阅读说明：本技术 一种不锈钢管热处理炉的氧化还原保护装置 (Oxidation-reduction protection device of stainless steel tube heat treatment furnace ) 是由 曹丽琴 张红升 周艳萍 陈端 梁鸿 赵元 于 2019-11-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种不锈钢管热处理炉的氧化还原保护装置,属于热处理炉装置的气体保护技术领域,包括热处理炉、氢气储罐、氦气储罐、氢气管道、氦气管道及控制回路；氢气储罐通过氢气管道连接于三通阀的A进口；氦气储罐通过氦气管道连接于三通阀的B进口；三通阀的出口端与热处理炉连通；三通阀和氢气储罐之间的氢气管道上依次设置有电动闸阀A和电动调节阀；氦气管道上设置有电动闸阀B；控制回路包括控制炉内氧气含量的反馈控制系统、控制氢气管道内氢气流量的前馈控制系统和分程控制系统,通过三个控制系统的综合调控,本发明可以保证不锈钢管热处理时不被氧化,保证根据炉内氧气含量使用氢气的经济性,杜绝了氢气爆炸的可能性。(The invention discloses an oxidation-reduction protection device of a stainless steel tube heat treatment furnace, belonging to the technical field of gas protection of heat treatment furnace devices, and comprising a heat treatment furnace, a hydrogen storage tank, a helium storage tank, a hydrogen pipeline, a helium pipeline and a control loop; the hydrogen storage tank is connected with an inlet A of the three-way valve through a hydrogen pipeline; the helium storage tank is connected to the inlet B of the three-way valve through a helium pipeline; the outlet end of the three-way valve is communicated with the heat treatment furnace; an electric gate valve A and an electric regulating valve are sequentially arranged on a hydrogen pipeline between the three-way valve and the hydrogen storage tank; an electric gate valve B is arranged on the helium pipeline; the control loop comprises a feedback control system for controlling the oxygen content in the furnace, a feedforward control system for controlling the hydrogen flow in the hydrogen pipeline and a branch control system, and the invention can ensure that the stainless steel pipe is not oxidized during heat treatment through the comprehensive regulation and control of the three control systems, ensure the economy of using hydrogen according to the oxygen content in the furnace and stop the possibility of hydrogen explosion.)

一种不锈钢管热处理炉的氧化还原保护装置

技术领域

本发明涉及热处理炉装置的气体保护技术领域，尤其是一种不锈钢管热处理炉的氧化还原保护装置。

背景技术

奥氏体不锈钢是一种包含多种合金元素的特殊钢，无论是热挤压还是冷拔成形制造的钢管，都会改变原来均一的奥氏体结构。为了恢复到原来的晶粒结构，需要对成形后的不锈钢管进行热处理来恢复奥氏体的组织结构。不锈钢管在加热保温的过程中，如果空气中的氧气成分进入表面就会出现黑色氧化皮。为了使工件更光亮并呈银白色，提高基体的光洁度，理想状态是将钢管在真空炉中进行热处理，真空热处理的最大优点就是能得到良好的光亮面。但不锈钢真空热处理时会产生脱铬现象，使耐腐蚀性明显下降，且真空炉不便于进行不锈钢管的连续热处理，因此很难在工业生产中使用。为了实现连续化的热处理，尤其是针对核电站等要求较高的钢管，可采用纯度为99.99%的高纯氢气作为保护气体进行热处理。在此种氢气保护的连续热处理炉中，氢气可以借助炉内空气中的氧气燃烧，将炉膛内氧气耗尽。同时，不锈钢表面在连续热处理时不可避免的会生产轻微的氧化物，因为氢气是还原性气体，高温时能够和氧化物反应，达到去除不锈钢管表面氧化物的效果。

