为了获得所需的力学性能 ,预应力钢丝需要在一定的张力条件下加热到 400 ℃左右进行热处理。在成品生产线上通过高效中频感应炉对钢丝进行加热 ,是近几年采用的新工艺。由于在能量的转换过程中存在损耗 ,而转换的效率与许多因素有关 ,如钢丝的特性、线圈的几何形系统根据设定的加热温度、生产的线速度等参数 ,把加热材料所需的热能换算成电能 ,根据所需的电功率设定整流电压 ,然后由电压电流双闭环系统控制晶闸管完成直流电压的调节。逆变器为自激系统 ,不可调。这样系统就把电能转变成热能 ,使钢丝状、钢丝穿过加热线圈的速度等 ,这就需要建立合适的控制模型 ,采用可靠的方式对温度进行控制。
1 系统控制原理
整个控制系统是由温度、电压和电流 3 个 PID调节器组成的三环系统 ,控制原理如图1所示。加热到所需的温度。
2 温度的自动调节
温度自动调节器由温度误差 PID 调节器、功率与速度的匹配、负载的匹配、功率与电压的换算等 4部分组成。温度自动调节器如图2所示。
 
2. 1 功率与速度的关系
加热材料所需的热功率与材料穿过线圈的速度成正比例关系 ,用公式表示:
Es = SecWs Hs ( tout - tin) (1)
Pt = Es v (2)
Pt =ηPe (3)
式中: Sec ———材料的截面积 ,m2;
Ws ———材料的体积质量 ,kg/ m3;
Hs ———材料的质量热容 ,J / (kg· K) ;
tin ———材料的入口温度 , ℃;
tout ———材料的出口温度 , ℃;
v ———材料穿过加热线圈的速度 ,m/ s ;
P ———加热材料所需的热功率 ,W; Pe ———转换成热功率所需的电功率 ,W;
Es ———加热1 m材料所需的能量 ,J / m;
η———能量转换效率 , %。
由式(3)可知 ,电功率与材料的相对速度成比例关系 ,但是由于转换效率受很多因素影响 ,因此电功率与速度的关系不是线性的比例关系。钢丝的直径越小 ,加热时的非线性越明显 ,偏差的大小取决于钢丝穿过加热线圈的相对速度。为了保持材料的出口温度为一恒定值 ,控制系统采用分段线性化以得到接近真实的加热曲线。控制系统对整个加热曲线分 4 段进行线性化 ,构建速度、电功率加热折线图。控制系统采用的加热曲线如图 3 所示的折线 ,其中 S1 , S2 , S3 , S4为4 个速度设定点, S1 , S4分别为产品的最小和最大速度设定值, S4 - S3 = S3 - S2 =S2 - S1。P1 , P2 , P3 , P4为相应的 4 个功率设定点,当速度 S2 ≤S ≤S3时,可知相应的功率:P = P2 + ( P3 - P2) ( S - S2) / ( S3 - S2) (4)同理有: P = P1 S/ S1 (0 ≤S ≤S1) (5) P = P1 + ( P2 - P1) ( S - S1) / ( S2 - S1) ( S1 ≤S ≤S2) (6)P = P3 + ( P4 - P3) ( S - S3) / ( S4 - S3) ( S3 ≤S ≤S4) (7)不同规格的钢丝在处理之前 ,都必须通过调试设置 S - P 的 4 对坐标值 ,设定的值保存在工控机中 ,而后生产不同规格的产品 ,只需调用相应的加热曲线即可。中频电炉控制系统接受选用的加热参数 ,控制整个加热过程。从交流输入到中频感应输出 ,电功率必须设定一个效率因子η来进行匹配。控制系统通过 AC/
DC整流器的输出电压乘以电流来计算加热时输出的电功率 ,由于从工频交流输入到直流输出的损耗很小 ,认为 Pe (AC) = Pe (DC) = UDC IDC ,转换的效率因子η= Pt/ Pe (DC) 。
2. 2 负载的自动匹配
由于炉子的工作频率 ,材料的规格及生产的线速度不同都会改变中频电炉的电气负载特性 ,控制系统采用等效电阻 R = UDC/ IDC来反映电气负载。这个负载不能预先计算 ,而且随时改变。为了得到所需的加热温度 ,需要一定的电功率 Pset ,控制系统自动检测直流输出的电流和电压 ,并计算实际的输出功率 Preal。系统刚开始启动时 ,根据设定的初始电阻来计算设定的电压值。如果 Pset ≥Preal时 ,说明实际的电阻值比预设值大 ,于是增大预设的负载电阻值 ,同时加大电压的设定值 ,使输出的功率适当增加 ,直到 Pset = Preal ,反之亦然。负载的电阻值一般为0～1Ω,如果把电阻的初始值设为 0. 5Ω,同时把系统可以修正的最大误差设为 100 % ,系统就可以在0～1Ω之间自动修正负载电阻。这样系统时刻控制直流输出电压 ,保持电功率等于需求值 ,使系统可以自动跟随电气负载的变化而变化 ,始终使加热温度满足工艺要求。
2. 3 温度的 PID调节
中频加热炉的基本目的就是把需要处理的材料加热到所需的温度 ,为了得到可靠的高精度的处理结果 ,必须在整个生产过程中都保持材料的出口温度在允许的偏差范围内。中频炉可以在不使用温度自动调节系统的情况下进行生产 ,控制系统根据所需的加热温度计算出所需的电功率 ,然后在整个生产过程中都保持恒功率输出。系统可以维持最基本的加热需求 ,但是不能根据变化的情况自动调整功率的大小 ,若设定参数不准确、材料特性的变化、入口温度的改变等都会使最终的出口温度受到影响。为了满足温控精度的要求 ,必须使用温度自动调节系统。被加热材料的实际温度是通过红外线高温计检测的 ,实际温度与设定温度的偏差送给温度 PID 调节器 ,所需的电功率根据偏差的变化相应地增加或减少。温度自动调节系统的精度依赖于温度检测装置的精度 ,为了得到较高精度并避免系统振荡 ,系统仅仅对微弱的温度偏差信号进行校正。一般在设定的出口温度的 5 %以下 ,如果实际的温度偏差信号大于这个值 ,温度自动调节器将被禁止。
2. 4 温度控制注意事项
在材料入口温度、材料特性、生产线速度等因素一定的情况下 ,材料的出口温度的高低取决于控制系统输出功率的大小 ,功率越大 ,温度越高 ,反之亦然 ,功率决定温度。在实际生产中 ,各种因素的干扰使得红外线高温计测不准 ,如被加热材料放射系数的改变、环境光线的影响、加热时产生的烟雾、钢丝的抖动使探头没有对准钢丝中心等。测不准会造成控制系统来回振荡 ,可以适当延长高温计的采样时间以避免这个问题。
材料入口温度的改变会严重影响材料加热后的出口温度 ,由于拉丝机生产的半成品钢丝的温度直接受冷却条件的影响 ,冷却效果越差 ,钢丝残留的热量越多 ,使得进入中频炉钢丝的入口温度越高 ,因此入口温度直接受冷却条件的影响。一般而言 ,半成品钢丝的温度要比气温高些 ,因此随着存放时间的变化 ,内外层钢丝的温度会不一样 ,这样就必须在生产中根据实际情况 ,适时恰当地修改材料的入口温度 tin。
3 使用效果
在实际使用中 ,出口温度为380 ℃,温度控制系统可以在 ± 5 ℃范围内进行精确的调节。出口温度始终保持380 ℃左右 ,误差小于5 ℃,可以满足工艺要求。 |
