冷轧带钢连续退火模拟实验机的研究与控制系统的开发

冷轧带钢连续退火模拟实验机的研究与控制系统的开发

张殿华， 崔席勇， 花福安， 李建平， 王国栋

(东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，辽宁沈阳110004)

摘 要：成功研制出一种冷轧带钢连续退火模拟实验机，应用SIEMENS SIMATIC S7系列PLC作为基础自动化控制系统，并用Step7软件编写控制程序，可满足高精确度信号测量和高精度温度控制等功能，控制和测量精度达到目前国外同类设备的水平。该模拟实验机可模拟带张力试样在不同保护气氛下的退火生产过程。阐述了该实验机的功能、设备结构、控制系统的开发和主要性能指标。

关键词：连续退火模拟实验机；保护气氛；控制系统开发；PLC；温度控制

中图分类号：TGl 55 文献标识码：A 文章编号：0449—749X(2009)04—0091—05

冷轧产品是钢材中的高端产品，具有加工精细、技术密集、工艺链长、品种繁多、用途广泛等特点，而影响这些产品组织性能的关键因素之一是退火工艺，与最终产品力学性能有关的微观组织和织构主要是由退火过程决定的^[1~3]。为了能迅速、经济而准确地考察不同工艺过程对最终产品性能的影响，工艺开发人员需要有方便灵活且精确的开发工具。产品开发人员为了选择最佳的工艺，也有同样的需求^[1~5]。

鉴于上述原因，钢铁企业和科研院校等部门十分迫切地需要有一种可以模拟连续退火工艺过程，灵活调整或中断加热和冷却循环周期，具有大范围参数调整能力?同时又可以提高实验效率，降低实验费用的实验研究设备。目前国外有奥地利、德国和比利时等国家拥有自主开发的关于模拟连续退火的实验机设备^[6~8]。本文中提到的已研制成功的冷轧带钢连续退火模拟实验机在国内尚属首例。

1 功能和结构

研制的冷轧带钢连续退火模拟实验机采用单片小试样，模拟再现冷轧带钢在连续退火过程中的加热、冷却和炉内气氛等工艺过程和现象，从而获得退火工艺与材料组织性能之间的定量关系，为实际生产服务。退火气氛为N₂和H₂的混合气体，H₂的体积分数可达到99％以上，实现全氢退火。在退火的过程中对试样施加张力，使之保持良好的板型。

如图1所示，连续退火模拟实验机根据不同部分的功能，其结构主要分11个部分。

(1)密闭腔体。密闭腔体分炉盖和炉体两部分，退火实验时炉盖和炉体紧锁密封。

(2)试样夹持系统。试样夹持系统使试样和电极充分接触并方便换卸试样。

(3)加热系统。加热采用交流电接触加热方式。两个电极与试样充分接触，并通以低压大电流使试样加热。其中一个电极可以沿试样施加张力方向水平移动。

(4)冷却系统。冷却系统主要由冷却介质管路、电磁阀和喷嘴组成。喷嘴在炉体内试样两边各有一组。

(5)气体配比、调节和供给系统。气体配比、调节和供给系统的主要作用是控制气源通／断；控制保护气氛中氮气和氢气的含量；调节冷却气体的流量，从而控制试样冷却。

(6)气体检测系统。气体检测系统用于分析炉内露点，分析炉内氧气和氢气含量。

(7)冷却水分配、调节和供给系统。冷却水分配、调节和供给系统的主要作用是控制水源通／断；调节设备冷却水流量分配；控制试样冷却水流量，从而控制试样冷却。

(8)真空系统。真空系统用于炉体内抽真空，使炉内氧含量降低。

(9)液压系统。液压系统用于控制可移动电极的移动和控制试样的张力。

(10)控制系统。冷轧带钢连续退火模拟实验机的各部分功能和操作主要由控制系统控制实现。

(11)氢气安全报警系统。

冷轧带钢连续退火模拟实验机的控制系统是实现其各种功能的保障。高精度温度控制、完备的数据采集和处理功能、快速有效的安全报警系统使实验过程灵活、简单、高效、安全。

氢气安全报警系统监视各种危险信号；当系统发生故障时，发出故障报警；当系统发生安全隐患时，发出急停信号和紧急处理指令。氢气安全报警系统是人员和设备安全的重要保障。

2 控制系统

冷轧带钢连续退火模拟实验机基础自动化系统配置选用西门子SIMATIC S7系列和SIEMENSLOGO系列PLC，并用step7软件编程实现其功能。控制系统结构如图2所示，主要由人机界面、主控制系统和氢气安全报警系统3部分构成^[9]。