由于氢气除了根据易燃特性可以消耗炉内氧气外，还具有易爆特性。当热处理炉内氢气量积聚过多时，燃烧速度达到爆轰的水平就会发生***，而如果氢气量过小，对不锈钢表面的保护和还原作用效果将减弱，产品质量下降。此外，现有技术方法无法从根本上规避***的危险性，不时有或大或小的热处理炉***事件发生。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种控制热处理炉内氧气含量、保持热处理炉内氢气含量稳定的实时调节的气体保护装置，而且带有安全备用回路的不锈钢管热处理炉的氧化还原保护装置。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种不锈钢管热处理炉的氧化还原保护装置，包括热处理炉、氢气储罐、氦气储罐、氢气管道、氦气管道及控制回路，其特征在于：氢气储罐通过氢气管道连接于三通阀的A进口，氦气储罐通过氦气管道连接于三通阀的B进口；所述三通阀的出口端与热处理炉连通；所述三通阀和氢气储罐之间的氢气管道上依次设置有电动闸阀A和电动调节阀；所述氦气管道上设置有电动闸阀B；所述控制回路包括控制热处理炉炉内氧气含量的反馈控制系统、控制氢气流量的前馈控制系统和分程控制系统。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述反馈控制系统包括安装在热处理炉上端并测量热处理炉内氧气含量的氧气测量传感器；与氧气测量传感器和流量控制器相连并接收氧气测量传感器发送的测量信号，将测量信号转换为流量控制器可识别的标准信号的氧气测量变送器；与电动调节阀连接并控制电动调节阀开度的流量控制器。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述前馈控制系统包括安装在氢气储罐与电动调节阀之间的氢气管道上并测量氢气管道内的氢气流量的流量测量传感器；与流量测量传感器和流量控制器连接并接收流量测量传感器发送的测量信号，将测量信号转换为流量控制器可识别的标准信号的流量测量变送器。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述分程控制系统包括安装在热处理炉下端并测量热处理炉内压力的压力测量传感器；与压力测量传感器和压力控制器相连并接收压力测量传感器发送的测量信号，将测量信号转换为压力控制器可识别的标准信号的压力测量变送器；与电动闸阀A和电动闸阀B并联连接，并对电动闸阀A和电动闸阀B进行控制的压力控制器。

本发明技术方案的进一步改进在于：氧气测量变送器将测量信号转换为4-20mA的标准信号。

本发明技术方案的进一步改进在于：流量测量变送器将测量信号转换为4-20mA的标准信号。

本发明技术方案的进一步改进在于：压力测量变送器将测量信号转换为4-20mA的标准信号。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

1、本发明采用反馈控制系统，当热处理炉炉膛内部氧气含量过高时，按PID控制规律中的比例积分（PI）规律增大电动调节阀开度，使得进入热处理炉炉膛内的氢气量可以快速的平衡掉氧气的增加量，且由于具有积分条件作用，可以消除余差，因而可以实现对热处理炉炉内氧气的实时、准确控制，避免不锈钢管被氧化；同理，当热处理炉炉膛内氧气含量减小，不能完全燃烧所给氢气时，采用同样的方法减小电动调节阀开度来减小通入的氢气量，以防炉内氢气过量聚集发生危险。

2、本发明采用前馈控制系统，当由于温度变化或者氢气储罐内储量变化导致氢气储罐内压力波动进而导致氢气管道中氢气流量波动时，可以快速的调整电动调节阀开度，以保证氢气管道流量自身的稳定性。

3、本发明采用分程控制系统，将氢气回路设置为主回路，将氦气回路设置为确保安全的备用回路；正常工作状态时主回路氢气管路处于开启状态，氦气备用回路处于关闭状态；当炉内压力过低时，切换回路，让主回路关闭，备用回路打开，向炉膛内快速大量通入保护性惰性气体氦气，以防发生***危险。

4、通过本发明可以保证不锈钢管热处理时不被氧化，且能保证根据炉内氧气含量适量的使用氢气，经济性高，同时保证炉内不发生氢气聚集，杜绝了氢气***的可能性，具有很大的推广前景和社会需求。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明反馈控制回路的控制方框图；

