LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài luận văn “Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển
nhiệt độ lò nung phôi cho nhà máy cán thép” là công trình nghiên cứu khoa học của
bản thân.
Các số liệu có nguồn gốc rõ ràng tuân thủ đúng nguyên tắc và kết quả trình
bày trong luận văn đƣợc thu thập đƣợc trong quá trình nghiên cứu là trung thực.
Hà Nội, ngày 22 tháng 07 năm 2016
Học viên
Bùi Thu Thủy

1


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT

Ký hiệu

Tên đầy đủ

Chú thích

1

AI

Analog input

Tín hiệu đầu vào tƣơng tự

2

Dầu nhiên liệu ( Dầu nặng)

6

HMI

Human – Machine

Giao diện ngƣời – máy

Interface
7

LMN

Manipulated value

Giá trị đầu ra module mềm
PID

8

MATLAB

Matrix Laboratory

Phần mềm tính toán và mô
phỏng

9


PID

Proportional Integral

Thuật toán điều khiển vi tích

Derivative

phân tỷ lệ

2


12

PLC

Programmable Logic

Thiết bị logic khả trình

Controller
13

STL

Statement list

Ngôn ngữ liệt kê lệnh

Hình 1.3. Dây chuyền cán thép thanh .......................................................................16
Hình 1.4. Dây chuyền cán thép hình .........................................................................17
Hình 2.1. Giản đồ nung 3 giai đoạn ..........................................................................20
Hình 2.2. Sơ đồ cung cấp khí nén vào lò ..................................................................28
Hình 2.3. Sơ đồ cấp dầu FO vào lò ...........................................................................30
Hình 2.4. Hệ thống cấp gió .......................................................................................33
Hình 3.1. Cấu trúc chung của hệ điều khiển .............................................................45
Hình 3.2. Sơ đồ khối điều khiển nhiệt độ lò nung ....................................................46
Hình 3.3. Sơ đồ cấu trúc hệ thống .............................................................................47
Hình 3.4. Sơ đồ cấu trúc điều khiển nhiệt độ ............................................................48
Hình 3.5. Đặc tính chính xác của lò nung .................................................................51
Hình 3.6. Đặc tính gần đúng của lò nung ..................................................................51
Hình 3.7. Sơ đồ cấu trúc điều khiển vùng đều nhiệt(Wđn) ........................................53
Hình 3.8. Sơ đồ cấu trúc điều khiển vùng nung(Wn) ................................................53
Hình 3.9. Sơ đồ cấu trúc điều khiển vùng nung sơ bộ(Wnsb) ....................................53
Hình 3.10. Mô hình bộ điều khiển PID .....................................................................55
Hình 3.11. Điều khiển với bộ điều khiển PID...........................................................57
Hình 3.12. Sử dụng bộ điều khiển PID để điều khiển nhiệt độ vùng đều nhiệt........57
Hình 3.13. Mô phỏng trên Matlab Simulink vùng đều nhiệt ....................................58
Hình 3.14. Kết quả tìm thông số P,I,D vùng đều nhiệt bằng PID tune .....................59
Hình 3.15. Mô phỏng vùng đều nhiệt (Không có nhiễu) khi nhiệt độ đặt 1250°c....60
Hình 3.16.Mô phỏng vùng đều nhiệt (Có nhiễu tác động) khi nhiệt độ đặt 1250°c. 61
Hình 3.17. Mô phỏng trên Matlab Simulink vùng nung ...........................................62
Hình 3.18. Kết quả tìm thông số P,I,D vùng nung bằng PID tune ...........................62
Hình 3.19. Mô phỏng vùng nung(Không có nhiễu) khi nhiệt độ đặt 1280°c. ..........63
Hình 3.20.Mô phỏng vùng nung (Có nhiễu tác động) khi nhiệt độ đặt 1280°c. .......64

