关于水平钢化炉的温度控制分析

发布于：2015-09-09 14:06:09 来自：建筑结构/钢结构工程 [复制转发]

　1.引言
　　玻璃要想钢化，必须使其温度从室温升高到退火温度以上(700℃左右)，才能消除玻璃内的残留应力。但由于玻璃在加热过程中，不同程度地呈现出大时滞、大惯性、时变性的缺点，其现象表现为保温过程中温度波动幅度大，加热过程中温度不均的时间过长，容易出现爆炉，一炉生产周期中所需加热时间过长，或玻璃翘曲等，如何使进入炉内的玻璃安全、迅速而且均匀地升高到所需的温度，直接关系到生产成本的高低，产品质量的好坏。如何解决上述存在的问题呢，首先应了解从物体如何被加热的基本原理说起。
　　2.热且传递的三种基本形式
在钢化炉中玻璃的加热不外乎通过三种热量传递途径:传导、对流和辐射。
(1)传导:物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热虽传递称导热。如:固体与固体之问及固体内部的热量传递。水平钢化炉内炉辊的热量传给玻璃的过程即属于传导加热方式。
(2)对流:是指由于流体的宏观运动，使流体各部分之问发生相对位移.冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。根据引起流动的原因可分成:自然对流和强制对流。
自然对流是指由于流体冷热各部分的密度不同产生一定的压差而引起流体的流动。如:钢化炉内下部温度低，上部温度高的原因就是因为热空气密度轻，向上流动形成自然对流的结果。
强制对流是流体在外力作用下向某个方向硬性流动，如水泵、风机或其他压差作用造成的流体流动。如:利用压缩空气或循环风机的搅动将热空气吹向玻璃表面的过程就属于强制对流的传递过程。
(3)辐射:
①辐射和热辐射:物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。
②辐射换热:辐射与吸收过程的综合作用造成了以辐射方式进行的物体间的热盘传递称辐射换热。
自然界中地物体都在不停的向空间发出热辐纸同时又不断地吸收其他物体发出的招射热。辐射换热是一个动态过程，当物体与周围环境温度处于热平衡时顺射换热量为零，但辐射与吸收过程仍在不停地进行，只是辐射热与吸收热相等。
钢化炉内电加热丝通电产生的热量就是通过辐射换热的方式.将热量传递到辐射板上，再由它辐射到欲被加热的玻璃上的。
　　3．传导、对流和辐射传热的特点及对玻璃加热的影响
(1)传导、对流两种热量传递方式，只在有物质存在的条件下，才能实现。而热辐射不需中间介质，可以在真空中传递，而且在真空中辐射能的传递最有效，所以热辐射也被称作非接触性传热。在水平钢化炉玻璃的加热过程中，传导为硬接触性传热，
对流为软接触性传热。对于接触性传热来说，被加热体接触表面积越大，吸收热量的效率越高。
(2)辐射、传导、对流对物体传热的效率表现为:传导>对流>辐射
(3)由于沪辊对玻璃产生的传导热只发生在玻璃下表面，玻璃下表面比上表面多了一种热量获取途径，这在水平钢化炉中不可避免地会使玻璃表面产生上下温差，造成玻璃在初始加热阶段出现上翘现象。
(4)在外部环境温度一致的情况下.玻璃边部与热介质接触表面积大.而对辐射热的反射小.造成吸热效率相对中部快，即玻璃边部温升快。特别是特大片玻璃，反应更明显。
(5)不同的玻璃.对辐射热量吸收的程度不同，低辐软Low一E座璃及其他镀膜玻璃对辐射热有更强的反射作用，更不容易被加热。
　　鉴于以上种种原因.即使在周围环境温度一致的情况下，也可能会使玻璃在加热过程中，因各部分吸热速率不一致而出现局部与整体及外面与里面、上表面与下表面的应力相差过大，从而发生轻微弯曲，严重时甚至炸炉。而由于弯曲的玻璃与辊面接触面积变小，压强增大，造成玻璃在往复运动中容易被擦伤、影响钢化玻璃的表面质量。所有这些都是在设计钢化炉时必须要考虑尽量避免的。
　　4.热里的产生与控制
当前市场上所有的钢化沪都是电阻沪.其所有热量均来自电加热体。所谓加热的过程是将它通电后，电能被转化为热能，再通过有效的传热途径传递到玻璃上而实现的。钢化生产时.玻璃加热是一炉一炉进行的，每一炉中我们需要将玻璃从室温升高到700℃左右，并保持一定的时间，然后等玻瑞出炉后，使炉温迅速稳定下来等待下一炉的开始。
为了叙述方便，我们将生产状态分成保温状态和升温状态。这两种状态对热量的需求不一，对炉温的影响也不同。
保温状态:产生的热量只需平衡炉体因散热而消耗的热量，其散热串是固定不变的，并且变化过程是缓慢的，采用PID调节法控制，效果比较理想，能够便炉温保持在正负1℃范围内。

