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聯合拉拔凸銅管在線感應退火控制技術
北京建萊機電技術有限公司 2007.8.22.

 

[摘要] 介紹本公司自主研發的高速銅管在線感應退火爐的基本配制,控制系統結構和相關的控制技術。
[關鍵詞] 銅管、感應退火、控制
0 引言

    銅管在線感應退火多應用于銅管加工過程中(拉制或軋制)的去硬化再結晶退火,由于在線感應退火操作簡單、控制精度好、速度快、效率高,它已成為空調管制作過程中不可缺少的關鍵設備,并開始逐步推廣到其它銅管加工工序中。本公司自主研發的TL200、TL300、TL400高速銅管在線感應退火爐已成功應用于國內多家銅加工企業,本文將以TL200為例,說明本公司自主研發的高速銅管在線感應退火爐的基本配制,控制系統結構和相關的控制技術,并用實測數據驗證理論功率控制模型的正確性。

1 銅管在線感應退火爐的基本配置
    北京建萊機電技術有限公司自主研發的TL200退火爐為φ12.7X0.5銅管200m/min退火線速度的基本爐型,如若將兩個TL200的感應加熱器串接,其它配置基本不變時,即可組成TL400,其φ12.7X0.5銅管退火線速度將達到400m/min。TL200銅管在線感應退火爐的基本配置如圖1所示。
1 工藝流程:
    放料筐就位——銅管經活套檢測機構穿過井字輥至前夾送機構——水平矯直——清洗外壁——吹干——垂直矯直——垂直夾送——感應加熱——保溫——淬火冷卻——吹干——夾送張緊機構——彎管涂油——收料
    加熱電源:
    感應加熱采用中頻電源,工作頻率為(6..5—8)kHz,進線電壓為3相380V、額定輸出中頻電壓隨功率元件的選型不同而變化,可控硅元件的中頻電壓為750V;IGBT元件的中頻電壓為500V。額定中頻功率為400kw。
    光亮退火:
    為保證光亮退火,在加熱段、保溫段及淬火段入口處均通有N1保護氣。
    熱交換器:
    在爐體(含中頻電源、電熱電容器冷卻)和淬火段分別配置有去離子水--工業水熱交換器,以保證冷卻效率、銅管表面質量和冷卻水的循環使用。
2 控制系統結構及特點
    TL200為全自動工作方式,在完成引管工作后,操作人員只需在線設置退火線速度和退火溫度,其它所有操作均由計算機自動實現。TL200的控制系統結構如圖2所示。
1
    本控制系統有以下特點:

  1. 收、放料機構和夾矯機構的驅動系統采用德國西門子6SE70 VC系列矢量控制器,張緊機構的驅動系統采用英國CT公司的 MENTOR Ⅱ 直流控制器。
  2. 計算機系統采用德國西門子SIMATIC S7-300/200系列 PLC。S7-300安裝在主控柜內,S7-200安裝在主操作臺內。S7-300和S7200系統間用MPI網絡互聯。
  3. 人機接口采用德國西門子TP270-10操作面板。10″大的觸摸屏十分方便操作和調試人員進行系統監控。
  4. 為動態監視放料筐內銅管的工作狀況,在放料筐和活套連接處裝有彩色工業電視。
  5. 應用軟件除常規的邏輯控制外,獨立開發的TICAC管材感應連續退火控制器應用軟件,具有以下功能:

◆ P—V(功率—速度)自動跟隨功能。根據管材規格和退火工藝要求,中頻電源輸出功率自動跟隨銅管速度變化,保證退火溫度穩定。TL200型的銅管速度可在20—200m/min連續可調。TL400型的銅管速度可在20—400m/min連續可調。
◆ 采用實測模型直接計算中頻電源的控制電壓。該法簡單可靠,不受測溫度裝置、測功系統工作狀態的影響。精確的功率控制模型保證了退火爐的控制精度。
◆ 銅管的微張力控制功能。銅管在加熱過程中實現自動建張,從而使銅管在退火狀態下不被拉伸或堆縮。
◆ 收、放料速度補償功能。用活套檢測和收、放料速度補償計算,保證料筐的收、放料速度跟隨退火銅管的線速度變化,且放料穩定、收料均衡。

