高玉峰，萬 明，秦明臣

（中航工程集成設(shè)備有限公司，北京102206）

空氣循環(huán)爐廣泛應(yīng)用于進行低溫熱處理工藝產(chǎn)品的生產(chǎn)制造，如鋁合金均熱、固溶、退火、時效熱處理領(lǐng)域，作為主要熱處理設(shè)備，具有工件受熱均勻的特點，用于對溫度均勻性要求高的產(chǎn)品熱處理過程。

根據(jù)金屬材質(zhì)與熱處理后性能要求的不同，需要的熱處理溫度亦不相同。 其中時效熱處理的溫度相對較低， 并且產(chǎn)品要求達到較高的溫度控制精度和較小的溫度過沖量， 并且對于一些金屬的時效熱處理工藝要求保溫時間較長（例如7057 系鋁合金由W 態(tài)處理到T6 態(tài)的保溫時間在23～25 h）。 對于時效熱處理爐的溫度控制過程提出了較高的要求。 尤其在時效熱處理過程中， 對在長時間保溫過程中控制溫度的波動范圍及爐溫穩(wěn)定性尤為重要。

在熱處理設(shè)備設(shè)計制造時， 除設(shè)計合理的爐內(nèi)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，使爐內(nèi)氣流速度與溫度均勻分布外，采用精準的控溫方式， 也是決定設(shè)備性能能否滿足要求的關(guān)鍵因素。

現(xiàn)階段國內(nèi)外高端的低溫熱處理爐均采用電加熱的方式實現(xiàn)。熱處理爐內(nèi)有效工作區(qū)域安裝溫度傳感器用于溫度的檢測， 溫度信號接到工業(yè)控制器中，工業(yè)控制器根據(jù)當前檢測的實際溫度和工藝需要加熱的設(shè)定溫度進行智能運算，輸出控制信號控制熱處理爐加熱器的輸出功率進行升溫控制，降溫過程一般通過向爐內(nèi)充入冷氣摻混實現(xiàn)對溫度的控制。

爐膛內(nèi)的溫度均勻性是時效熱處理爐的重要核心指標。 目前主要通過熱處理爐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計以及對升溫、降溫的控制，達到爐氣溫度均勻性控制的要求。因開啟加熱器或充入冷空氣摻混控制爐溫， 難以實現(xiàn)達到較高的溫度控制精度和較小的溫度過沖量的需求，因此在此基礎(chǔ)上需要增加更加精密的控溫方法。

本文提到的溫度控制方法是在傳統(tǒng)溫度控制方法的基礎(chǔ)上， 增加循環(huán)風(fēng)機頻率控制與爐氣溫度均勻性的控制聯(lián)鎖，實現(xiàn)高控溫精度、低溫度過沖的要求。 在保溫過程中， 風(fēng)機用電成為最主要的能源消耗，通過降低循環(huán)風(fēng)機頻率控制溫度波動，亦可滿足降低設(shè)備能耗的需求。 工業(yè)控制器根據(jù)不同的工藝熱處理溫度控制循環(huán)風(fēng)機的轉(zhuǎn)速， 熱處理工藝的溫度越高，需要的氣流流速越高，控制器提高循環(huán)風(fēng)機轉(zhuǎn)速。當熱處理工藝溫度較低時，在滿足溫度場均勻性要求的條件下，控制器自動降低循環(huán)風(fēng)機轉(zhuǎn)速，加大節(jié)能效果。

1 溫度控制方法

采用低溫溫度控制方法， 利于設(shè)備溫度控制過程的穩(wěn)定性，有效保證了溫度控制要求。

（1）溫度控制原理

設(shè)備溫度控制實施采用工業(yè)控制器完成， 循環(huán)風(fēng)機電機由變頻器驅(qū)動。 工業(yè)控制器控制變頻器實現(xiàn)循環(huán)風(fēng)機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)， 連接加熱器的調(diào)功器由工業(yè)控制器調(diào)節(jié)完成功率調(diào)節(jié)。

熱處理爐在工作有效區(qū)安裝熱電偶進行溫度的檢測。 工業(yè)控制器實時檢測爐膛溫度和熱處理產(chǎn)品的溫度，通過內(nèi)部的PID 模塊完成溫度升溫控制。在保溫后期當溫度有超溫趨勢時， 工業(yè)控制器自動降低循環(huán)風(fēng)機轉(zhuǎn)速， 通過降低轉(zhuǎn)速和啟停進氣閥的雙重控制方式達到較好的溫度控制效果。