5



khẩu công nghệ dây chuyền của Trung Quốc từ cuối thập niên 1990. Nên các thiết
bị công nghệ trong các nhà máy đã trở lên cũ kỹ, lạc hậu ảnh hƣởng rất lớn tới năng
suất, chất lƣợng và giá thành của thành phẩm. Đồng thời với sự phát triển nhanh
chóng của ngành công nghiệp thép của Việt Nam cũng nhƣ Thế giới. Tạo nên sự
cạnh tranh mạnh mẽ không chỉ với thị trƣờng thép xuất khẩu, mà ngay chính trong
thị trƣờng nội địa, ngành thép Việt Nam cũng bị cạnh tranh bởi thép nhập khẩu từ
nƣớc ngoài. Từ những lý do đó, việc cải tạo nâng cấp thiết bị trong sản xuất cán
thép là một yêu cầu tất yếu.
Đối với nhà máy Cán thép Lƣu xá đã đƣợc thành lập đƣợc thành lập năm
1972 và bắt đầu đi vào sản xuất năm 1978.
Do yêu cầu đổi mới công nghệ nên từ năm 1995 đến nay nhà máy đã đầu tƣ
thêm nhiều máy móc, thiết bị nhằm nâng cao năng suất và chất lƣợng sản phẩm.
Tuy nhiên, qua khảo sát thực tế thì hệ thống điều khiểm và giám sát của nhà
máy còn nhiều công đoạn điều khiển thủ công và yêu cầu cao đối với kinh nghiệm
của ngƣời vận hành. Mặt khác, việc điều khiển nhiệt độ lò nung phôi là một mắt
xích quan trọng trong việc quyết định đến giá thành và chất lƣợng phôi.
Đồng thời, với sự phát triển vƣợt bậc của công nghệ tự động hóa đã thúc đẩy
việc nghiên cứu và cải tiến hệ thống tự động hóa cho các nhà máy cán thép. Nhằm
nâng cao năng suất, chất lƣợng sản phẩm và cạnh tranh về giá cả.
Xuất phát từ tình hình thực tế trên và đƣợc sự đồng ý của thầy giáo hƣớng
dẫn TS Nguyễn Huy Phƣơng, tôi đã chọn đề tài “Thiết kế hệ thống giám sát và
điều khiển nhiệt độ lò nung phôi cho nhà máy Cán thép”.

7


Luận văn bao gồm có 04 chƣơng:
Chương 1. Tổng quan về nhà máy Cán thép Lưu xá.
Chương 2. Tổng quan lò nung cán thép liên tục.
Chương 3. Xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò nung.

bắt đầu đi vào sản xuất thép phôi và đến ngày 29-11-1978 mới chính thức sản xuất
thanh thép hình đầu tiên ( thép U120). Và cũng từ đây dây chuyền luyện kim liên
hợp của công ty Gang Thép Thái Nguyên đã đƣợc khép kín từ khâu khai quặng luyện gang - luyện thép đến cán thép.
Nhà máy cán thép Lƣu Xá ban đầu đƣợc xây dựng và lắp đặt dây chuyền
công nghệ sản xuất thép hình các loại nhƣ: Thép góc (I), thép chữ (C), thép tròn…
để đa dạng hoá các chủng loại sản phẩm thép cán vả nâng cao chất lƣợng sản
phẩm, đáp ứng nhu cầu của thị trƣờng.
Năm 1995, nhà máy đã đầu tƣ thêm thiết bị công nghệ hiện đại với 5 cụm
máy 10 giá với đƣờng kính 360mm, 01 sàn làm nguội kiểu răng cƣa, 01 máy cắt
300 tấn và các thiết bị phụ trợ khác để sản xuất các sản phẩm gồm thép cây vằn
đƣờng kính từ D14-D40; thép thanh tròn trơn từ 18-60, nhằm đa dạng hoá và nâng
cao chất lƣợng sản phẩm, đáp ứng nhu cầu của thị trƣờng,.
Năm 1996, nhà máy đã đầu tƣ 01 lò nung phôi liên tục. Việc đầu tƣ này giúp
tăng hiệu quả sản xuất, giảm phần lớn tiêu hao năng luợng dầu FO và cải thiện chỉ
số vệ sinh môi trƣờng.
Năm 1998, nhà máy đã đầu tƣ bổ sung thêm thiết bị công nghệ hiện đại của
Ấn Độ để sản xuất thép dây 6, 8, gồm 02 máy cán 360, 01 cụm máy cán kiểu Block

9


6 giá, máy cắt, máy tạo vòng ép bó và sắp xếp sản phẩm. Năng lực sản xuất
>200.000 tấn thép cán/năm với nhiều sản phẩm thép tròn trơn, thép dây, thép vằn,
thép hình.
Trải qua 44 năm từ ngày thành lập nhà máy và 38 năm đi vào sản xuất đến
nay nhà máy chúng ta bao khó khăn gian khổ trong những năm bao cấp, và những
thách thức của những năm trong cơ chế thị trƣờng; những năm qua bao khó khăn
gian khổ và thách thức đó, nhà máy chúng ta vẫn tồn tại, đứng vững, phát triển và
trƣởng thành. Nhà máy đã đạt nhiều kỳ tích quan trọng: Sản xuất tăng liên tục sản
lƣợng thép cán năm sau cao hơn năm trƣớc, đạt và vƣợt công suất thiết kế ( Công


