硅鋼退火實驗機自動控制系統(tǒng)研究

張澤瑞

摘 要：文章介紹了國內(nèi)首個自主研發(fā)的冷軋硅鋼退火實驗機的基本功能，及其自動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)自動化配置、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、人機界面、實驗機現(xiàn)場的電氣儀表及安全功能的基本情況和工作原理。實踐表明，該自動控制系統(tǒng)可以很好地滿足硅鋼退火的工藝要求。

關(guān)鍵詞：硅鋼；退火實驗機；自動控制系統(tǒng)

中圖分類號：TG334.9 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）14-0010-01

硅鋼是電力、電子和軍事工業(yè)領(lǐng)域不可或缺的重要軟磁合金材料，主要用于制造發(fā)電機、各種電機、變壓器鐵芯等，按重量計占磁性材料用量的90%以上，是具有高附加值和戰(zhàn)略意義的鋼鐵產(chǎn)品。取向硅鋼組織以（110）[001]位向的高斯晶粒為主要特征，是唯一經(jīng)過二次再結(jié)晶得到的鋼鐵制品，其生產(chǎn)工藝復(fù)雜、制造技術(shù)嚴格，被譽為鋼鐵材料中的“藝術(shù)品”。國外的生產(chǎn)技術(shù)都以專利形式加以保護，國內(nèi)的武鋼在1978年開始引入日本新日鐵的專利技術(shù)，雖然歷經(jīng)40 a的研發(fā)，時至今日仍與日本等國家存在想當(dāng)差距。目前國內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品只相當(dāng)于國外的中低牌號的產(chǎn)品。因此，對硅鋼生產(chǎn)工藝的研究和技術(shù)的開發(fā)顯得尤為重要。硅鋼退火實驗機就是為滿足這一需要孕育而生的。

硅鋼退火實驗機的主要目的是用于硅鋼產(chǎn)品的研究和開發(fā)以及連續(xù)退火工藝的研究和優(yōu)化。硅鋼連續(xù)退火模擬實驗機的主要功能是完成試樣的加熱、脫碳、還原、滲氮、MgO涂覆和冷卻等工藝過程。本實驗機采用了多段獨立爐腔組成的工藝段，各工藝過程的加熱溫度、時間、氣氛等工藝參數(shù)均可靈活調(diào)整，且通過對工藝段的長度的調(diào)節(jié)，從而改變各工藝段的處理時間，當(dāng)各工藝段長度確定后，還可以通過帶鋼行走速度來進行熱處理時間的調(diào)整。

1 硅鋼退火實驗機的系統(tǒng)組成

1.1 硅鋼退火實驗機的組成部分

硅鋼退火實驗機由：開卷機、夾送輥、剪切機、滾焊機、脫脂清洗機、烘干機、糾偏裝置、S輥、張力調(diào)整裝置、退火爐本體、退火爐配套加熱設(shè)備及儀表、冷卻裝置、涂層系統(tǒng)、烘干機、卷取機、液壓系統(tǒng)、張力測量、氣氛供給與檢測、冷卻系統(tǒng)、氫氣報警系統(tǒng)等組成。

1.2 實驗機自動化控制系統(tǒng)

實驗機自動化控制系統(tǒng)可分為兩部分，即實驗機主控系統(tǒng)和實驗機輔助控制系統(tǒng)。

①實驗機主控系統(tǒng)是整個實驗機基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)的核心部分，采用SIEMENS公司S7-400系列PLC來完成實驗機主控功能。S7-400的416-2DP CPU主要完成全線速度協(xié)調(diào)、爐內(nèi)溫度和氣氛、開卷和爐內(nèi)及卷取張力等主令控制、全線的主令邏輯等控制，實現(xiàn)自動、半自動與手動控制功能，具有安全連鎖保護、失張、過張連鎖保護的功能。除此之外，主控系統(tǒng)還將完成對硅鋼帶材各位置的材料跟蹤，以及各功能自動啟動和停止。若帶鋼在正常退火運行中有一些意外情況造成失張、過張時，開卷和卷取張力通過開卷和卷取機上的直流全數(shù)字調(diào)速裝置取得信號自動進行調(diào)節(jié)；爐內(nèi)張力通過爐前張力傳感器取得信號送入PLC進行處理和報警。在退火過程中，速度需以S型曲線的形式進行給定，保證在加速的起始段和結(jié)束段均以圓滑曲線過度，達到退火過程中啟動、運行、停車過程都很平穩(wěn)。速度控制需具有升速（或啟動）、穩(wěn)速、最小速度、停車、快速停車、急停等功能。采用退火爐前跳動輥裝置，來實現(xiàn)退火爐爐內(nèi)的張力控制。卷取前的張力檢測輥可以實時將卷取張力提供給PLC，通過PLC與6RA70配合對卷取電流的控制，實現(xiàn)卷取外松內(nèi)緊的工藝原則。