图3是本发明前馈控制回路的控制方框图；

图4是本发明分程控制回路的控制方框图。

其中，1、热处理炉，2、氢气储罐，3、氦气储罐，4、氧气测量传感器，5、氧气测量变送器，6、流量控制器，7、流量测量变送器，8、流量测量传感器，9、压力测量传感器，10、压力测量变送器，11、压力控制器，12、三通阀，13、电动闸阀A，14、电动调节阀，15、电动闸阀B，16、氢气管道，17、氦气管道。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明：

一种不锈钢管热处理炉的氧化还原保护装置，包括热处理炉1、氢气储罐2、氦气储罐3、氢气管道16、氦气管道17及控制回路；氢气储罐2通过氢气管道16连接于三通阀12的A进口，氦气储罐3通过氦气管道17连接于三通阀12的B进口；所述三通阀12的出口端与热处理炉1连通；所述三通阀12和氢气储罐2之间的氢气管道16上依次设置有电动闸阀A13和电动调节阀14；所述氦气管道17上设置有电动闸阀B15；所述控制回路包括控制热处理炉1炉内氧气含量的反馈控制系统、控制氢气流量的前馈控制系统和分程控制系统。

所述反馈控制系统包括安装在热处理炉1上端并测量热处理炉1内氧气含量的氧气测量传感器4；与氧气测量传感器4和流量控制器6相连并接收氧气测量传感器4发送的测量信号，将测量信号转换为流量控制器6可识别的4-20mA的标准信号的氧气测量变送器5；与电动调节阀14连接并控制电动调节阀14开度的流量控制器6。

所述前馈控制系统包括安装在氢气储罐2与电动调节阀14之间的氢气管道16上并测量氢气管道16内的氢气流量的流量测量传感器8；与流量测量传感器8和流量控制器6相连并接收流量测量传感器8发送的测量信号，将测量信号转换为流量控制器6可识别的4-20mA的标准信号的流量测量变送器7。

所述分程控制系统包括安装在热处理炉1下端并测量热处理炉1内压力的压力测量传感器9；与压力测量传感器9和压力控制器11相连并接收压力测量传感器9发送的测量信号，将测量信号转换为压力控制器11可识别的4-20mA的标准信号的压力测量变送器10；与电动闸阀A13和电动闸阀B15并联连接，并对电动闸阀A13和电动闸阀B15进行控制的压力控制器11。

具体的如图1所示，一种不锈钢管热处理炉的氧化还原保护装置，包括热处理炉1、氢气储罐2、氦气储罐3、氧气测量传感器4、氧气测量变送器5、流量控制器6、流量测量变送器7、流量测量传感器8、压力测量传感器9、压力测量变送器10、压力控制器11、三通阀12、电动闸阀A13、电动调节阀14、电动闸阀B15、氢气管道16和氦气管道17；图中带方向箭头的管线，实线部分为实际的气体管道，虚线部分为控制回路。

气体管道主要分为氢气回路和氦气回路两条，且其流通方向固定，其中，以储罐内部压力为动力源，在正常工作状态时，氢气回路用于将氢气自氢气储罐2中传输至热处理炉1中；在炉内压力过低的异常工况时，启用备用回路，将氦气自氦气储罐3传输至热处理炉1中。

控制回路部分，整个系统采用前馈+反馈+分程控制系统，其中反馈控制回路可以通过调节输入热处理炉1内的氢气量来实现对热处理炉1内氧气含量的抑制；前馈控制回路通过调整电动调节阀14的开度来抑制氢气管道16内氢气流量的波动，以保证输入热处理炉1内的氢气量与炉内氧气含量匹配；在前馈和反馈控制的基础上，加入分程控制回路以确保热处理炉1内压力过低导致的***危险性。