工業(yè)控制器的溫度控制原理如圖1 所示。

（2）循環(huán)風(fēng)機轉(zhuǎn)速控制

循環(huán)風(fēng)機轉(zhuǎn)速初始設(shè)定按照不同的熱處理溫度范圍進行分段設(shè)定， 設(shè)定包括工作轉(zhuǎn)速和降頻下限轉(zhuǎn)速。當熱處理爐保溫設(shè)定溫度在某一溫度范圍內(nèi)，循環(huán)風(fēng)機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在預(yù)先設(shè)定好的轉(zhuǎn)速值。 在保溫后期，當產(chǎn)品的溫度基本達到工藝溫度后，若爐膛溫度有超出保溫上限的趨勢時，循環(huán)風(fēng)機轉(zhuǎn)速按照0.5 Hz/30 s 的速率進行降頻控制（時間設(shè)定，降頻設(shè)定均可軟件調(diào)整），由于熱處理溫度參數(shù)本身屬于響應(yīng)時間相對滯后的過程量控制， 所以設(shè)定時間是降低循環(huán)風(fēng)機轉(zhuǎn)速后等待爐膛溫度穩(wěn)定。 為了保證爐內(nèi)循環(huán)流場，每段降頻控制均設(shè)定降頻下限，當循環(huán)風(fēng)機頻率降低至下限頻率后還無法控制溫度超溫，將循環(huán)風(fēng)機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在下限轉(zhuǎn)速， 通過間斷開啟時效熱處理爐的冷卻閥門完成溫度控制。

（3）溫度控制軟件流程圖

溫度控制采用工業(yè)控制器內(nèi)部編程完成， 應(yīng)用控制器內(nèi)部的PID 控制模塊和循環(huán)風(fēng)機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)共同實現(xiàn)對爐內(nèi)溫度的控制。 循環(huán)風(fēng)機轉(zhuǎn)速控制軟件流程如圖2 所示。

第一步：工藝啟動，循環(huán)風(fēng)機和加熱器啟動，開始工作，工業(yè)控制器按照預(yù)先給定的循環(huán)風(fēng)機轉(zhuǎn)速和PID 模塊自動計算的輸出功率控制熱處理工藝運行。

第二步：爐氣到溫，產(chǎn)品緩慢升溫，直到產(chǎn)品進入設(shè)定溫度范圍。

第三步：檢測爐氣超溫，當爐氣溫度有超溫趨勢時（設(shè)定溫度-實際溫度≥-2.0 ℃），檢測PID 控制的加熱器輸出是否為零，若不為零，則減小PID 的輸出加熱功率。 若PID 輸出加熱功率已經(jīng)為零， 等待1 min。 這里等待1 min 主要是由于溫度控制屬于滯后控制，當對加熱器功率或循環(huán)風(fēng)機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)后，需要滯后一段時間溫度才會有變化顯現(xiàn)。

第四步：判斷循環(huán)風(fēng)機轉(zhuǎn)速是否下降到了預(yù)先設(shè)定的下限轉(zhuǎn)速值，若下降到設(shè)定的下限轉(zhuǎn)速值，那么需要間斷性地啟停進氣閥門進行降溫控制。若循環(huán)風(fēng)機轉(zhuǎn)速沒有降到下限設(shè)定值，對循環(huán)風(fēng)機轉(zhuǎn)速進行降頻調(diào)節(jié)。 每次降頻0.5 Hz，計時30 s（時間可調(diào)），再檢測爐氣是否超溫，從而完成一次檢測的過程。

2 控溫方式實際應(yīng)用效果

在熱處理爐設(shè)備80～250 ℃范圍內(nèi)選取5 個溫度點，進行升溫及保溫過程的溫度控制測試，實測效果詳見圖3。 每圖中上下兩條橫線分別對應(yīng)該溫度點的控制上下限，控制溫度波動范圍為±1.5 ℃。在爐膛有效區(qū)內(nèi)布置若干溫度檢測熱電偶， 測試結(jié)果表示爐內(nèi)各點溫度均在控制精度要求范圍內(nèi)。

圖2 時效爐溫度控制原理示意圖

圖3 控溫實測結(jié)果圖

3 結(jié)論

本文提到的溫度控制方法可以有效彌補傳統(tǒng)溫度控制方法的缺點，大幅度提高控制精度，提高爐溫均勻性指標。使熱處理產(chǎn)品受熱溫度更均勻、成品品質(zhì)進一步提高。

循環(huán)風(fēng)機運行轉(zhuǎn)速與溫度控制聯(lián)鎖， 既可以滿足控溫要求，亦可以達到節(jié)能、降低成本的目的，符合設(shè)備精細化控制的發(fā)展趨勢。

該方案能解決溫度控制精度及穩(wěn)定性問題，可滿足爐溫均勻性達到±1.5 ℃的要求， 突破目前國際上對溫度均勻性控制最高等級的標準要求， 實現(xiàn)了空氣循環(huán)爐的高精度溫度控制。