②實驗機輔助控制系統(tǒng)采用S7-300系列PLC，主要完成對液壓站、設(shè)備潤滑站等的啟停控制。

基礎(chǔ)自動化PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)與HMI服務(wù)器系統(tǒng)進行快速數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)連退和涂層的過程監(jiān)視和過程數(shù)據(jù)采集。

直流主傳動采用SIEMENS公司的6RA70直流調(diào)速器，交流傳動采用SIEMENS公司的MM440交流變頻器。實驗機主控系統(tǒng)與傳動系統(tǒng)通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)連接，實現(xiàn)對直流系統(tǒng)及交流變頻系統(tǒng)的控制及傳動狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，并將采集結(jié)果傳給HMI人機界面系統(tǒng)進行過程監(jiān)視和數(shù)據(jù)顯示。

2 人機界面系統(tǒng)

硅鋼連續(xù)退火和涂層模擬實驗機人機界面系統(tǒng)具有如下功能：

①技術(shù)規(guī)格數(shù)據(jù)輸入；②原始數(shù)據(jù)輸入；③標(biāo)準(zhǔn)熱處理工藝規(guī)程存儲；④熱處理工藝規(guī)程選擇；⑤開車條件；⑥過程數(shù)據(jù)的顯示和棒形圖顯示；⑦熱處理過程全方位動態(tài)模擬顯示；⑧故障和系統(tǒng)安全報警；⑨趨勢條件查詢；⑩開車條件查詢。

人機界面如圖1所示。

3 檢測儀表系統(tǒng)

檢測儀表系統(tǒng)包括爐溫、帶溫、爐內(nèi)壓力、氧含量、氫含量和露點的檢測。爐內(nèi)氣體分析利用一套氣體分析系統(tǒng)，采用巡檢的方式分別抽取加熱段、脫碳段、還原段和滲氮段的氣體，然后分配給氧分析儀、氫分析儀露點分析儀進行退火氣氛的檢控。由于還原段的露點遠遠低于其它工藝段，因此氣體分析系統(tǒng)采用兩套露點儀，分別用于檢測還原段和其它段的露點。在冷卻段還設(shè)有氧探頭以測量該部位的氧含量，以保證系統(tǒng)的安全。每個單元爐段均設(shè)有一只鉑銠熱電偶用于檢測爐溫。帶溫的檢測采用紅外測溫儀，共五套，分別設(shè)置在加熱段、脫碳段、還原段、滲氮段和冷卻段，爐壓采用U型管進行檢測。

4 實驗機的安全與環(huán)保功能

連續(xù)退火爐由于應(yīng)用氫氣作為保護氣氛和冷卻介質(zhì)，因此采取了多種安全措施：

①退火過程中爐內(nèi)保持處于微正壓狀態(tài)，使?fàn)t內(nèi)氣氛壓力高于大氣，防止空氣溢入；②退火爐入口和快冷段口設(shè)自動點火裝置，將萬一存在的氫氧混合氣體燃燒；③入口段和出口段使用尖齒輥壓毛氈壓封，減少氧氣入侵，轉(zhuǎn)動齒輥可以在線喂入新的毛氈；④入口段和快冷段采用手動風(fēng)門，在發(fā)生意外時關(guān)閉，有效防止氧氣的侵入；⑤一旦發(fā)生事故，機組自動停止供氫并緊急充氮氣保護，確保機組安全；⑥退火爐裝有安全防爆裝置，萬一發(fā)生意外后可以起到安全保障作用。

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)使用S7-400與S7-300的組合控制方式，6RA70直流調(diào)速裝置及MM440變頻器對傳動設(shè)備的控制，與控制爐膛加熱的SR10系列溫控儀通過網(wǎng)絡(luò)實時控制爐溫，應(yīng)用多種氣體分析儀及露點儀對爐內(nèi)氣氛實時采樣分析，氫氣報警儀對現(xiàn)場安全進行監(jiān)控。本系統(tǒng)控制思想先進，配置合理，運行穩(wěn)定、安全、高效、靈活，為硅鋼的退火實驗研究建立了良好的實驗平臺。

參考文獻：

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[2] May J E，Turnbull D. Secondary recrystallization in silicon iron[J]. Transactions of the Metallurgical Society of AIME，1958，（212）.