2

Thép thanh tròn trơn

Ø18 ÷ Ø60

3

Thép thanh vằn

D18 ÷ D40

4

Thép góc (Chữ L)

L63 ÷ L130

5

Thép chữ C

C60 ÷ C180

6

Thép chữ I

I100 ÷ I160

Sau khi ra lò phôi cán dịch chuyển trên đƣờng con lăn qua máy đẩy tiếp
trƣớc giá cán số 1, nhóm giá cán thô gồm 6 giá, công suất động cơ 250 kW bố trí
đứng nằm xen kẽ thẳng hàng liên tục. Bốn giá cán đầu có đƣờng kính trục Ø550
mm, 02 giá tiếp theo có đƣờng kính Ø450 mm. Sau 6 giá cán thô kích thƣớc phôi
cán là Ø55 mm.

13


Máy cắt bay CV50 làm nhiệm vụ cắt đầu, đuôi tự động. Sở dĩ có công đoạn
này vì trong quá trình cán làm biến dạng nên đầu phôi bị chẻ và nguội, nếu không
cắt bỏ sẽ làm khó khăn cho phôi khi ăn vào hệ thống cán trung dễ gây sự cố. Lƣợng
cắt đi ngắn hay dài là tùy thuộc vào yêu cầu, ngoài ra máy cắt bay còn có nhiệm vụ
cắt phá khi có sự cố ở các giá phía sau. Phôi trƣớc khi ăn vào hệ thống cán trung có
kích thƣớc 30mmx 30mm.Máy cắt này còn có nhiệm vụ chặt phôi thành từng đoạn
ngắn khi có sự cố không cho cán tiếp.
Nhóm giá cán trung/tinh gồm 8 giá, công suất động cơ 315 KW bố trí đứng
nằm xen kẽ. Từ giá số 7 đến giá số 10 có đƣờng kính trục là Ø370 mm, từ giá số 11
đến giá số 14 có đƣờng kính trục là Ø340 mm. Tuỳ theo từng sản phẩm mà số lần
cán và kích thƣớc lỗ hình cán có khác nhau.
- Sản phẩm thép thanh tròn trơn, vằn Ø32 mm, Ø36 mm kết thúc ở giá cán số
10.
- Sản phẩm thép thanh tròn trơn, vằn Ø25 mm, Ø30 mm kết thúc ở giá cán số
12.
- Sản phẩm thép thanh tròn trơn, vằn Ø18 mm, Ø22 mm kết thúc ở giá cán số
14.
- Sản phẩm trung gian cấp cho cán Block có kích thƣớc Ø16,8 ÷ Ø19,7 mm.
Vật cán chuyển tiếp từ giá nọ sang giá kia nhờ hệ thống dẫn hƣớng cơ khí và
máng chuyển. Từ giá cán số 9 đến giá cán số 14 giữa các giá có bố trí một máy tạo
trùng ( 5 máy tạo trùng ), mục đích tạo sự ổn định trong quá trình cán.

nguội, đây là giai đoạn thƣờng hoá thép dây, đồng đều hoá nhiệt độ trong lõi và bề
mặt thép.
Cuối sàn rải lăn có hố thu cuộn, các vòng dây rơi xuống hố thu cuộn và các
cơ cấu trong hố thu cuộn xe chuyển cuộn thép đƣợc đƣa tới máy buộc cuộn.Trƣớc
khi bó buộc cuộn sản phẩm thép cán đƣợc KCS, công nhân điều chỉnh sản phẩm
kiểm tra các thông số kích thƣớc sản phẩm để phân loại. Cuộn thép đƣợc thực hiện

15


tự động ép buộc (hoặc bằng tay khi cần thiết) đảm bảo đủ 5 đai gọn gàng chắc chắn.
Sau khi buộc cuộn thép đƣợc chuyển tới khu dỡ cuộn. Tại đây có bố trí một cân
điện tử tự động cân khối lƣợng của cuộn thép, gắn êtekét và cẩu nhập kho.
1.2.2. Quy trình cán thép thanh tròn trơn - vằn.

