偏差，保證其均勻性。

2.3.4 更換老舊熱電偶和儀表并選擇合適量程

及時更換不合格的熱電偶和老化控制顯示儀表，保證測量顯示的準確性，避免因儀表器件誤差造成損失。除此以外，溫度測量的準確與否，不僅與選用的測溫儀表的準確度等級有關，而且還與測量儀表量程范圍有關。相同準確度等級，量程不同的測溫儀表，它們可能產(chǎn)生的絕對誤差是不同的。因此，在選用儀表量程時，同樣準確度等級的儀表應盡量選用測量上限與被測溫度相近的儀表，也就是說，在選用儀表時，盡量使它們工作在測量上限附近。

2.4 增加必要控制手段，改進控制技術

正確設計與選擇加熱爐的控溫系統(tǒng)，是保證對加熱爐控溫準確度的關鍵。在控溫系統(tǒng)中，因控制對象的特性和要求不同，控溫方式、測溫元件、測溫儀表等條件也不同。

2.4.1 改進燃燒控制系統(tǒng)

將爐壓傳感器接入燃燒控制系統(tǒng)，參與加熱爐整個加熱工藝的控制過程，與控制爐氣和料溫的熱電偶相輔相成，對加熱爐的溫度控制更加精準，讓爐膛內(nèi)的溫度場的均勻性更好。

2.4.2 改進監(jiān)控系統(tǒng)

外接熱電偶進行監(jiān)控，保證爐膛內(nèi)每個分區(qū)的溫度均勻性和鑄錠溫度達到預期，給溫度控制提供了1個可以進行對比和參與控制的手段。

2.5 優(yōu)化控制參數(shù)

2.5.1 優(yōu)化加熱工藝控制參數(shù)

改進加熱燃燒控制系統(tǒng)的各項指標值，保證排煙溫度、爐膛溫度、煙氣氧含量在可控范圍之內(nèi)，達到目標產(chǎn)品所要的期望值，保證最終產(chǎn)品的性能合格。

2.5.2 提高氣源純凈度

調(diào)節(jié)天然氣進端壓力，清理氣源管路及各部分的閥件，增加燃氣過濾器和空氣過濾器，提高氣源的純凈度，保證燃燒系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。

2.5.3 調(diào)校空燃比

使用專業(yè)工具儀表調(diào)校燃氣和空氣的混合比例，以達到最佳燃燒效果。

2.6 加強人員操作培訓

為了確保爐溫的均勻性，對操作人員進行培訓。采取手動控制方式進行補償?shù)姆椒ǎ丛趫?zhí)行工藝時以鑄錠溫控為準，每位操作員要根據(jù)各區(qū)溫度上升特點，與外接熱電偶進行比對，及時對加熱爐進行手動控制以滿足工藝要求，確保鑄錠溫度不超溫。

3 改進效果及結(jié)論

通過減少加熱爐熱損失，合理優(yōu)化控制排煙溫度、爐膛溫度、煙氣含氧量，做好爐體密封、燃燒器的操作與維護等措施來提高加熱爐熱效率，使各項運行參數(shù)指標趨向良好。

經(jīng)過現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、分析，改善后的加熱爐爐溫整體均勻性比較穩(wěn)定，目標鑄錠在加熱、均熱過程中，物料溫度可控制在±5℃范圍之內(nèi)，已具備對中高端鋁產(chǎn)品進行加工的條件，能夠達到產(chǎn)品所需的性能指標，有效地提高了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了資源利用率，降低了生產(chǎn)成本。

參考文獻

[1]李彥洲.基于PLC控制的加熱爐溫度控制系統(tǒng)設計[J].工程技術研究，2016（6）：205.

[2]李波. 探討軋鋼加熱爐節(jié)能及降低氧化燒損的途徑[J].山東工業(yè)技術，2019（1）：46.

[3]張海生.軋鋼加熱爐在生產(chǎn)中的溫度控制探討[J].山西冶金， 2016，39（3）：59-60.

[4]周愛民.加熱爐控溫系統(tǒng)的設計選型[J].計量技術，2003（4）： 36-37.