賈德利，朱寧樂，張海濤，吳智勇

（1.哈爾濱理工大學(xué)，哈爾濱 150080；2.中國石油天然氣股份有限公司勘探開發(fā)研究院，北京 100083；3.北京航空航天大學(xué)，北京 100191）

0 引言

近年來由于快速凝固技術(shù)的不斷發(fā)展，使得非晶態(tài)材料、納米材料等大量涌現(xiàn)出來，其獨特的物理、化學(xué)性能使他們比傳統(tǒng)方法制備的材料有著更為廣闊的用途[1～3]。對于金屬材料來說，通常情況下合金從液體凝固成固體時，原子總是從液體混亂排列轉(zhuǎn)變成整齊的排列，即為晶體。但是，如果金屬或合金的凝固速度非?？欤觼聿患罢R排列便凝固住了，這就是非晶合 晶[4,5]。目前非晶合晶的制取方法主要有：水淬法、銅模吸鑄法、甩帶法、定向凝固、粉末冶金和高能球磨 等[6,7]。薄帶成型有許多種工藝，其中單輥快淬法結(jié)構(gòu)簡潔，冷卻速度快，能充分發(fā)揮快速凝固的優(yōu)越性，可以制備出分布均勻的帶材[8]。本文從傳統(tǒng)的單輥快淬甩帶法出發(fā)，設(shè)計一套全新工藝的非晶納米晶薄帶制取設(shè)備，旨在更好的完成薄帶成型過程中的諸多工藝影響因素，使成帶光滑平整，薄厚均勻。

1 非晶納米晶薄帶生產(chǎn)工藝流程設(shè)計

1.1 生產(chǎn)工藝分析

本文采用單輥快淬工藝制備非晶納米晶薄帶。單輥快淬法即把熔融的合金溶液通過噴嘴噴射到一高速旋轉(zhuǎn)的冷卻銅輥上，由于噴嘴與銅輥之間的間隙非常小，合金溶液與冷卻輥的表面會形成融譚，由于銅輥的高速旋轉(zhuǎn)會將融譚中的合金溶液拉成薄膜并快速冷卻，最后與銅輥分離形成非晶合晶薄帶，生產(chǎn)原理如圖1所示。

圖1 薄帶生產(chǎn)單輥快淬法原理

1.2 生產(chǎn)工藝流程設(shè)計

本設(shè)備薄帶生產(chǎn)工藝主要分為四個階段，分別為前期準(zhǔn)備階段、抽真空階段、預(yù)熱與加熱階段和噴帶階段。前期準(zhǔn)備階段主要包括噴嘴縫修磨、噴嘴包烘烤、車磨銅輥以及調(diào)整噴嘴包位置等。

前期準(zhǔn)備工作完成后進(jìn)入抽真空階段，采用三級真空泵處理，具體包括機(jī)械泵、羅茨泵和擴(kuò)散泵，通過三個閥的通斷實現(xiàn)不同真空度下抽真空的順序。所設(shè)計的抽真空階段具體流程為首先啟動機(jī)械泵進(jìn)行一級抽真空，當(dāng)真空度到達(dá)1000Pa時，啟動羅茨泵開始二級抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到0.7Pa的時候，啟動擴(kuò)散泵，同時實現(xiàn)三級抽真空，每個階段對應(yīng)不同的抽真空通道，當(dāng)真空度達(dá)到0.05Pa，進(jìn)入預(yù)熱與加熱階段。

在預(yù)熱與加熱階段中，采用石墨加熱器對噴嘴包內(nèi)膽進(jìn)行預(yù)熱處理，預(yù)熱溫度達(dá)到1400℃后，采用中頻加熱電源對熔煉爐中的坩堝加熱，融化坩堝中的母合金，當(dāng)熔融的母合金達(dá)到噴帶溫度且中間包溫度到達(dá)預(yù)設(shè)溫度時進(jìn)入噴帶階段。

在噴帶階段中，啟動冷卻銅輥高速旋轉(zhuǎn)，噴嘴包下降到噴帶指定位置，熔煉爐中的坩堝將母合金溶液倒入與噴嘴包內(nèi)膽相連的導(dǎo)流槽中進(jìn)而流入噴嘴包內(nèi)膽，同時啟動剝離氣體和融譚保護(hù)氣，當(dāng)母合金溶液都流入內(nèi)膽中后關(guān)閉熔煉爐與噴嘴包之間的插板閥，啟動噴嘴包閉環(huán)補壓系統(tǒng)進(jìn)行噴帶操作。噴帶結(jié)束后各個點動部件歸位，保護(hù)氣體冷卻水延時關(guān)斷，至此完成噴帶試驗。所設(shè)計生產(chǎn)工藝具體流程如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)工藝具體流程

