徐新乐，苏　震，王克伟，施建华，孙　林，沈明艳，张　怡

（中国兵器工业新技术推广研究所，北京100089）



燃气式辊底炉炉温均匀性研究

徐新乐，苏震，王克伟，施建华，孙林，沈明艳，张怡

（中国兵器工业新技术推广研究所，北京100089）

针对燃气式辊底炉炉温均匀性现状，分析了影响炉温均匀性的因素，提出了改进炉温均匀性的措施。实际结果表明：烧嘴分布、热电偶位置以及炉温控制方式等对炉温均匀性影响大。合理分配烧嘴及其功率、准确确定控温点位置、选择适当的炉温控制方式可以得到较为理想的炉温均匀性，燃气式辊底炉炉温均匀性在±5℃范围内，超过了国家ⅢA炉±8℃要求。

辊底炉；炉温均匀性；烧嘴；热电偶；控制方式

燃气式辊底炉是钢板等平板类金属件热处理常用的设备，其炉温均匀性可以直接影响平板热处理后产品的质量［1］，是辊底炉需要控制的重要参数。为了提高热处理炉炉温均匀性，科研人员开展了多方面的研究。刘增环等采用k-ε湍流双方程模型，对台车炉炉膛内温度场进行数值模拟和研究，得出了合理有效组织燃烧的烧嘴布置和偏移角度，保证了炉膛温度的均匀性，为提高加热质量和优化炉型结构提供了参考依据［2］。潘继宗等研究了不同炉型影响炉温均匀性的因素及消除办法［3］，吴建光等探讨了步进梁式燃气辊底炉炉温均匀性的优化方法［4］，刘峰等利用数值模拟技术，对一座采用蓄热燃烧的台车式加热炉加热钢坯的过程进行了数学模拟实验研究，得出了三种不同烧嘴布置方案的钢坯温度分布，模拟结果符合现场实际［5］。张西军研究了台车式与箱式电阻炉炉温均匀性差的原因及解决办法，保障了其炉温均匀性在±10℃以内［6］。

燃气式辊底炉炉温均匀性影响因素很多，主要有炉体结构设计、炉体保温密封、热源分布、燃气的压力与热值、测温点布置、控制方式等。热处理炉建造完成后，其均匀性的可控因素主要就是测温点布置与控制方式。

2014年对某公司燃气式辊底炉炉温均匀性进行了分析，提出了提高炉温均匀性的办法，保证了炉温均匀性符合工业炉A标准，不仅有效确保了辊底炉处理钢板的性能，而且提高了辊底炉的生产效率。

1　燃气式辊底炉基本状况

辊底炉有效尺寸为长度×内宽×内高=10 390 mm×2 600 mm×2 355 mm，炉辊直径Φ210 mm，炉辊运行采用变频调速，最大速度可达2 m/s；处理最大钢板规格是8 000 mm×2 200 mm×22 mm；炉体最高使用温度为1 000℃，炉温均匀性要求符合GB/T 9452-2012ⅢA炉温度均匀性要求。

辊底炉本体由炉体钢结构、筑炉材料组成。炉体钢结构由标准的型钢和钢板焊接在一起。炉体钢结构还包括炉辊和烧嘴的支撑和密封件。炉顶及炉辊以上侧墙采用陶瓷纤维模块、纤维毯等轻型结构，可使辊底炉具有较小的热惰性。炉底及炉辊以下侧墙采用粘土砖、保温砖和绝热毯等，既保温又有一定的强度。

燃烧系统由助燃风机、引风机、燃气阀站、鼓风空气管道、引风空气管道、烧嘴等组成，燃料为天然气。该炉采用明火式烧嘴及换热器、ON/OFF燃烧控制方式。全炉共有16个烧嘴，该烧嘴是燃烧系统的关键部件，其控制原理是燃烧控制器得到计算机控制系统发出的脉冲信号，分别向空燃气电磁阀和点火器发出动作信号，使烧嘴按预先设定的加热制度向炉内供热。每个烧嘴都配有火花电极和火焰监测装置，通过空气和燃气在燃烧室内混合，热风温度可以达到550℃以上，燃烧更加充分；形成的火焰长度可达500 mm，且火焰喷出速度可达120～150 m/s，保证了火焰在炉内产生充分扰动，从而确保炉内有效加热区内的温度均匀性。