具体的，氧气测量传感器4测量热处理炉1内的氧气含量，然后将测量信号传递给氧气测量变送器5后转换为4-20mA的标准信号，可以被流量控制器6所识别；流量测量传感器8测量氢气管道16内的氢气流量，然后将测量信号传递给流量测量变送器7后转换为4-20mA的标准信号，可以被流量控制器6所识别；流量控制器6按照氧气测量变送器5传递过来的输入值，并参照流量测量变送器7提供的自身管道内流量的波动情况，将综合结果作为流量控制器6的输入值，然后流量控制器6根据给定的控制规律，计算出输出值，用以确定电动调节阀14的开度变化，以保证输入热处理炉1内的氢气量既可以耗尽氧气、还原不锈钢管表面氧化物，还没有过多的剩余。

氧气测量变送器5将氧气含量的测量信号转变为标准电信号后，与流量控制器6中的设定值比较，所得差值作为流量控制器6的输入值，然后流量控制器6根据输入值计算得出输出值，所述输出值用于控制电动调节阀14的开度，以保证进入热处理炉内的氢气量与热处理炉1内氧气含量匹配。

流量测量变送器7将氢气流量的测量信号转变为标准电信号后，与所述流量控制器6中的设定值比较，所得差值作为流量控制器6的输入值，然后流量控制器6根据输入值计算得出输出值，所述输出值用于控制电动调节阀14的开度，以保证氢气流量自身的稳定。

压力测量传感器9测量热处理炉1内的压力变化，然后将测量信号传递给压力测量变送器10后转换为4-20mA的标准信号，可以被压力控制器11所识别；压力控制器11按照压力测量变送器10传递过来的输入值，与设定值比较，差值作为压力控制器11的输入值，然后压力控制器11根据偏差来确定炉内是否有***的风险，当有***风险时，将工艺回路切换至备用回路，将氦气快速的通入热处理炉1内，保证炉内安全。

压力测量变送器10将炉内的压力测量信号转变为标准电信号后，与所述压力控制器11中的设定值比较，所得差值作为压力控制器11的输入值，然后压力控制器11根据输入值计算得出输出值，所述输出值用于决定电动闸阀A全开而电动闸阀B全关，还是电动闸阀A全关和电动闸阀B全开，以此决定流入炉内的是氢气还是惰性气体氦气。

系统的控制方案为：

为了防止不锈钢管在热处理炉1内发生氧化，可以根据热处理炉1内的氧气含量的变化，调节氢气气体的补给量，实现热处理炉1内氧气被消耗光且没有过多氢气堆积的效果；为了控制氢气流量波动，可根据氢气管道16内的氢气的流量变化来调整电动调节阀14的开度；为了防止热处理炉1内压力瞬间下降导致的压力过低而产生***危险，可以根据热处理炉1内压力的变化来决定是否切换备用回路，将惰性气体氦气通入热处理炉1中，杜绝***的可能性。

根据硬件条件，可以将仪表控制升级为计算机直接控制DDC系统，即上述系统用计算机来控制，可以采用模糊控制、神经元控制等先进算法来代替仪表控制的PID方法。

PID控制器(比例-积分-微分控制器)是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。

以下实施例采用仪表控制的PID方法：

将整个系统按图1所示连接，在正常操作状态下，大量不锈钢管在热处理炉1内进行热处理，通过氧气测量传感器4对热处理炉1内氧气含量进行实时监测，通过氧气测量变送器5将测量信号转变为标准信号后实时传递给流量控制器6，流量控制器6控制电动调节阀14的开度，使得充入热处理炉1内的氢气可以完全消耗掉炉内氧气且无过多的聚集。

如图2所示，当热处理炉1内氧气含量增加时，氧气测量传感器4将测得的数据传递给氧气测量变送器5后被转变为流量控制器6可以识别的4-20mA标准电信号，然后流量控制器6将测量值与设定值进行比较，将其差值称为偏差，作为流量控制器6的输入，由于氧气含量增加，偏差大于设定值，流量控制器6根据比例积分控制方法来增大电动调节阀14的开度，使得由高压的氢气储罐2输入到热处理炉1炉膛内的氢气流量增加到足以平衡氧气含量的增加量。此过程中氧气测量传感器4持续不断的在测量热处理炉1内的氧气含量，流量控制器6根据变化值实施对电动调节阀14的开度进行调整，以此构成一个完整的反馈闭环控制系统。反之亦然，当热处理炉1炉内氧气含量降低时，流量控制器6将减小输入热处理炉1内的氢气量，以防氢气过多的聚集。