1.3 生產(chǎn)設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)

機(jī)械部分主要由三部分構(gòu)成，分別是真空爐系統(tǒng)、轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)和其他附屬設(shè)備。圖3所示為該設(shè)備的機(jī)械本體整體結(jié)構(gòu)示意。

在圖3中1，2，3，4所標(biāo)注的屬于真空爐系統(tǒng)，5屬于轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)，6，7屬于薄帶制備機(jī)附屬結(jié)構(gòu)。

1）真空爐系統(tǒng)

真空爐系統(tǒng)是本設(shè)備的重要構(gòu)成部分之一。爐體結(jié)構(gòu)采用立式爐體，主要由三部分組成，分別為三級抽真空泵、真空爐體（熔室）和噴嘴包。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。整個爐體由上部分的熔煉爐和下部分的噴嘴包構(gòu)成。熔煉爐中安裝有感應(yīng)線圈，外部通過轉(zhuǎn)動電極與之相連，轉(zhuǎn)動電極直接與中頻加熱電控柜連接。感應(yīng)線圈內(nèi)放置坩堝，感應(yīng)線圈完成對坩堝的加熱。坩堝的主要作用是對母合金的熔煉和傾倒作用。噴嘴包底部放置有陶瓷噴嘴，通過耐火泥把噴嘴和噴嘴包之間密封起來。在噴嘴包內(nèi)膽上放置壓蓋，并在壓蓋內(nèi)放置導(dǎo)流擋板，導(dǎo)流擋板的作用是防止鋼液直接沖擊到噴嘴。在噴嘴包中可以控制鋼液流入噴嘴中的流速和溫度，以及對鋼水夾雜物進(jìn)行清理，使鋼水以較好的狀態(tài)進(jìn)入噴嘴內(nèi)。

圖3 機(jī)械本體整體結(jié)構(gòu)

本設(shè)備中，噴嘴包與熔煉爐之間設(shè)有水冷插板閥，在水冷插板閥下連接焊接波紋管，可以使噴嘴包能夠上下升降60mm，噴嘴包左右兩側(cè)裝有倆套高精度伺服電機(jī)，通過與絲杠連接來控制噴嘴包的抬升與下降，在薄帶生產(chǎn)過程中可以調(diào)整矩形陶瓷噴嘴和輥面間隙的大小、噴嘴傾斜角度的調(diào)整。在噴帶前期準(zhǔn)備過程中可以把噴嘴包提升到最高點，防止噴嘴離銅輥太近而燒壞銅輥，當(dāng)準(zhǔn)備噴帶時降低噴嘴與銅輥之間的距離至指定位置，在噴帶過程中也可以微調(diào)噴嘴。

噴嘴包內(nèi)保溫加熱采用石墨發(fā)熱體，內(nèi)置30公斤坩堝內(nèi)膽，石墨發(fā)熱體采用30kW電源供電，加熱溫度最高可達(dá)1500℃，對澆入的鋼水起一個保溫的作用。水冷插板閥主要起分隔熔煉爐和噴嘴包的作用，當(dāng)真空度達(dá)到工作標(biāo)準(zhǔn)時，關(guān)閉插板閥，噴嘴包和熔煉爐可以分別工作，互不影響；另一方面，將熔煉好的鋼水倒入噴嘴包，關(guān)閉水冷插板閥后，噴嘴包則變成一個密閉的空間，可向噴嘴包內(nèi)充入惰性氣體，補償包內(nèi)由于鋼液下降而導(dǎo)致噴嘴流出鋼液的流量的變化，可以根據(jù)包內(nèi)壓力的變化充入不同量的惰性氣體，保證噴嘴處的流量始終一致，使成帶薄厚均勻。噴嘴包內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 噴嘴包內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2）轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)

薄帶成型采用紫銅輥面作為冷卻介質(zhì)，輥面的旋轉(zhuǎn)一方面完成液態(tài)金屬的提取和薄帶的成型，另一方面它的高速旋轉(zhuǎn)，極大地加快了輥面的冷卻，為薄帶的成型提供理想場所。