Hình 1.3. Dây chuyền cán thép thanh
Cán thép thanh đƣợc thực hiện chuyển tới hệ thống xử lý nhiệt từ 2 đƣờng
tuỳ theo từng loại sản phẩm (Xem sơ đồ dây chuyền công nghệ cán hình 1.1).
+ Thép thanh có kích thƣớc bằng Ø18, cấp từ 14 các giá cán đứng nằm liên
tục.
+ Thép thanh có kích thƣớc Ø16, cấp từ các giá cán block..
Hệ thống QTB bao gồm nhiều chi tiết khác nhau, công dụng xử lý nhiệt làm
tăng độ bền, bóng đẹp của thanh thép sản phẩm.
Thép thanh trƣớc khi vào sàn nguội đƣợc cắt phân đoạn với chiều dài phù
hợp với chiều dài sàn nguội và bội số của đoạn thép thƣơng phẩm. Trên sàn nguội
thép đƣợc làm nguội tự nhiên, tạo sự ổn định đồng đều bền vững cơ lý của thanh
thép và thuận lợi cho quá trình công nghệ tiếp theo. Thép thanh đƣợc cắt đoạn
16



vào kho.
1.3.

Kết luận chƣơng 1
Trong chƣơng 1, tôi đã giới thiệu về lịch sử và quá trình phát triển của nhà

máy cán thép Lƣu xá. Các sản phẩm mà nhà máy hiện nay đang sản xuất. Trình bày
về quy trình công nghệ sản xuất thép dây cuộn, thép thanh và thép hình.
Qua phần trình bày trên, ta nhận ra công nghệ hiện tại của nhà máy tuy đã
đƣợc đầu tƣ để nâng cấp, song vẫn còn nhiều khâu thủ công và lạc hậu. Vì thế việc
nâng cao chất lƣợng hệ thống điều khiển cũng nhƣ giám sát hoạt động của nhà máy
là vấn đề cấp thiết hiện nay.

18


CHƢƠNG 2. TỔNG QUAN LÒ NUNG CÁN THÉP LIÊN TỤC

2.1. Sơ lƣợc về lò nung
2.1.1. Nhiệm vụ của lò nung
Trong dây chuyền cán thép liên tục, phôi trƣớc khi đƣa vào cán thì phôi phải
đạt đƣợc nhiệt độ cần thiết (thông thƣờng nhiệt độ phôi trƣớc khi vào cán khoảng
1200°C). Mục đích là tạo cho kim loại có độ dẻo đồng nhất, đồng thời vẫn giữ đƣợc
cơ tính trong suốt thời gian thực hiện quá trình cán. Trƣớc khi đƣa phôi ra cán, phôi
phải đƣợc nung trong lò nung. Quá trình nung phôi có ý nghĩa rất quan trọng đối
với công nghệ cán thép. Nó quyết định phần lớn chất lƣợng của thép và nếu có chế
độ nung hợp lý sẽ tiết kiệm đƣợc nhiên liệu và tăng năng suất sản phẩm.
2.1.2. Khái niệm chung về nung kim loại
 Mục đích của quá trình nung nóng
Để thực hiện một quá trình gia công nào đó hoặc tạo cho vật liệu có tính chất

+ T1k, T2k, T3k : Nhiệt độ đầu cuối giai đoạn nung ( vùng nung ) và nhiệt độ
cuối giai đoạn đều nhiệt.

20


+ T1m, T1t, T2m, T2t, T3m, T3t : Nhiệt độ mặt và tâm vật ở đầu và cuối giai đoạn
nung II và đều nhiệt.
+ 500°c : Nhiệt độ tâm vật cuối cùng vùng ứng suất nhiệt.
+ ΔTc : Độ chênh lệch nhiệt độ giữa tâm vật và mặt vật khi ra lò ΔTc
1): Trong đó càng nhiều các chất
khí mang tính oxy hoá mạnh càng thúc đẩy quá trình hình thành vẩy oxyt.
- Ở nhiệt độ càng cao, thời gian nung càng dài thì oxy hoá càng nhiều. Quá
trình oxy hoá làm lƣợng kim loại bị cháy hao tăng lên. Do đó phải tìm cách khống
chế lƣợng không khí dƣ, nhiệt độ nung và thời gian nung phải hợp lý để giảm bớt
lƣợng kim loại bị tiêu hao do oxy hoá bề mặt.
+ Hiện tƣợng thoát Cacbon

Để khắc phục hiện tƣợng đó, ngƣời ta đem ủ nghĩa là nung chậm đến nhiệt
độ vƣợt quá điểm tới hạn, sau đó làm nguội chậm.
+ Hiện tƣợng nung cháy

