硅钢退火实验机自动控制系统研究

张泽瑞

摘 要：文章介绍了国内首个自主研发的冷轧硅钢退火实验机的基本功能，及其自动控制系统的基础自动化配置、网络结构、人机界面、实验机现场的电气仪表及安全功能的基本情况和工作原理。实践表明，该自动控制系统可以很好地满足硅钢退火的工艺要求。

关键词：硅钢；退火实验机；自动控制系统

中图分类号：TG334.9 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）14-0010-01

硅钢是电力、电子和军事工业领域不可或缺的重要软磁合金材料，主要用于制造发电机、各种电机、变压器铁芯等，按重量计占磁性材料用量的90%以上，是具有高附加值和战略意义的钢铁产品。取向硅钢组织以（110）[001]位向的高斯晶粒为主要特征，是唯一经过二次再结晶得到的钢铁制品，其生产工艺复杂、制造技术严格，被誉为钢铁材料中的“艺术品”。国外的生产技术都以专利形式加以保护，国内的武钢在1978年开始引入日本新日铁的专利技术，虽然历经40 a的研发，时至今日仍与日本等国家存在想当差距。目前国内生产的产品只相当于国外的中低牌号的产品。因此，对硅钢生产工艺的研究和技术的开发显得尤为重要。硅钢退火实验机就是为满足这一需要孕育而生的。

硅钢退火实验机的主要目的是用于硅钢产品的研究和开发以及连续退火工艺的研究和优化。硅钢连续退火模拟实验机的主要功能是完成试样的加热、脱碳、还原、渗氮、MgO涂覆和冷却等工艺过程。本实验机采用了多段独立炉腔组成的工艺段，各工艺过程的加热温度、时间、气氛等工艺参数均可灵活调整，且通过对工艺段的长度的调节，从而改变各工艺段的处理时间，当各工艺段长度确定后，还可以通过带钢行走速度来进行热处理时间的调整。

1 硅钢退火实验机的系统组成

1.1 硅钢退火实验机的组成部分

硅钢退火实验机由：开卷机、夹送辊、剪切机、滚焊机、脱脂清洗机、烘干机、纠偏装置、S辊、张力调整装置、退火炉本体、退火炉配套加热设备及仪表、冷却装置、涂层系统、烘干机、卷取机、液压系统、张力测量、气氛供给与检测、冷却系统、氢气报警系统等组成。

1.2 实验机自动化控制系统

实验机自动化控制系统可分为两部分，即实验机主控系统和实验机辅助控制系统。

①实验机主控系统是整个实验机基础自动化系统的核心部分，采用SIEMENS公司S7-400系列PLC来完成实验机主控功能。S7-400的416-2DP CPU主要完成全线速度协调、炉内温度和气氛、开卷和炉内及卷取张力等主令控制、全线的主令逻辑等控制，实现自动、半自动与手动控制功能，具有安全连锁保护、失张、过张连锁保护的功能。除此之外，主控系统还将完成对硅钢带材各位置的材料跟踪，以及各功能自动启动和停止。若带钢在正常退火运行中有一些意外情况造成失张、过张时，开卷和卷取张力通过开卷和卷取机上的直流全数字调速装置取得信号自动进行调节；炉内张力通过炉前张力传感器取得信号送入PLC进行处理和报警。在退火过程中，速度需以S型曲线的形式进行给定，保证在加速的起始段和结束段均以圆滑曲线过度，达到退火过程中启动、运行、停车过程都很平稳。速度控制需具有升速（或启动）、稳速、最小速度、停车、快速停车、急停等功能。采用退火炉前跳动辊装置，来实现退火炉炉内的张力控制。卷取前的张力检测辊可以实时将卷取张力提供给PLC，通过PLC与6RA70配合对卷取电流的控制，实现卷取外松内紧的工艺原则。

②实验机辅助控制系统采用S7-300系列PLC，主要完成对液压站、设备润滑站等的启停控制。

基础自动化PLC通过工业以太网与HMI服务器系统进行快速数据交换，实现连退和涂层的过程监视和过程数据采集。

直流主传动采用SIEMENS公司的6RA70直流调速器，交流传动采用SIEMENS公司的MM440交流变频器。实验机主控系统与传动系统通过PROFIBUS-DP现场总线网连接，实现对直流系统及交流变频系统的控制及传动状态数据采集，并将采集结果传给HMI人机界面系统进行过程监视和数据显示。

2 人机界面系统

硅钢连续退火和涂层模拟实验机人机界面系统具有如下功能：

①技术规格数据输入；②原始数据输入；③标准热处理工艺规程存储；④热处理工艺规程选择；⑤开车条件；⑥过程数据的显示和棒形图显示；⑦热处理过程全方位动态模拟显示；⑧故障和系统安全报警；⑨趋势条件查询；⑩开车条件查询。

人机界面如图1所示。

3 检测仪表系统

检测仪表系统包括炉温、带温、炉内压力、氧含量、氢含量和露点的检测。炉内气体分析利用一套气体分析系统，采用巡检的方式分别抽取加热段、脱碳段、还原段和渗氮段的气体，然后分配给氧分析仪、氢分析仪露点分析仪进行退火气氛的检控。由于还原段的露点远远低于其它工艺段，因此气体分析系统采用两套露点仪，分别用于检测还原段和其它段的露点。在冷却段还设有氧探头以测量该部位的氧含量，以保证系统的安全。每个单元炉段均设有一只铂铑热电偶用于检测炉温。带温的检测采用红外测温仪，共五套，分别设置在加热段、脱碳段、还原段、渗氮段和冷却段，炉压采用U型管进行检测。

4 实验机的安全与环保功能

连续退火炉由于应用氢气作为保护气氛和冷却介质，因此采取了多种安全措施：

①退火过程中炉内保持处于微正压状态，使炉内气氛压力高于大气，防止空气溢入；②退火炉入口和快冷段口设自动点火装置，将万一存在的氢氧混合气体燃烧；③入口段和出口段使用尖齿辊压毛毡压封，减少氧气入侵，转动齿辊可以在线喂入新的毛毡；④入口段和快冷段采用手动风门，在发生意外时关闭，有效防止氧气的侵入；⑤一旦发生事故，机组自动停止供氢并紧急充氮气保护，确保机组安全；⑥退火炉装有安全防爆装置，万一发生意外后可以起到安全保障作用。

5 结 语

本系统使用S7-400与S7-300的组合控制方式，6RA70直流调速装置及MM440变频器对传动设备的控制，与控制炉膛加热的SR10系列温控仪通过网络实时控制炉温，应用多种气体分析仪及露点仪对炉内气氛实时采样分析，氢气报警仪对现场安全进行监控。本系统控制思想先进，配置合理，运行稳定、安全、高效、灵活，为硅钢的退火实验研究建立了良好的实验平台。

参考文献：

[1] 何忠治，赵宇，罗海文.电工钢[M].北京：冶金工业出版社，2012.

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