設(shè)備中冷卻輥主要由輥芯和輥套組成，輥套采用新型材料鉻鋯銅制成，其作用是直接把熱量帶給內(nèi)部冷卻水，使鋼水瞬間變成鋼帶。轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)通過電機(jī)與齒輪帶帶動銅輥平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，電機(jī)選用7.5kW交流變頻電機(jī)，以滿足30m/s的最高噴帶轉(zhuǎn)速要求。為使輥面線速度達(dá)到無極可調(diào)，使用變頻恒轉(zhuǎn)矩方法實現(xiàn)電機(jī)調(diào)速，且銅輥與主軸做動平衡以保證銅輥運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。支座由碳鋼板加工形成，保證足夠的支撐力和強(qiáng)度。

3）其他附屬結(jié)構(gòu)

拋磨裝置拋磨裝置的功能是在線對銅輪進(jìn)行車削與拋磨。轉(zhuǎn)輥表面在使用過程中，由于使用不當(dāng)或其他原因，會產(chǎn)生各種損傷，如表面粗糙度達(dá)不到要求、輥面劃痕等缺陷，因此需要不定期對輥面做適當(dāng)維護(hù)，因此設(shè)計了拋磨裝置。主要由底座、支架、直線導(dǎo)軌副、滾珠絲杠、橫移電機(jī)、刀架遛板、拋磨電機(jī)、砂輪組成。其中拋磨電機(jī)為Y型交流電機(jī)，橫移電機(jī)選用交流可逆減速電機(jī)，橫移電機(jī)的作用是當(dāng)拋磨電機(jī)對銅輥打磨的過程中實現(xiàn)自動往復(fù)運動。

移動平臺移動平臺的功能是實現(xiàn)噴嘴包的上下移動和轉(zhuǎn)動，以保證噴嘴與銅輪的距離及解決噴嘴與銅輪中心線的交角，由2個滑座通過伺服電機(jī)直線導(dǎo)軌副、滾珠絲杠帶動支板上下移動，2個滑座可以單獨移動也可聯(lián)動，同時還設(shè)有手動微調(diào)裝置。噴嘴通過軸承固定在上下移動的支板上，支板上設(shè)有噴嘴包轉(zhuǎn)動的手輪，使用手輪可使用噴嘴包轉(zhuǎn)動一定角度。主要由滑座、支板、轉(zhuǎn)動軸承等組成。伺服電機(jī)自身帶制動器；支板由鋼板加工形成，一端通過軸與滑座鉸接，另一端通過可調(diào)螺栓與另一個滑座搭接；支板中間安裝有軸承，通過軸承固定噴嘴包。

薄帶纏繞機(jī)卷繞機(jī)的功能是將非晶帶材收集卷成鋼卷。主要由架體、齒輪減速電機(jī)及調(diào)速器組成。架體由角鋼及鋼板焊接形成。

氣體剝離裝置通常情況下，薄帶在輥面成型后，在慣性力的作用下薄帶會自動從轉(zhuǎn)輥表面剝離，但在，某些特殊情況下，薄帶很難從輥面剝離，所以設(shè)計了氣體剝離裝置，主要由氣體剝離嘴、支架、塑料塊、插式管接頭等組成。

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)要實現(xiàn)主電機(jī)與傳送電機(jī)的調(diào)速控制，要滿足一定的精度范圍；實現(xiàn)噴嘴包與快冷棍的間隙距離可調(diào)且精準(zhǔn)定位；實現(xiàn)爐殼補壓功能，能檢測爐體內(nèi)氣體壓力，欠壓和過壓時候及時報警提示并實現(xiàn)爐殼補壓；確定坩堝何時開始傾倒，何時傾倒停止，傾倒速度，以及傾倒結(jié)束的歸位；當(dāng)然還要實現(xiàn)人一體化功能，參數(shù)設(shè)置，鍵盤按鈕輸入，指示燈顯示等功能。

總結(jié)以上要求可分為4個控制子系統(tǒng)，一套人機(jī)交互以及操作臺面板,?？刂葡到y(tǒng)方案如圖5所示，包含四個子系統(tǒng)和一套人機(jī)交互系統(tǒng)，具體為：主傳動電機(jī)速度控制子系統(tǒng)、噴包與快冷輥的間隙高度調(diào)整子系統(tǒng)、爐殼閉環(huán)補壓子系統(tǒng)及坩堝傾倒子系統(tǒng)。

圖5 電氣控制子系統(tǒng)

