冷軋帶鋼連續(xù)退火模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)的研究與開(kāi)發(fā).pdf

1、高等級(jí)冷軋產(chǎn)品的組織和性能主要是通過(guò)連續(xù)退火過(guò)程來(lái)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(xué)性能有關(guān)的微觀組織和織構(gòu)主要是由退火過(guò)程決定的。為了能迅速、經(jīng)濟(jì)而準(zhǔn)確地考察不同工藝過(guò)程對(duì)最終產(chǎn)品性能的影響，工藝開(kāi)發(fā)人員需要有方便、靈活、精確的開(kāi)發(fā)工具。產(chǎn)品開(kāi)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(shí)驗(yàn)機(jī)的研究與開(kāi)發(fā)課題應(yīng)運(yùn)而生。本文以國(guó)家自然科學(xué)基金科學(xué)儀器基礎(chǔ)研究專項(xiàng)基金項(xiàng)目“冷軋帶鋼連續(xù)退火模擬實(shí)

2、驗(yàn)機(jī)的研究與開(kāi)發(fā)”、寶鋼股份不銹鋼分公司技術(shù)中心與東北大學(xué)簽訂的“光亮退火模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)的研究與開(kāi)發(fā)”、太鋼技術(shù)中心與東北大學(xué)簽訂的“太鋼技術(shù)中心中間試驗(yàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備研制與開(kāi)發(fā)項(xiàng)目”等項(xiàng)目為背景，確立了“冷軋帶鋼連續(xù)退火模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)的研究與開(kāi)發(fā)”這一研究課題。冷軋帶鋼連續(xù)退火模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)采用單片試樣，模擬再現(xiàn)冷軋帶鋼在連續(xù)退火過(guò)程中的張力、加熱、冷卻和爐內(nèi)氣氛等工藝過(guò)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(guān)系，為實(shí)際生產(chǎn)服務(wù)。本研究開(kāi)

3、發(fā)工作分為冷軋帶鋼連續(xù)退火模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)、模糊專家溫度控制系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)、用氫安全控制策略的研究與開(kāi)發(fā)、實(shí)驗(yàn)機(jī)應(yīng)用研究等。成功研制出的第一臺(tái)冷軋帶鋼連續(xù)退火模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)已在寶鋼股份不銹鋼分公司運(yùn)行近三年，并發(fā)揮了較大的科研作用。該實(shí)驗(yàn)機(jī)的開(kāi)發(fā)成功，對(duì)冷軋產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及退火工藝的研究具有重要意義，同時(shí)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，提高了國(guó)內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)設(shè)備研究與國(guó)外相關(guān)領(lǐng)域研究的競(jìng)爭(zhēng)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(guó)內(nèi)外連續(xù)退火模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了用單工位的結(jié)構(gòu)來(lái)模擬連續(xù)退火生產(chǎn)的設(shè)計(jì)思想。該設(shè)計(jì)思想拋棄了依靠試樣在不同工藝爐段之間的穿行來(lái)實(shí)現(xiàn)加熱、冷卻、過(guò)時(shí)效等工藝過(guò)程的方法，直接在一個(gè)爐體中實(shí)現(xiàn)試樣的加熱、均熱、緩冷、快冷、過(guò)時(shí)效和終冷等工藝過(guò)程。多工位的設(shè)計(jì)思想雖然從設(shè)備整體結(jié)構(gòu)上和試樣的運(yùn)行方式上切合了實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程，但是不僅沒(méi)有很好的模擬連續(xù)退火生產(chǎn)過(guò)程，反而使設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜化

5、，設(shè)備功能不夠全面，降低了模擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的相似性。
　　 (2)根據(jù)冷軋帶鋼連續(xù)退火模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)指標(biāo)和多功能的設(shè)計(jì)要求，確定實(shí)驗(yàn)機(jī)的功能結(jié)構(gòu)主要包括：實(shí)驗(yàn)機(jī)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(gè)部分。在實(shí)驗(yàn)機(jī)各功能部分的設(shè)計(jì)中結(jié)合實(shí)驗(yàn)機(jī)的功能要求和模塊化、集成化的設(shè)計(jì)理念，使得各功能部分相輔相成，設(shè)備裝卸和維修十分簡(jiǎn)便。在各功能部分的設(shè)計(jì)中還充分考慮

6、和實(shí)現(xiàn)了使用氫氣的安全保護(hù)功能。
　　 (3)冷卻技術(shù)是連續(xù)退火機(jī)組的核心技術(shù)。本文中把冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)作為了一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)課題。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出一套擁有自主知識(shí)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(guò)該裝置靈活的位置布置實(shí)現(xiàn)試樣的均勻冷卻。氣體冷卻介質(zhì)為氮?dú)浠旌蠚怏w，可實(shí)現(xiàn)全氫冷卻。
　　 (4)根據(jù)實(shí)驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)的功能要求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了控制系統(tǒng)硬件及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)原理和配置，包括主控制系統(tǒng)、氫氣安全報(bào)警系統(tǒng)和控

7、制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)電氣件分布三部分。實(shí)驗(yàn)機(jī)基礎(chǔ)自動(dòng)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(guò)PROFIBUS-DP網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程I/O，以及傳動(dòng)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與HMI進(jìn)行快速數(shù)據(jù)交換。氫氣安全報(bào)警系統(tǒng)配置選用SIEMENSLOGO系列PLC。
　　 (5)控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)包括PLC控制軟件開(kāi)發(fā)和HMI人機(jī)界面系統(tǒng)開(kāi)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(shí)驗(yàn)機(jī)人機(jī)界面系統(tǒng)用于操作人員設(shè)定退火工藝參數(shù)、監(jiān)視實(shí)驗(yàn)狀態(tài)和獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
　　 (6)由于冷軋帶鋼連續(xù)退火模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)溫度控制系統(tǒng)的非線性、時(shí)變性、變結(jié)構(gòu)、多層次和大滯后等缺點(diǎn)而導(dǎo)致常規(guī)PID控制效果不理想，不能夠達(dá)到實(shí)驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)性能指標(biāo)。而在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)采用分段PID控制方法和動(dòng)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