22


Khi nung thép, nhiệt độ ra lò tối đa cho phép không đƣợc quá điểm giới hạn
quy định. Nếu nhiệt độ nung thực tế lớn hơn nhiệt độ tối đa cho phép từ 100°C đến
150°C sẽ sinh ra hiện tƣợng nung cháy. Hiện tƣợng nung cháy làm thép bị chảy
lỏng, oxy đi vào đƣợc biên giới giữa các hạt tinh thể làm oxy hoá các phân tử kim
loại, phá hoại mối liên kết giữa các hạt... Vật liệu không còn khả năng chịu đƣợc lực
ép khi gia công.
Hiện tƣợng nung cháy kim loại không thể phục hồi đƣợc bằng phƣơng pháp
ủ nhƣ khi nung quá nhiệt, mà kết quả là kim loại trở thành phế liệu để nấu luyện lại.
Hiện tƣợng nung cháy kim loại không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà còn phụ thuộc
vào thành phần khí lò. Nếu khí lò có khả năng oxy hoá càng cao thì hiện tƣợng cháy
kim loại càng dễ xảy ra, ngay cả trong điều kiện nhiệt độ thấp.
Trong môi trƣờng khí hoàn nguyên, sự nung cháy kim loại có thể xảy ra ở
nhiệt độ cao hơn 60°C ÷ 70°C so với môi trƣờng oxy hoá.
Hiện tƣợng quá nhiệt và nung cháy đều là sự cố trong quá trình điều chỉnh
nhiệt độ và vận hành lò. Trong các trƣờng hợp này cần giảm nhanh nhiệt độ.
 Đặc điểm của quá trình nung nóng:
+ Khi đƣa kim loại vào trong lò nung, xảy ra quá trình trao đổi nhiệt bên
ngoài với vật nung, còn bên trong và trên mặt vật nung xảy ra sự biến đổi về cơ, lý
tính.
+ Bản chất của quá trình nung nóng
- Truyền năng lƣợng từ mặt ngoài kim loại vào trong tâm: là quá trình
truyền nhiệt bên trong, hiệu quả của nó phụ thuộc vào tính chất vật liệu. Đó là điều
kiện khách quan mà ngƣời vận hành không điều chỉnh đƣợc.


24


+ Tiêu hao khí nén max : 700 (m3/h).
+ Áp lực : 5 kg/cm2(thực tế 3,5kg/cm2- 4 kg/cm2).
- Nƣớc làm mát :
+ Tiêu hao : 7 (m3/h ).
+ Áp lực : 2,5 kg/cm2
- Mỏ phun dầu : Kiểu áp lực cao, hỗn hợp trong mù hoá dầu bằng khí nén, số
lƣợng 12 (bộ ).
 Phạm vi ứng dụng
- Công dụng : Dùng nung phôi thép để cán, nhiệt độ nung từ nhiệt độ môi trƣờng (
20°c) đến nhiệt độ 1150°c – 1250°c.
- Phôi nung : Thép các bon và thép hợp kim thấp dƣới dạng thỏi đúc, hoặc phôi
đúc liên tục.
+ Kích thƣớc thỏi đúc : (195x195/170x170)x1400 (mm)
+ Phôi đúc liên tục vuông : 1202x3600 (mm)
2.2.2. Cấu tạo lò nung
- Khung vỏ lò đƣợc làm bằng kết cấu thép I 20 (dùng 2 U20 ghép), δ6... hàn cấu
tạo thành các tấm tƣờng lắp ghép với nhau và với móng lò bằng bulông, khối lƣợng
35,4 (tấn) gồm 1 tƣờng trƣớc, 1 tƣờng sau và 2 tƣờng bên (2 tƣờng bên đƣợc ghép
bởi 18 tấm tƣờng rời thông qua các hàng bu lông). Tƣờng của lò đƣợc xây bằng
gạch Samot A có khả năng chịu nhiệt cao.
- Hệ thống treo đỉnh lò bằng kết cấu thép, khối lƣợng 11,5 (tấn). Dùng các ống thép
Ø60x5 treo lên đỉnh dầm chính, đặt dọc lò, để trực tiếp treo các viên gạch neo nhờ
các móc treo làm bằng vật liệu thép chịu nhiệt, có tác dụng giữ phần bê tông chịu
lửa của đỉnh lò. Các dầm chính bằng thép I24 (dùng 2U24 ghép), đặt ngang lò, ghép
với cột khung lò bằng bu lông.