3 功率控制模型
    功率控制模型是TICAC管材感應連續退火控制器的核心應用軟件之一。通過理論分析,TICAC采用精確的帶溫度修正的折算到中頻電源直流端感應退火總功率Pd的計算模型是:
Pd=(ΔT/ΔTs)*Kd*V+Bd
    顯然,這是一條典型的截距不為零的直線方程式。
    式中:Pd 折算到中頻電源直流端的退火總功率(Kw),因為檢測中頻電源直流功率的精度遠高于檢測中頻電源中頻功率的精度。
    ΔT/ΔTs 退火溫度修正系數
    ΔT 實際操作控制的退火溫差(℃),ΔT=T-To
    ΔTs 設計的退火溫差(℃), ΔTs=Ts-To
    T實際操作控制的退火溫度(℃)
    Ts 設計退火溫度(℃)
    To 管材退火前的初始溫度(℃)
    Kd直線方程斜率。為折算到中頻電源直流端設計退火溫度時(ΔT =ΔTs)的功率-速度系數(Kw/(m/min))。
    V 退火管材實際工作線速度(m/min)
    Bd 直線方程的截距。其物理意義為感應器內退火溫度下折算到中頻電源直流端的銅管熱損耗功率(Kw)。該熱損耗包括熱傳導損耗、熱輻射損耗、和熱對流損耗。當退火溫度一定時,該損耗和速度無關。
    用此模型可推導出管材退火熱效率ηt的計算方法如下:
ηt=1=1=1
    由上式可知,退火熱效率ηt是退火管材線速度V的函數。當高速時,Kd*V >>Bd,ηt≈1,退火線速度越低,退火熱效率ηt越小,當線速度V=0時,退火熱效率ηt=0。由此,一方面用高速退火達到提高退火熱效率;另一方面,低速退火時,應充分考慮熱效率的明顯降低對退火功率控制嚴重的非線性影響。
    斜率 Kd、和截距Bd與爐體結構、感應器的電效率、中頻電源的逆變效率、母排功率損耗、管材的比重、比熱容、及幾何尺寸以及初始管溫、退火管溫等諸多因素有關,其值完全可以計算出來。以TL200對φ12.7X0.45的紫銅管退火為例,斜率 Kd、和截距Bd的理 論計算結果如下:
    Kd=1.70
    Bd=1.83
    上述結果的計算條件是:
    φ12.7X0.45紫銅管和感應器的耦合系數=0.37
    φ12.7X0.45紫銅管退火時感應器的電效率=0.42
    中頻電源的逆變效率=0.9
    母排功率損耗系數=0.1
    感應器壁溫=70℃
    管材的比重=8.78(g/cm1
    管材的比熱容=0.435(kj/kg.℃)
    初始管溫=20℃
    退火管溫=560℃
    圖3、圖4分別為某銅加工廠1#、2#TL200退火爐實測的Pd—V關系曲線。
文本框: 功率Pd(kw)1
1
    1#爐 斜率Kd=1.6988,截距Bd=6.071,相關系數R1=0.9998。
    2#爐 斜率Kd=1.6989,截距Bd=1.1145,相關系數R1=0.9996。
    兩爐的實測斜率和理論計算幾乎完全相同,截距Bd值則有所差異,但均處在同一數量級內。Bd因數值較小,在20m/min退火速度時,不足總加熱功率的6%。此時,它已和系統的測量誤差相接近。理論計算Bd時,又涉及輻射、對流、傳導等多種傳熱方式,許多參數值的選取肯定會給計算結果帶來影響。
    圖5為φ12.7X0.45紫銅管退火熱效率ηt與退火速度V的關系曲線。由圖4可知,當速度V<20 m/min時, ηt隨V變化劇烈,V>20 m/min時, ηt隨V變化平緩,
    V>100 時 ,ηt基本不變。為躲避低速ηt嚴重的非線性,并考慮到中頻電源的最小穩定輸出功率,TL200取最低退火速度Vmin=20(m/min)。
文本框: 效率η1

4結論
    TL200、300、400系列退火爐采用的TICAC管材感應連續退火控制器應用軟件,其理論功率控制模型和實測結果是完全吻合的。該模型不僅應用于TL系列退火爐,亦可推廣到其它管材的其它系列的感應退火控制系統中。
[參考文獻]
[1] 潘天明,現代感應加熱裝置,冶金工業處版社,1996。
[2] 楊世銘,傳熱學(第二版),高等教育出版社,1997.12.
[3] 湯景明,感應電熱設備的設計,工業加熱, 1999,NO:1、2、3、4、5。

 

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