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        硅鋼退火實(shí)驗(yàn)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)研究

        2015-05-30 10:48:04張澤瑞
        關(guān)鍵詞:自動(dòng)控制系統(tǒng)硅鋼

        張澤瑞

        摘 要:文章介紹了國(guó)內(nèi)首個(gè)自主研發(fā)的冷軋硅鋼退火實(shí)驗(yàn)機(jī)的基本功能,及其自動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)自動(dòng)化配置、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、人機(jī)界面、實(shí)驗(yàn)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)的電氣儀表及安全功能的基本情況和工作原理。實(shí)踐表明,該自動(dòng)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(shí)驗(yàn)機(jī);自動(dòng)控制系統(tǒng)

        中圖分類號(hào):TG334.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):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(jī)、各種電機(jī)、變壓器鐵芯等,按重量計(jì)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(yán)格,被譽(yù)為鋼鐵材料中的“藝術(shù)品”。國(guó)外的生產(chǎn)技術(shù)都以專利形式加以保護(hù),國(guó)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(shí)至今日仍與日本等國(guó)家存在想當(dāng)差距。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品只相當(dāng)于國(guó)外的中低牌號(hào)的產(chǎn)品。因此,對(duì)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(shí)驗(yàn)機(jī)就是為滿足這一需要孕育而生的。

        硅鋼退火實(shí)驗(yàn)機(jī)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(shí)驗(yàn)機(jī)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(shí)驗(yàn)機(jī)采用了多段獨(dú)立爐腔組成的工藝段,各工藝過程的加熱溫度、時(shí)間、氣氛等工藝參數(shù)均可靈活調(diào)整,且通過對(duì)工藝段的長(zhǎng)度的調(diào)節(jié),從而改變各工藝段的處理時(shí)間,當(dāng)各工藝段長(zhǎng)度確定后,還可以通過帶鋼行走速度來進(jìn)行熱處理時(shí)間的調(diào)整。

        1 硅鋼退火實(shí)驗(yàn)機(jī)的系統(tǒng)組成

        1.1 硅鋼退火實(shí)驗(yàn)機(jī)的組成部分

        硅鋼退火實(shí)驗(yàn)機(jī)由:開卷機(jī)、夾送輥、剪切機(jī)、滾焊機(jī)、脫脂清洗機(jī)、烘干機(jī)、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(jī)、卷取機(jī)、液壓系統(tǒng)、張力測(cè)量、氣氛供給與檢測(cè)、冷卻系統(tǒng)、氫氣報(bào)警系統(tǒng)等組成。

        1.2 實(shí)驗(yàn)機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)

        實(shí)驗(yàn)機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)可分為兩部分,即實(shí)驗(yàn)機(jī)主控系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)機(jī)輔助控制系統(tǒng)。

        ①實(shí)驗(yàn)機(jī)主控系統(tǒng)是整個(gè)實(shí)驗(yàn)機(jī)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)的核心部分,采用SIEMENS公司S7-400系列PLC來完成實(shí)驗(yàn)機(jī)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)、半自動(dòng)與手動(dòng)控制功能,具有安全連鎖保護(hù)、失張、過張連鎖保護(hù)的功能。除此之外,主控系統(tǒng)還將完成對(duì)硅鋼帶材各位置的材料跟蹤,以及各功能自動(dòng)啟動(dòng)和停止。若帶鋼在正常退火運(yùn)行中有一些意外情況造成失張、過張時(shí),開卷和卷取張力通過開卷和卷取機(jī)上的直流全數(shù)字調(diào)速裝置取得信號(hào)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié);爐內(nèi)張力通過爐前張力傳感器取得信號(hào)送入PLC進(jìn)行處理和報(bào)警。在退火過程中,速度需以S型曲線的形式進(jìn)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(dá)到退火過程中啟動(dòng)、運(yùn)行、停車過程都很平穩(wěn)。速度控制需具有升速(或啟動(dòng))、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(dòng)輥裝置,來實(shí)現(xiàn)退火爐爐內(nèi)的張力控制。卷取前的張力檢測(cè)輥可以實(shí)時(shí)將卷取張力提供給PLC,通過PLC與6RA70配合對(duì)卷取電流的控制,實(shí)現(xiàn)卷取外松內(nèi)緊的工藝原則。

        ②實(shí)驗(yàn)機(jī)輔助控制系統(tǒng)采用S7-300系列PLC,主要完成對(duì)液壓站、設(shè)備潤(rùn)滑站等的啟??刂啤?/p>

        基礎(chǔ)自動(dòng)化PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)與HMI服務(wù)器系統(tǒng)進(jìn)行快速數(shù)據(jù)交換,實(shí)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(dòng)采用SIEMENS公司的6RA70直流調(diào)速器,交流傳動(dòng)采用SIEMENS公司的MM440交流變頻器。實(shí)驗(yàn)機(jī)主控系統(tǒng)與傳動(dòng)系統(tǒng)通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)連接,實(shí)現(xiàn)對(duì)直流系統(tǒng)及交流變頻系統(tǒng)的控制及傳動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)采集,并將采集結(jié)果傳給HMI人機(jī)界面系統(tǒng)進(jìn)行過程監(jiān)視和數(shù)據(jù)顯示。

        2 人機(jī)界面系統(tǒng)

        硅鋼連續(xù)退火和涂層模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)人機(jī)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(chǔ);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(dòng)態(tài)模擬顯示;⑧故障和系統(tǒng)安全報(bào)警;⑨趨勢(shì)條件查詢;⑩開車條件查詢。

        人機(jī)界面如圖1所示。

        3 檢測(cè)儀表系統(tǒng)

        檢測(cè)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(diǎn)的檢測(cè)。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(diǎn)分析儀進(jìn)行退火氣氛的檢控。由于還原段的露點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其它工藝段,因此氣體分析系統(tǒng)采用兩套露點(diǎn)儀,分別用于檢測(cè)還原段和其它段的露點(diǎn)。在冷卻段還設(shè)有氧探頭以測(cè)量該部位的氧含量,以保證系統(tǒng)的安全。每個(gè)單元爐段均設(shè)有一只鉑銠熱電偶用于檢測(cè)爐溫。帶溫的檢測(cè)采用紅外測(cè)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(jìn)行檢測(cè)。

        4 實(shí)驗(yàn)機(jī)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(hù)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(dòng)點(diǎn)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(dòng)齒輥可以在線喂入新的毛氈;④入口段和快冷段采用手動(dòng)風(fēng)門,在發(fā)生意外時(shí)關(guān)閉,有效防止氧氣的侵入;⑤一旦發(fā)生事故,機(jī)組自動(dòng)停止供氫并緊急充氮?dú)獗Wo(hù),確保機(jī)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(duì)傳動(dòng)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(shí)時(shí)控制爐溫,應(yīng)用多種氣體分析儀及露點(diǎn)儀對(duì)爐內(nèi)氣氛實(shí)時(shí)采樣分析,氫氣報(bào)警儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安全進(jìn)行監(jiān)控。本系統(tǒng)控制思想先進(jìn),配置合理,運(yùn)行穩(wěn)定、安全、高效、靈活,為硅鋼的退火實(shí)驗(yàn)研究建立了良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

        參考文獻(xiàn):

        [1] 何忠治,趙宇,羅海文.電工鋼[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2012.

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

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