CN112923742A - 一种宽调节比热处理炉及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种宽调节比热处理炉及控制方法，所述宽调节比热处理炉设有多个控温区，每个控温区设置至少4个独立的燃烧器，全部燃烧器设置有空燃比例阀，在实际应用中，燃烧器一般采用燃气中高速烧嘴。根据炉子的装炉量及装炉尺寸要求，一般设置成多个控温区，每个控温区4个及以上独立燃烧器的设置，通过对燃烧器开关时间的脉冲控制，以及对燃烧器功率的线性调节，大大提高了整个宽调节比热处理炉对温度控制的可操控性，加上空燃比例阀，使得燃烧器的输出更加稳定。上述技术特征创造性的结合，使得宽调节比热处理炉的调节比大大提高，以满足更苛刻的要求。

Description

一种宽调节比热处理炉及控制方法

技术领域

本发明涉及金属热处理领域，尤其涉及一种宽调节比热处理炉及控制方法。

背景技术

在金属高精度热处理炉系统，一般有两个基本控温要求，第一、在升温段，要求加热速度快，为了满足较高的升温速度，一般根据装炉量和升温时间，选择大功率的燃烧器。第二、在保温段，炉温均匀性要求高，正常要求≤±3℃，一些要求高的项目会到达≤±2.5，甚至≤±2℃。因此，针对这两点要求，就需要超宽的燃烧系统调节比。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种宽调节比热处理炉及控制方法，可以提高宽调节比热处理炉的调节比。经过进一步优化，最终可以达到100∶1。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种宽调节比热处理炉，所述宽调节比热处理炉设有多个控温区，每个控温区设置至少4个独立的燃烧器，全部燃烧器设置有空燃比例阀，在实际应用中，燃烧器一般采用燃气中高速烧嘴。

根据炉子的装炉量及装炉尺寸要求，一般设置成多个控温区，每个控温区4个及以上独立燃烧器的设置，通过对燃烧器开关时间的脉冲控制，以及对燃烧器功率的线性调节，大大提高了整个宽调节比热处理炉对温度控制的可操控性，加上空燃比例阀，使得燃烧器的输出更加稳定。上述技术特征创造性的结合，使得宽调节比热处理炉的调节比大大提高，以满足更苛刻的要求。

进一步的，宽调节比热处理炉还包括控制系统，控制系统包括 PLC脉冲逻辑功能程序模块，每个控温区的燃烧器均由控制系统中的 PLC脉冲逻辑功能程序模块控制。对燃烧器的开启和关闭时间单独改变，以及对燃烧器开启和关闭时间组合的改变，均可以实现对燃烧器输出的控制，多控制因子使得调整具有更大的灵活度。现有技术中仅仅通过改变燃烧器线性阀门开度或改变脉冲占空比进行调整，使得控制灵活度低，影响整个装置的调节比。

进一步的，同一个控温区所有燃烧器的烧嘴的启动相位在控制周期中均匀分布。在燃烧器的脉冲过程中，4个燃烧器的开启和关闭的时刻为均布状态，避免了烧嘴同时启动和关闭，带来对上游供风供气系统的压力波动，此波动会影响烧嘴燃烧的稳定性，出现燃烧不充分，点火不良等状况；对下游炉膛内炉压的压力波动，此波动会带来燃烧排烟系统的不稳定。这两种波动均会对温度的控制带来不利影响。

进一步的，所述宽调节比热处理炉还包括中央控制器、温度控制器和设置于炉内个控温区的温度传感器。

温度传感器一般可采用K型热电偶，镍铬-镍硅热电偶(K型热电偶)使用温度为-200～1300℃。K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点。

所述温度控制器分别接收来自中央控制器的温度设定值和来自温度传感器的温度检测值，经过冷端补偿和线性化处理并经PID运算，其运算结果输出给脉冲逻辑功能程序模块控制燃烧器脉冲工作。

所述冷端补偿是为了消除自由端温度变化的影响，热电偶分度数都是以自由端温度为0℃作为条件的，使用时必须补偿由于自由端温度增加而减少的电动势。补偿的方法一般有零度恒温器或冷端补偿模块，本方案采用冷端补偿模块，将所有温度传感器的冷端统一接入至冷端补偿模块中，此模块配置有高精度的热电阻，准确测量接入端的环境温度，通过系统自动换算，消除自由端温度变化的影响。

所述PID调节采用经典算法，先计算出系统设定值与实际值的偏差，再分别进行比例计算、积分累计、对偏差值的变化率微分计算，将三项计算结果，按不同的权重求和得到输出值，去控制系统输出。