控制系統(tǒng)操作臺采用立式結(jié)構(gòu)，人機(jī)操作界面采用臺達(dá)工業(yè)用14寸液晶觸摸屏，內(nèi)置系統(tǒng)工況組態(tài)畫面，動態(tài)顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)和各種參數(shù)。全中文操作界面，菜單式管理，操作人員可直觀進(jìn)行點擊操作和參數(shù)修改，人機(jī)交流非常方便?？刂葡到y(tǒng)核心采用臺達(dá)PLC，四個子系統(tǒng)獨立工作，但都通過PLC實現(xiàn)其控制功能，并通過串口通訊實現(xiàn)與其他功能的數(shù)據(jù)通信，四個子系統(tǒng)分別擁有模塊化顯示界面和按鍵控制，每個子系統(tǒng)有獨立的工藝顯示畫面，直觀地顯示當(dāng)前每個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，

1）主傳動電機(jī)速度控制子系統(tǒng)

主傳動電機(jī)通過帶動傳動帶來帶動輥子轉(zhuǎn)動，液態(tài)金屬在輥子上表面上快速冷卻形成一定厚度的金屬薄帶產(chǎn)品。其運轉(zhuǎn)速度的大小和穩(wěn)定性是金屬薄帶厚度、均勻度等等性能參數(shù)和指標(biāo)，直接關(guān)系產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，確保輥子穩(wěn)速運轉(zhuǎn)是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵因素之一。

該控制子系統(tǒng)主要由PLC、變頻器和變頻電機(jī)組成，實現(xiàn)銅輥0～30米/秒的調(diào)試范圍。操作人員可以預(yù)先在觸摸屏上輸入目標(biāo)轉(zhuǎn)速，PLC讀取數(shù)據(jù)并根據(jù)預(yù)先編制的程序進(jìn)行PID處理后輸出模擬量控制變頻器的輸出給定?？刂葡到y(tǒng)主拖動電機(jī)由變頻器驅(qū)動，以一定速度運行，編碼器反饋輥子的運轉(zhuǎn)速度并送入主控制器計數(shù)模塊，控制器通過運算，將給定速度參數(shù)與反饋量比較，產(chǎn)生的偏差對變頻器速度給定進(jìn)行調(diào)整，控制輥子以穩(wěn)定的設(shè)定速度運行，其速度環(huán)控制原理如圖6所示。

圖6 銅輥速度環(huán)控制原理

2）噴包與快冷輥的間隙高度調(diào)整子系統(tǒng)

在制備非晶帶材生產(chǎn)工藝中，帶材厚度精度的控制的關(guān)鍵之一就是噴嘴與快冷輥間距的控制精度。系統(tǒng)中噴嘴包的調(diào)整精度為2um，共有倆套高精度伺服驅(qū)動器和伺服電機(jī)用來調(diào)整噴嘴與快冷輥的間隙和噴嘴的傾斜角度的調(diào)整。位置反饋采用兩套高精度光柵尺，使噴嘴的動作距離精確到um級。PLC-伺服點位控制系統(tǒng)原理如圖7所示。

圖7 PLC-伺服點位控制系統(tǒng)原理

通過伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和角位移的控制實現(xiàn)噴嘴移動距離調(diào)整。根據(jù)絲杠的導(dǎo)程和電機(jī)的減速比可以算出運行距離達(dá)到2um時電機(jī)所對應(yīng)的脈沖數(shù)。PLC與伺服驅(qū)動器通過通過ModBus485通信。使用高速脈沖輸出端輸出脈沖到伺服驅(qū)動器來控制伺服電機(jī)的角位移，噴嘴包則通過高精度光柵尺把位置反饋到PLC，通過觸摸屏實時顯示左右光柵尺的位置。

3）爐殼閉環(huán)補壓子系統(tǒng)

設(shè)備中，當(dāng)熔煉爐中的坩堝將融化的母合金傾倒至噴嘴包后，可以通過水冷插板閥將熔煉爐與噴嘴包隔離開來，使噴嘴包形成一個密閉的空間，控制系統(tǒng)通過向噴嘴包充入惰性氣體來調(diào)整噴嘴包內(nèi)的壓力從而調(diào)節(jié)噴嘴處液態(tài)金屬的流量，使流量恒定，提高噴帶質(zhì)量。該子系統(tǒng)主要由PLC、高精度壓力傳感器、雙通電磁閥等組成。壓力閉環(huán)控制原理如圖8所示。

圖8 爐殼閉環(huán)補壓控制原理

如圖8所示，θd為設(shè)定爐殼內(nèi)的壓力值，可在觸摸屏上設(shè)置，θ為爐殼內(nèi)的實際壓力值，系統(tǒng)控制的目標(biāo)是使得θe=θd-θ→0，PLC通過壓力傳感器讀取爐殼內(nèi)的壓力值，然后與設(shè)定值比較，取得差值后進(jìn)行PID處理，然后輸出模擬量值控制雙通調(diào)節(jié)閥的充放氣量來使得爐殼內(nèi)的壓力保持一個穩(wěn)定值。