如图3所示，氢气由氢气储罐2输送至热处理炉1的动力源是氢气储罐2内的较高的压力，当温度变化或者储罐内储量变化时，都会导致动力强度的改变，引起氢气流量的波动。当温度升高导致氢气储罐2的内压升高时，首先流量测量传感器8测得氢气管道16内的氢气流量增大，测量值被传送给流量测量变送器7，流量测量变送器7将其转为4-20mA标准电信号后传递给流量控制器6，流量控制器6根据比例积分控制方法来减小电动调节阀14的开度，以保证氢气传输量的稳定。反之亦然，当温度降低时，采用相同的控制原理，增大电动调节阀14的开度，保证氢气传输量的稳定。

图3中，干扰f为管道内氢气流量的波动，干扰作用到氢气流量之间存在两个传递通道：一个是f从干扰通道Gf去影响作为被控变量的氢气流量，另一个通道是从f出发经测量装置和电动调节阀14产生的补偿调节作用，经控制通道GP去影响作为被控变量的氢气流量。调节作用和干扰作用对氢气流量的影响是相反的，这样，在合适的控制参数下，控制通道的作用就可以抵消f对氢气流量的影响，这就构成了一个前馈控制系统。

如图4所示，通过以上反馈控制系统和前馈控制系统的系统控制后，热处理炉1内的氧气含量和氢气含量处于一个相对稳定的状态，但当某些特殊情况，如某瞬间热处理炉1内燃烧速度过快，导致热处理炉1内气压骤降，此时外部空气将快速补充进来，即氧气含量暴增，而用来平衡的氢气含量也将随之暴增，***危险性极高，此为非正常工况的异常工况。采用压力测量传感器9对热处理炉1炉膛内压力进行实时、连续测量，并将测量值通过压力测量变送器10传递给压力控制器11，当测量值大于设定值时，压力控制器11判断热处理炉1内没有***危险，因此将关闭电动闸阀B15以截断氦气进入热处理炉1的通道，而将电动闸阀A13设置为全开状态，保证氢气通道的畅通。一旦压力测量传感器9监测到热处理炉1炉膛内压力瞬间降低至低于设定值时，压力控制器11将关闭电动闸阀A13来阻止氢气进入热处理炉1，同时将工艺回路切换至备用安全回路—氦气回路，将电动闸阀B15全开使得大量的氦气快速进入热处理炉1炉膛内，在杜绝***危险的同时，氦气作为保护性气体可以防止不锈钢管被氧化（说明：氦气没有还原功能，这就是不选氦气而选氢气做还原气体的原因）。当热处理炉1内压力恢复到正常状态时，控制回路将再次切换到正常操作状态，打开氢气回路，关闭氦气回路，这就构成了一个完整的分程控制系统，在热处理操作不停止的状态下，度过了可能发生***危险的异常工况，实现工艺回路和备用安全回路的自动切换。

综上所述，本发明提供了一种不锈钢管热处理炉的氧化还原保护装置，主要是将气体管道分为氢气回路和氦气回路，控制回路采用前馈+反馈+分程三者相结合的控制系统，通过调节输入热处理炉内的氢气量来实现对炉内氧气含量的抑制；通过调整电动调节阀的开度来抑制氢气管道内氢气流量的波动，保证输入热处理炉内的氢气量与炉内氧气含量匹配；通过分程控制回路确保热处理炉内压力过低导致的***危险性；可以保证不锈钢管热处理时不被氧化，能够保证根据炉内氧气含量使用氢气的经济性，保证炉内不发生氢气聚集，杜绝了氢气***的可能性，可广泛应用于热处理炉装置的气体保护技术领域。