进一步的，所述常规宽调节比热处理炉一般分为控温区为3个，一共配置12个燃烧器，每个控温区设有4个独立燃烧器，每个燃烧器配置空燃比例阀，稳定控制燃料与空气的合适配比。燃烧器布置于一侧墙，每个温区分上下各2个燃烧器，通过中间热风循环风机的循环，强制炉气按所需的方向循环进行热交换，这样的布置有助于炉膛减少上下层的温差，使温度均匀性更好。

进一步的，所述宽调节比热处理炉还设有对燃烧器的供风装置和对供风压力进行调节的风压调节装置，所述风压调节装置依据以下准则调整供风压力：随着宽调节比热处理炉内生产需求功率降低，降低供风压力。

进一步的，所述宽调节比热处理炉的调节比为100∶1。一般，通过脉冲调节，满足不小于20∶1的调节比，加之通过风压条件满足5∶1 的调节比，整个系统的调节比不小于100∶1.

进一步的，所述风压调节装置对宽调节比热处理炉供风压力进行闭环控制。

一种宽调节比热处理炉的控制方法，包括以下步骤：

S1，升温段，所有燃烧器的烧嘴全负荷进行燃烧加热，以满足快速升温的要求；

S2，保温段，负载的热量需求降低，烧嘴的燃烧负荷根据PID调节进行脉冲燃烧模式。

进一步的，在S1和S2的过程中，对燃烧器的供风压力进行调节，宽调节比热处理炉内生产需求功率降低，降低供风压力。

附图说明

图1是本发明相位图及燃烧器与脉冲控制关系示意图；

图2是本发明温度控制动态响应过程示意图；

图3是本发明单个温控区剖视图；

图4是本发明单个温控区布置有燃烧器一侧的示意图；

图5是本发明供风装置和风压调节装置的示意图；

图6是本发明实现100∶1调节比的示意图；

图7是本发明温度控制系统的电路原理图；

图8和图9是本发明宽调节比热处理炉系统原理图；

图10是本发明宽调节比热处理炉一种示例的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

为实现本发明之目的，本发明提供一种宽调节比热处理炉，所述宽调节比热处理炉设有多个控温区，每个控温区设置至少4个独立的燃烧器，全部燃烧器设置有空燃比例阀，在实际应用中，燃烧器一般采用燃气中高速烧嘴。

根据炉子的装炉量及装炉尺寸要求，一般设置成多个控温区，每个控温区4个及以上独立燃烧器的设置，通过对燃烧器开关时间的脉冲控制，以及对燃烧器功率的线性调节，大大提高了整个宽调节比热处理炉对温度控制的可操控性，加上空燃比例阀，使得燃烧器的输出更加稳定。上述技术特征创造性的结合，使得宽调节比热处理炉的调节比大大提高，以满足更苛刻的要求。

如图3和图4所示，在实际应用中，例如宽调节比热处理炉采用控温区为3个，一共配置12个独立的燃烧器1，每个控温区设有4 个独立的燃烧器1，每个燃烧器1配置空燃比例阀，稳定控制燃料与空气的合适配比。燃烧器1布置于宽调节比热处理炉的同一面侧墙，每个温区分上下各2个燃烧器1，通过中间热风循环风机2对炉内空气的循环，强制炉气按所需的方向循环进行热交换，这样的布置有助于炉膛减少上下层的温差，使温度均匀性更好。

如图10所示，在一些实施例中，4个或多个燃烧器1可以在宽调节比热处理炉的两个侧壁上进行错位排布，例如，一侧壁的上方位置排布两个燃烧器1，对侧侧壁上的下方位置设置两个燃烧器1，这样，一些燃烧器的烧嘴位于炉内一侧壁的上方，一些燃烧器的烧嘴位于炉内对侧壁的下方，火焰对向喷射，热流自然在炉内形成对流，加速炉内热流的流动和热交换。同时，再加上设置于侧壁上的中间热风循环风机2对炉内空气的循环，强制炉气按所需的方向循环进行热交换，这样的布置有助于炉膛减少上下层的温差，使温度均匀性更好。中间热风循环风机2的位置可以设置于同一侧壁上燃烧器的同一高度，且位于中间位置，加强对流效果。同时，在某些实施方案中，为了保证炉内温度的一致性，特别是保证中心区域(被加工产品放置的区域) 的温度和热交换效率，在炉内的上方和下方设有多个导流片21，这些导流片21顺着热风的流向由炉内壁向下弯曲延伸，从而将一部分热流从炉内上方及下方中间区域位置向下方和上方中心区域引导，并形成涡旋，导流片可以多排错位排布，如图10所示。导流片21迎风面可以设置为凹曲面，类似一个由上而下的弯曲的导流槽，强化对热风的引导。在导流片21远离炉内壁的一端的迎风面，还设有由炉内壁方向向炉中心方向逐渐增高的导流鳍片，并且导流片21的横向宽度也由炉内壁方向向炉中心方向逐渐增大，多个导流鳍片相互间的距离也由炉内壁方向向炉中心方向逐渐增大，引导热风发散吹向中心区域，提升温度的均一性。在某些示例中，导流片21的长度在5-30cm 之间，宽度在5cm以上，也可以根据需要来确定。导流片21也可以利用炉内壁同样的耐火材料直接加工类似形状的凸起来实现上述功能。其凸起的迎风面具有和导流片21迎风面相同的结构。