　　升温状态:如图1所示，玻璃刚进人炉体时，原有的热平衡状态突然被打破，引起炉温的急剧下降，下降幅度在20-100℃之间。随着玻璃温度的上升，炉温也逐步趋向设定值，直到玻璃温度与炉温一致，加热过程也就宣告结束。
　　剧烈的炉温变化，易造成控温系统调节过渡，且细微的温控需求表现不出来，这种现象称之为温度的时滞性和大惯性。此时即便采用PID调节法，效果也不太理想。这是控温过程中应该尽量避免的原则之一。
　　如果蓄热能量远远大于被加热体(吸热体)需要吸收的热量，吸热体的突然进人不会造成炉温的急剧变化。目前在钢化炉中电炉丝的外面罩着一层辐射板.目的就是增加炉体的蓄热能力。
　　另外，可采用分段加热法。将加热炉从低到高分成几个具有不同炉温的段，玻璃通过式加热，这种方式也能减轻炉温的剧烈变化。
　　5.当前钢化炉温度控制技术的分析
(1)1段式电加热:即在玻璃运行方向，布置的电加热体为1段，同时通电同时断电，为了解决炉边散热比中部快的问题，每1段电加热丝的功率分配为两头大，中间小(通过电加热螺旋管的疏密度控制功率分配)。其优点是控温回路少，1个炉体上下只需20个左右的控温回路，成本低，能够不停炉更换电加热丝。但缺点也很明显，即炉温控制精度差，炉内温度分布不均时不容易调整。
(2)多段式电加热:加热体在炉体纵向被分成3、4段，整个炉体由约8洲、电加热体组成。相当于在水平面上将炉体分割成许多个小的加热区，矩阵式排列。相对吐段式电加热，其控温回路显著增多，能够根据钢化批次中玻璃规格的不同，制定出相对应的加热炉平面上各点的不同温度设定值，来更加精确、快速地调整沪温，保持炉丝加热与玻璃均匀吸热同步。但缺点是炉丝断了不能在线更换，维修成本较高，由于控温回路多，其控温点的温度设定相对也较繁杂，需要经过多次的经验摸索，最终找出最优2控方案。
(3)增加预热炉或1炉2室，可解决Low-E玻璃在300℃下辐射传热效率低而造成的玻璃上下表面加热温升不一的缺点。另外.增加预热炉可减少待炉时间，提高生产效率。
(4)热平衡管辅助加热;利用对流传递热量原理，将具有一定压力的外部压缩空气通过纵向分布的热平衡管吹向玻璃上、下表面，搅动空气，加速向玻璃传递热量，并平衡玻璃上、下表面存在的温差。另外，由于沪内空气受到外力的搅动，炉内各点温度相互中和，加快玻璃上下、左右各点温度趋于一致。但由于向炉体内注人的是低温压缩空气，将消耗炉内的部分热能，不利于节能环保。
贷环同的阶段，采用不同的控沮策略。如加热前半段，玻璃在升温过程中，最容易出现各点温升不均的现象，此时开启上、下部热平衡，可有效地解决玻璃上下温差大的问题。在加热后半段，玻璃上下温差已不明显.应以提高加热速度为主，可关闭各个热平衡，电加热以前馈控制为主。在待炉阶段，主要使炉内各加热体热惯性的热量得到控制，此时采用前馈加PID控制电加热，效果最好。在这几个阶段，前毓法所需的温度设定值可作适当调整，并在实践中不断总结经验，逐步摸索出本台加热炉的理想控温曲线。
(6)矩阵式内部强制对流:通过内置的在炉体纵向排列多套高温热风循环系统，强制将炉内高温空气进行大级别的热风循环，强度通过变频电机无级调速控制，横向增加风路的空气分配装置，保证风机在一侧进风的情况下，空气压力流量的左右横向均匀分布。这种气流的定量定向控制技术的应用.能够严格控制加热气流在玻璃表面的加热路径和时间，确保玻璃的均匀加热和提高热传递效率。正是因为这种技术能够极大地提高加热玻璃的传递效率，又不损耗热量，目前已成为市场中主要的革新方向。
　　6.结束语
　　温度控制是一个比较复杂的过程控制系统工程，要使被控对象达到理论化的水平，不仅要重视对电加热体热量产生的精确控制，更要重视将电加热体产生的热量如何最有效地传递到玻璃上的方法，才能以最经济适用的手段满足工艺要求，在激烈的市场竞争中寻求突破甲设计制造出优良的钢化炉。

温度控制