冷軋帶鋼連續(xù)退火模擬實驗機的研究與開發(fā).pdf

1、高等級冷軋產(chǎn)品的組織和性能主要是通過連續(xù)退火過程來控制的。連續(xù)退火是冷軋帶鋼生產(chǎn)的重要工藝，與最終產(chǎn)品力學性能有關的微觀組織和織構(gòu)主要是由退火過程決定的。為了能迅速、經(jīng)濟而準確地考察不同工藝過程對最終產(chǎn)品性能的影響，工藝開發(fā)人員需要有方便、靈活、精確的開發(fā)工具。產(chǎn)品開發(fā)人員為了選擇最佳的生產(chǎn)工藝，也有同樣的需求。冷軋帶鋼連續(xù)退火模擬實驗機的研究與開發(fā)課題應運而生。本文以國家自然科學基金科學儀器基礎研究專項基金項目“冷軋帶鋼連續(xù)退火模擬實

2、驗機的研究與開發(fā)”、寶鋼股份不銹鋼分公司技術(shù)中心與東北大學簽訂的“光亮退火模擬實驗機的研究與開發(fā)”、太鋼技術(shù)中心與東北大學簽訂的“太鋼技術(shù)中心中間試驗場實驗設備研制與開發(fā)項目”等項目為背景，確立了“冷軋帶鋼連續(xù)退火模擬實驗機的研究與開發(fā)”這一研究課題。冷軋帶鋼連續(xù)退火模擬實驗機采用單片試樣，模擬再現(xiàn)冷軋帶鋼在連續(xù)退火過程中的張力、加熱、冷卻和爐內(nèi)氣氛等工藝過程和現(xiàn)象，從而獲得退火工藝與材料組織性能之間的定量關系，為實際生產(chǎn)服務。本研究開

3、發(fā)工作分為冷軋帶鋼連續(xù)退火模擬實驗機的整體結(jié)構(gòu)與功能設計、實驗機控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)、模糊專家溫度控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)、用氫安全控制策略的研究與開發(fā)、實驗機應用研究等。成功研制出的第一臺冷軋帶鋼連續(xù)退火模擬實驗機已在寶鋼股份不銹鋼分公司運行近三年，并發(fā)揮了較大的科研作用。該實驗機的開發(fā)成功，對冷軋產(chǎn)品開發(fā)及退火工藝的研究具有重要意義，同時填補了國內(nèi)空白，提高了國內(nèi)模擬實驗機設備研究與國外相關領域研究的競爭能力。主要工作及創(chuàng)新性研究成果如

4、下：
　　 (1)本文在充分研究已知的國內(nèi)外連續(xù)退火模擬實驗機的結(jié)構(gòu)特點的基礎上，提出了用單工位的結(jié)構(gòu)來模擬連續(xù)退火生產(chǎn)的設計思想。該設計思想拋棄了依靠試樣在不同工藝爐段之間的穿行來實現(xiàn)加熱、冷卻、過時效等工藝過程的方法，直接在一個爐體中實現(xiàn)試樣的加熱、均熱、緩冷、快冷、過時效和終冷等工藝過程。多工位的設計思想雖然從設備整體結(jié)構(gòu)上和試樣的運行方式上切合了實際的生產(chǎn)過程，但是不僅沒有很好的模擬連續(xù)退火生產(chǎn)過程，反而使設備結(jié)構(gòu)復雜化

5、，設備功能不夠全面，降低了模擬實驗和實際生產(chǎn)過程的相似性。
　　 (2)根據(jù)冷軋帶鋼連續(xù)退火模擬實驗機的設計原則、設計指標和多功能的設計要求，確定實驗機的功能結(jié)構(gòu)主要包括：實驗機本體、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、張力系統(tǒng)、氣水分配系統(tǒng)、氣體分析系統(tǒng)、真空和氣體排放系統(tǒng)、控制系統(tǒng)幾個部分。在實驗機各功能部分的設計中結(jié)合實驗機的功能要求和模塊化、集成化的設計理念，使得各功能部分相輔相成，設備裝卸和維修十分簡便。在各功能部分的設計中還充分考慮

6、和實現(xiàn)了使用氫氣的安全保護功能。
　　 (3)冷卻技術(shù)是連續(xù)退火機組的核心技術(shù)。本文中把冷卻系統(tǒng)的設計開發(fā)作為了一個關鍵的技術(shù)課題。設計開發(fā)出一套擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的能夠模擬氣冷、水冷以及氣霧冷卻的組合式冷卻裝置。通過該裝置靈活的位置布置實現(xiàn)試樣的均勻冷卻。氣體冷卻介質(zhì)為氮氫混合氣體，可實現(xiàn)全氫冷卻。
　　 (4)根據(jù)實驗機控制系統(tǒng)的功能要求，設計開發(fā)了控制系統(tǒng)硬件及網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)原理和配置，包括主控制系統(tǒng)、氫氣安全報警系統(tǒng)和控

7、制系統(tǒng)現(xiàn)場電氣件分布三部分。實驗機基礎自動化主控制系統(tǒng)采用SIEMENS公司S7-400系列PLC+FM458的基本結(jié)構(gòu)。S7-400 CPU通過PROFIBUS-DP網(wǎng)與現(xiàn)場遠程I/O，以及傳動裝置進行數(shù)據(jù)交換，通過工業(yè)以太網(wǎng)與HMI進行快速數(shù)據(jù)交換。氫氣安全報警系統(tǒng)配置選用SIEMENSLOGO系列PLC。
　　 (5)控制系統(tǒng)軟件開發(fā)包括PLC控制軟件開發(fā)和HMI人機界面系統(tǒng)開發(fā)。PLC軟件系統(tǒng)主要包括功能邏輯控制系統(tǒng)、爐

8、內(nèi)壓力控制系統(tǒng)、用氫安全控制策略、張力控制系統(tǒng)、模糊專家溫度控制系統(tǒng)、氣水分配和調(diào)節(jié)系統(tǒng)等部分。實驗機人機界面系統(tǒng)用于操作人員設定退火工藝參數(shù)、監(jiān)視實驗狀態(tài)和獲取實驗數(shù)據(jù)。
　　 (6)由于冷軋帶鋼連續(xù)退火模擬實驗機溫度控制系統(tǒng)的非線性、時變性、變結(jié)構(gòu)、多層次和大滯后等缺點而導致常規(guī)PID控制效果不理想，不能夠達到實驗機的設計性能指標。而在實際調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)采用分段PID控制方法和動態(tài)變規(guī)格控制方法相結(jié)合的控制策略具有很好的控制