在某些实施例中，宽调节比热处理炉还包括控制系统，控制系统包括PLC脉冲逻辑功能程序模块，每个控温区的燃烧器均由控制系统中的PLC脉冲逻辑功能程序模块控制。对燃烧器的开启和关闭时间单独改变，以及对燃烧器开启和关闭时间组合的改变，均可以实现对燃烧器输出的控制，多控制因子使得调整具有更大的灵活度。现有技术中仅仅通过改变燃烧器线性阀门开度或改变脉冲占空比进行调整，使得控制灵活度低，影响整个装置的调节比。

在某些示例中，如图1所示，同一个控温区所有燃烧器的烧嘴的启动相位在控制周期中均匀分布。在燃烧器的脉冲过程中，4个燃烧器的开启和关闭的时刻为均布状态，避免了烧嘴同时启动和关闭，带来对上游供风供气系统的压力波动，此波动会影响烧嘴燃烧的稳定性，出现燃烧不充分，点火不良等状况；对下游炉膛内炉压的压力波动，此波动会带来燃烧排烟系统的不稳定。这两种波动均会对温度的控制带来不利影响。

在某些实施例中，所述宽调节比热处理炉还包括中央控制器、温度控制器和设置于炉内个控温区的温度传感器。

温度传感器一般可采用K型热电偶，镍铬-镍硅热电偶(K型热电偶)使用温度为-200～1300℃。K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点。

所述温度控制器分别接收来自中央控制器的温度设定值和来自温度传感器的温度检测值，经过冷端补偿和线性化处理并经PID运算，其运算结果输出给脉冲控制器控制燃烧器脉冲工作。

所述冷端补偿是为了消除自由端温度变化的影响，热电偶分度数都是以自由端温度为0℃作为条件的，使用时必须补偿由于自由端温度增加而减少的电动势。补偿的方法一般有零度恒温器或冷端补偿模块，本方案采用冷端补偿模块，将所有温度传感器的冷端统一接入至冷端补偿模块中，此模块配置有高精度的热电阻，准确测量接入端的环境温度，通过换算，消除自由端温度变化的影响。

如图2所示，所述PID调节采用经典算法，先计算出系统设定值与实际值的偏差，再分别进行比例计算、积分累计、对偏差值的变化率微分计算，将三项计算结果，按不同的权重求和得到输出值，去控制系统输出。

如图5所示，所述宽调节比热处理炉还设有对燃烧器的供风装置和对供风压力进行调节的风压调节装置，所述风压调节装置依据以下准则调整供风压力：随着宽调节比热处理炉内生产需求功率降低，降低供风压力。在图5的示例中，供风装置包括风机31、控制风机31 转速的变频器，以及风压传感器32，风压传感器32实时检测供风管路中的风压，并将数据传给控制装置(或中央控制器)，控制装置根据整个款调节比热处理炉实时对风压的要求，对变频器发出控制指令，通过调节风机的转速，使得风压值达到系统的要求，从而实现对风压的实时控制。

为满足某些生产工艺的需求，所述宽调节比热处理炉的调节比为 100∶1。一般，通过脉冲调节，满足不小于20∶1的调节比，加之通过风压条件满足5∶1的调节比，从而实现整个系统的调节比等于甚至大于100∶1。如图6所示，脉冲的调节和供风压力的调节同时叠加作用，使得实现超宽的调节比，达到甚至超过100∶1。

进一步的，所述风压调节装置对宽调节比热处理炉供风压力进行闭环控制。

如图8和图9所示，在实际应用中，系统配置有助燃风机5、排烟风机6、板式换热器，助燃风机5采用离心式鼓风机，为燃烧器的燃烧提供足够风量以及足够风压的助燃空气。排烟风机6采用耐高温离心排风机，用于将燃烧后的烟气通过排烟管道排出厂房外排放，为克服排烟管道和板式换热器的管道阻力提供足够的风量和风压。阻燃风机5连接的助燃风管道、排烟风机连接的排烟管道均与板式换热器相连，通过板式换热器，排烟管道内的高温烟气与助燃风管道内的空气(助燃风)通过板式换热器进行热交换，将助燃风进行预热，排烟温度降低，有效提高系统的热效率，节能减排。