人机界面用于操作人员设定退火工艺参数、监视实验状态和获取实验数据。可设定的退火工艺参数包括退火温度曲线、试样张力曲线、保护气氛(氮气和氢气)流量、炉内氢气含量等。退火实验过程中，通过人机界面可实时监视试样温度、试样张力和炉内气氛等状态。实验完成后，可方便地获取和处理实验数据。人机界面和主控制系统之间通过工业以太网通信。

主控制系统由S7_400PLC主控制柜和炉体操作箱、配气柜、操作台3个远程I／O组成。主控制柜和3个远程I／O之间通过PROFIBUS DP网通信。其主要功能是完成试样温度和张力闭环控制、铜电极位移闭环控制、功能逻辑控制等。

(1)温度闭环控制

温度闭环控制原理如图3所示。通过控制变压器原侧可控硅的导通角，可控制变压器付侧的电流，从而达到控制试样温度的目的^[10]。温度采集选用K型热电偶，沿试样表面不同位置焊5个热电偶。信号采集模块采集温度信号后经过PLC故障诊断，消除断偶和不正常热电偶的信号并取平均值作为试样的实际温度。比较实际温度和人机界面的设定温度，经过PID控制模块控制可控硅的导通角从而实现温度闭环控制。此种控制方法可以实现高精度的温度控制。图4中所示分别为不锈钢和普碳钢两种典型的退火工艺的温度控制效果。从图4中可以看出温度控制效果良好且在升温和降温时的温度超调量很小，其控制精度为动态时(加热过程)±10℃，静态时(保温过程)±5℃。

(2)张力和位移闭环控制

用液压传感器测量连接铜电极的液压缸有杆腔和无杆腔压力(0～25 MPa)，然后计算出实际张力。比较实际张力和设定张力，经过P1D控制模块控制电液伺服阀，从而达到控制试样张力的目的。图5为试样退火时的张力控制效果图，控制精度为±0．7 kN。

用位移传感器测量铜电极的实际位移。位移控制也采用PID闭环控制，其执行元件同样是电液伺服阀，控制精度达±0．1 mm。张力和位移2个闭环之间可自动切换。

(3)功能逻辑控制

实验机功能逻辑控制部分是系统控制程序中的骨架，它保证了实验机各功能实现的实时、有序、合理、灵活和安全等性能要求。实验机功能逻辑控制包括以下几个方面：

1)与变频器、人机界面和过程机的通信处理；

2)模拟输入输出信号标定；

3)操作台和操作箱的按钮、指示灯和仪表显示功能；

4)实验机各功能的实时控制指令判断和触发功能；

5)不同退火工艺控制参数模型；

6)现场各执行器的互锁等安全处理功能；

7)故障诊断、报警、急停和紧急处理等功能。

氢气安全报警系统选用SIEMENS LOGO系列PLC，采集炉体所在实验室内的2个氢气探头的信号，并控制室内的2个排气风扇。2个氢气探头的信号同时也被主控制系统采集。氢气安全报警系统24 h工作，时刻监视室内氢气含量是否超标(氢气爆炸极限的2％)。如氢气超标，系统报警，并自动打开2个排气风扇排气。如主控制系统正在工作，则系统急停，发出紧急处理指令。

3主要性能指标

本冷轧带钢连续退火模拟实验机经多次实验测试，各种实验功能和性能指标达到设计要求。主要性能指标如下：①试样尺寸：600 mm×300 mm×0．3～3．0 mm(长×宽×厚)；②退火温度：最高1200℃；③温度精度：在300 mm×300 mm范围内温差≤±10℃；④加热速率：最大50℃／s(试样厚度1．0mm)；⑤冷却速率：喷气冷却最大100℃／s(氢气)，气雾冷却最大600℃／s(试样厚度1．0mm)；⑥保护气氛：氮氢混合气体，氢气的体积分数0～100％；⑦露点范围：一60～ 50℃；⑧张力：最大10 kN。

4 结语

研制出的第一台冷轧带钢连续退火模拟实验机已交付某钢铁企业使用，运行情况说明已经达到设计性能要求，达到国外同类设备的指标。选用SI—MATIC S7系列PLC作为基础自动化系统配置，用Step7软件编写控制程序，可满足冷轧带钢连续退火模拟实验机所要求的高精度温度控制、高精确度信号测量、系统化数据采集和处理等功能。氢气安全报警系统选用SIEMENS LOGO系列PLC，保证操作人员和设备安全。