排烟系统由一台引风机、烧嘴引射器及排烟管道等组成，可以将燃气燃烧的全部烟气通过换热器排出。在靠近引射器出口有一个罩式喇叭管来收集与空气混合的烟气，以降低废气的温度，然后汇入烟气支管、总管，经过排烟引风机进入烟囱排出。

2　控制系统

辊底炉的控制系统由工控机、西门子S7-300系列PLC、Profibus-DP总线、变频器等构成，包括热工和传动控制系统。计算机控制系统可以对热处理设备进行集中操作和控制。辊底式热处理炉采用自身预热式烧嘴、ON/OFF脉冲控制、引风机引射式强制排烟。炉辊传动通过变频器控制，可实现正反传动、快慢传动、炉内摆动。图1为辊底炉控制系统框图。

3　均匀性测试

图1　辊底炉控制系统框图

辊底炉布置由16只自预热烧嘴组成，炉辊上下各8只，错位平行布置，如图1所示，A序号烧嘴为炉辊上布置，B序号烧嘴布置在炉辊下方。全炉分8个控制区，每区控制2只烧嘴，圆点为辊底炉各控制区测温点，一至四区控制热电偶由炉顶插入，五至八区控制热电偶由炉侧墙插入（炉辊下方），热电偶插入点错开各烧嘴火焰直射区。依据GB/T 9452-2012［7］采用特稳携式效验仪（型号JY822，0.02级）及Ⅰ级N型热电偶对辊底炉的有效加热区的温度进行了测量，同时为分析炉膛温度分布趋势，检测了炉膛横截面的温度。由于本燃气式辊底炉只处理钢板，因此其有效加热区长×宽×高定位为9 000 mm×2 300 mm× 400 mm，依据标准ⅢA炉测量12个点温度即可，但笔者提高要求，测量了14个点温度，具体测量温度点位置如图2所示。

图2　辊底炉烧嘴分布图

4　结果讨论与分析

影响辊底炉炉温均匀性的因素很多，关键因素有烧嘴的布置及其功率分布、控制方式及手段、控温点的确定等。

4.1烧嘴分布及其功率大小

烧嘴分布需要在炉体建造之前设计好，一旦建造好炉体，其烧嘴分布就难以变更。但是，烧嘴的功率可以根据辊底炉实际状况进行调整。烧嘴的燃烧能力计算公式［8］：

式中：V0为烧嘴燃烧能力；F为烧嘴出口截面积；T0为标准温度273 K；P为燃气压力；ξ为阻力系数，ρ0为燃气密度；T为燃气实际温度。

由式（1）可知，通过改变燃气的压力，同时相应改变助燃空气的压力（确定好燃烧充分的空燃比），即可以调整烧嘴的燃烧能力（功率）。

4.2控温点的确定

辊底炉控温点的位置至关重要，如果热电偶放置位置不合适，其炉温均匀性及准确性是很难保证的。图3为辊底炉横截面温度分布曲线（设定温度860℃），其中工件有效加热区域在距炉顶950 mm以下，这一区域的温度与距炉顶330 mm上下区域的温度非常接近。因此为了获得与工艺温度相一致的控制温度，控温点即热电偶插入位置应确定在距炉顶330 mm附近，这样既确保了工艺温度的准确性，又使得工件不会与热电偶碰撞，同时还可以避免烧嘴燃烧时火焰对热电偶的冲击。

图3　辊底炉横截面温度分布图

4.3控制模式的确定

使用的烧嘴是高速明火式烧嘴，火焰速度快，且火焰较长，每次燃烧及火焰熄灭都会破坏火焰周围的热平衡，这些过程既是为有效加热区输送热能，也是对有效加热区的气氛进行搅动，使有效加热区温度趋于平衡、稳定。因此，将控温点的控温精度提高，也即处理好控温点与烧嘴供能、扰动的平衡关系，就能在有效加热区得到比较理想的均匀炉温。从控制角度看，控制参数与影响控制参数的因素之间关系越简单，越易控制。但实际上，影响温度控制的因素很多，其关系复杂、非线性，且耦合因素多。为此，主要采取了一些简化的方式：