还可以增设冷却装置，冷却装置包括冷却风机4及冷却管路，冷却管路包括对炉门框进行冷却的炉门框冷却系统，以及对每个燃烧器的烧嘴进行冷却的烧嘴冷却系统，冷却风机通过管路系统将冷却风送至炉门框和烧嘴，在需要时对其进行冷却。在图8和图9的示例中，还可以从助燃风机和板式换热器之间的助燃风管路引出一条管路与冷却管路连通，中间设置一个电控或人工控制的阀门，该阀门常闭，只是在冷却风机4损坏或者需要额外的风压进行高效降温时，开启这个阀门，利用助燃风机5作为冷却风机4的备份或辅助。

本发明还提供一种宽调节比热处理炉的控制方法，包括以下步骤：

S1，升温段，所有燃烧器的烧嘴全负荷进行燃烧加热，以满足快速升温的要求；

S2，保温段，负载的热量需求降低，烧嘴的燃烧负荷根据PID 调节进行脉冲燃烧模式。

在实际控制中，同一个控温区所有燃烧器的烧嘴的启动相位在控制周期中均匀分布。例如，在燃烧器的脉冲过程中，同一温控区的所有燃烧器(例如4个燃烧器)的开启和关闭的时刻为均布状态，避免了烧嘴同时启动和关闭，带来对上游供风供气系统的压力波动，此波动会影响烧嘴燃烧的稳定性，出现燃烧不充分，点火不良等状况；对下游炉膛内炉压的压力波动，此波动会带来燃烧排烟系统的不稳定。这两种波动均会对温度的控制带来不利影响。

在进一步的优化方案中，在S1和S2的过程中，对燃烧器的供风压力进行调节，宽调节比热处理炉内生产需求功率降低，降低供风压力。一般，通过脉冲调节，满足不小于20∶1的调节比，加之通过风压条件满足5∶1的调节比，从而实现整个系统的调节比等于甚至大于100∶1。如图6所示，脉冲的调节和供风压力的调节同时叠加作用，使得实现超宽的调节比，达到甚至超过100∶1。

进一步的，所述风压调节装置对宽调节比热处理炉供风压力进行闭环控制。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种宽调节比热处理炉，其特征在于，所述宽调节比热处理炉设有多个控温区，每个控温区设置至少4个独立的燃烧器，全部燃烧器设置有空燃比例阀，每个燃烧器可以独立工作。

2.如权利要求1所述的宽调节比热处理炉，其特征在于，还包括控制系统，控制系统包括PLC脉冲逻辑功能程序模块，每个控温区的燃烧器均由控制系统中的PLC脉冲逻辑功能程序模块控制。

3.如权利要求2所述的宽调节比热处理炉，其特征在于，同一个控温区所有燃烧器的烧嘴的启动相位在控制周期中均匀分布，以减小燃烧器启动时的负荷波动。

4.如权利要求3任一所述的宽调节比热处理炉，其特征在于，所述宽调节比热处理炉还包括中央控制器、温度控制器和设置于炉内个控温区的温度传感器，所述温度控制器分别接收来自中央控制器的温度设定值和来自温度传感器的温度检测值，经过冷端补偿和线性化处理并经PID运算，其运算结果输出给脉冲控制器控制燃烧器脉冲工作。

5.如权利要求1到4任一所述的宽调节比热处理炉，其特征在于，所述控温区为3个，所述宽调节比热处理炉一共配置12个燃烧器，每个控温区设有4个独立燃烧器，每个燃烧器配置空燃比例阀，稳定控制燃料与空气的合适配比。

6.如权利要求5所述的宽调节比热处理炉，其特征在于，所述宽调节比热处理炉还设有对燃烧器的供风装置和对供风压力进行调节的风压调节装置，所述风压调节装置依据以下准则调整供风压力：随着宽调节比热处理炉内材料吸热达到饱和生产需求功率降低，降低供风压力。

7.如权利要求6所述的宽调节比热处理炉，其特征在于，所述宽调节比热处理炉的调节比为100∶1。

8.如权利要求7所述的宽调节比热处理炉，其特征在于，所述风压调节装置对宽调节比热处理炉供风压力进行闭环控制。

9.一种宽调节比热处理炉的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，升温段，所有燃烧器的烧嘴全负荷进行燃烧加热，以满足快速升温的要求；

S2，保温段，负载的热量需求降低，烧嘴的燃烧负荷根据PID调节进行脉冲燃烧模式。

10.根据权利要求9所述的宽调节比热处理炉的控制方法，其特征在于，在S1和S2的过程中，对燃烧器的供风压力进行调节，宽调节比热处理炉内生产需求功率降低，降低供风压力。

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