系統(tǒng)的PID整定具體為設(shè)爐殼內(nèi)壓力的偏差信號θe(t)為PLC進(jìn)行PID整定的輸入，u(t)為PID整定后的 輸出，有：

式中：Kp、Ti、Td分別為比例系數(shù)、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)。利用差分方程對式(1)離散化，得：

其中，3個參數(shù)經(jīng)整定分別為0.52、0.01和1.01。

4）坩堝傾倒子系統(tǒng)

坩堝傾倒子系統(tǒng)的主要控制對象為熔煉爐中的坩鍋，控制目標(biāo)是實現(xiàn)坩堝的傾倒，確定系統(tǒng)的安全性。該控制子系統(tǒng)為位置式控制，采用接近開關(guān)、PLC、互鎖接觸器等附件實現(xiàn)。傾倒時通過接近開關(guān)確定傾倒位置，通過觸摸屏顯示傾倒?fàn)顟B(tài)，主要包括直立、傾倒、傾倒結(jié)束和收起狀態(tài)。

3 設(shè)備現(xiàn)場安裝調(diào)試

根據(jù)本文所提出的設(shè)計思想，對非晶納米晶薄帶制取設(shè)備開展了現(xiàn)場設(shè)備安裝調(diào)試試驗，現(xiàn)場設(shè)備安裝分為上下兩層倆部分，二樓主要安裝設(shè)備的真空爐系統(tǒng)及相應(yīng)的電控柜，如圖9所示，二樓操作平臺較寬闊，若發(fā)生危險也容易撤離。

圖9 現(xiàn)場真空爐安裝

而一樓主要安裝冷卻銅輥及電氣控制操作臺，如圖10所示，為設(shè)備在一樓安裝整體示意圖，操作臺放置在銅輥左側(cè)，即可以全面觀察設(shè)備運行狀態(tài)，而且遠(yuǎn)離噴帶現(xiàn)場，安裝合理安全。

圖10 設(shè)備整體安裝現(xiàn)場

在試驗現(xiàn)場分別進(jìn)行了系統(tǒng)單獨調(diào)試和整體聯(lián)調(diào)，進(jìn)行噴帶實驗時由操作人員分別在一樓二樓配合操作，一樓完成設(shè)備整體控制及噴帶，二樓主要完成抽真空、母合金熔煉等操作。經(jīng)實際生產(chǎn)驗證，本設(shè)備可以穩(wěn)定生產(chǎn)30mm~150mm帶寬，0.02mm~0.08mm帶厚的非晶薄帶。目前該設(shè)備以及投入實際生產(chǎn)。

4 結(jié)論

本設(shè)計方案針對原有的單輥甩帶機(jī)的特點，在傳統(tǒng)單輥快淬法的基礎(chǔ)上設(shè)計出一套全新的非晶納米晶薄帶制取設(shè)備，本文主要介紹了本設(shè)備的生產(chǎn)工藝流程，機(jī)械結(jié)構(gòu)及電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計。機(jī)械結(jié)構(gòu)方面通過在噴嘴包倆側(cè)增加左右倆套高精度伺服電機(jī)，使用光柵尺反饋噴嘴包位置，調(diào)整精度可達(dá)2um，在薄帶生產(chǎn)過程中可以隨時調(diào)整矩形陶瓷噴嘴和輥面間隙的大小、噴嘴傾斜角度，可以較好地控制薄帶厚度。還有就是噴嘴包閉環(huán)流量控制裝置，通過水冷插板閥的閉合使噴嘴包成為一個密閉空間，通過壓力傳感器的反饋適當(dāng)?shù)南驀娮彀鼉?nèi)充入惰性氣體使得噴嘴處的流量穩(wěn)定，使成帶效果更好。軟件方面，在銅輥轉(zhuǎn)速控制子系統(tǒng)和爐殼補壓子系統(tǒng)中加入PID控制，使得控制精度更高，實時性更好。這些問題的改進(jìn)使得該設(shè)備結(jié)構(gòu)更加合理，技術(shù)先進(jìn)，薄帶制取滿足工藝要求，制備出的非晶薄帶表面光潔，邊緣整齊，質(zhì)量良好，可以滿足制備非晶納米晶薄帶的要求。

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