（1）控温对象不考虑其数学关系，只将其作为一个黑盒子考虑，即只考虑输入与输出；

（2）每个控温点要控制多个烧嘴的通断，不考虑每个烧嘴的工作状况，将一个控温点控制的所有烧嘴作为一个整体来考虑；

（3）设定温度高低限，高于高限，则关闭此控温点控制的所有烧嘴，低于低限，则打开所有烧嘴，在高低限之间则按照专门的PID算法进行控制。图4为辊底炉炉温均匀性测试结果 （设定温度860℃），其均匀性较好，达到了设计要求。

图4　均匀性检测温度分布图

5　结论

通过对燃气式辊底炉控温点的确定，控制模式的选择，其温度控制比较理想，达到设计要求，但也发现了一些问题：一是本辊底炉烧嘴布置不甚合理，炉辊以上烧嘴布置太多，其利用率较低，特别是在冷炉升温和有工件保温阶段，烧嘴开通时间很少，以至于烧嘴外观因热变色，不美观；二是炉辊上下的烧嘴功率分布不合适，炉辊上烧嘴功率明显偏大，既浪费资源，也增加了制造成本。实际上炉温达到900℃或以上时，炉辊已成为了一个相对稳定的热源（红热状态），当工件进炉后，通过烧嘴快速补充工件加热所需热能，设计时烧嘴功率只要满足最大工件加热工艺要求时间就可以，当然需要加入炉体本身的热损失。辊底炉的炉温均匀性控制是一个系统工程，要实现理想的均匀性要求，需从炉体设计开始，全方位考虑其影响因素。

［1］唐郑磊，张红伟，杨东，等.辊底式热处理炉过程控制系统及应用［J］.金属材料与冶金工程，2011，39（3）：19-23.

［2］刘增环，王利珍，何广祥.加热炉炉温均匀性优化控制研究［J］.工业炉，2011（1）：9-11.

［3］潘继宗，王光霞.影响炉温均匀性的因素及消除办法［J］.四川兵工学报，2003，24（2）：36-37.

［4］吴建光，秦建超.加热炉优化炉温分布均匀性的研究［J］.冶金自动化，2011（S2）：441-443.

［5］刘峰，朱梅，刘坤，等.蓄热式台车加热炉加热钢坯温度均匀性数值研究［J］.冶金能源，2011，30（1）：27-29。

［6］张西军.电阻加热炉炉温均匀性差的原因及解决办法［J］.金属热处理，2011，36（9）：112-113.

［7］国家质量监督检验检疫总局.热处理有效加热区测定办法［S］.北京，中国标准出版社，2012.

［8］蒂姆恰克，占索夫斯基.加热炉与热处理计算手册［M］.北京：机械工业出版社，1989.

Research of Temperature Uniformity in Gas Roller Hearth Furnace

XU Xinle，SU Zhen，WANG Kewei，SHI Jianhua，SUN Lin，SHEN Mingyan，ZHANG Yi
（Advanced Technology Generalization Institute of China North Industries Group，Beijing 100089，China）

Aiming at the situation of gas roller hearth furnace temperature uniformity，the factors affecting furnace temperature uniformity are analyzed，and the improvement methods are presented.Actual results show that the burners scatter，thermal couple place and furnace temperature control mode affect obviously temperature uniformity.Rational distribution of burners and their power，precise fixing temperature position and proper control mode can get ideal furnace temperature uniformity，the gas roller-furnace′s range is±5℃，which is aboveⅢA furnace′s±8℃.

roller hearth furnace；furnace temperature uniformity；burner；thermal couple；control mode

TG155.1

B

1001-6988（2016）02-0055-03

2015-12-24

徐新乐（1962—），男，研究员，从事自动控制与热工工作.