（材料加工工程专业论文）冷轧带钢连续退火模拟实验机的研究与开发.pdf

分类号 u d c 密级 学位论文 冷轧带钢连续退火模拟实验机的研究与开发 作者姓名：崔廑勇 指导教师：韭殿堡教授 垄福窒讲师 东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室 申请学位级别：博士学科类别： 工学 学科专业名称：材料加工工程 论文提交日期： 2 0 0 9 年11 月1 9 日论文答辩日期：2 0 1 0 年1 月3 日 学位授予日期：答辩委员会主席： 袁晓光 评阅人： 东北大学 2 0 1 0 年1 月 、 ad i s s e r t a t i o ni nm a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fc o n t i n u o u sa n n e a l i n g s i m u l a t o rf o rc o l dr o l l e ds t r i ps t e e l b y c u i x i y o n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r z h a n gd i a n h u a l e c t u r e rh u af u - a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 1 0 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 = 亡己 思0 学位论文作者签名： 日 期：如i o ot o 皇 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文 的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 如f o o1 o 箩 签字日期： 东北大学博士学位论文 摘要 i i i 冷轧带钢连续退火模拟实验机的研究与开发 摘要 高等级冷轧产品的组织和性能主要是通过连续退火过程来控制的。连续退火是冷 轧带钢生产的重要工艺，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。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、精确的开发工具。产品开发人员为了选择最佳的生产 工艺，也有同样的需求。 冷轧带钢连续退火模拟实验机的研究与开发课题应运而生。本论文以国家自然科 学基金科学仪器基础研究专项基金项目“冷轧带钢连续退火模拟实验机的研究与开 发”、宝钢股份不锈钢分公司技术中心与东北大学签订的“光亮退火模拟实验机的研究 与开发”、太钢技术中心与东北大学签订的“太钢技术中心中间试验场实验设备研制与 开发项目”等项目为背景，确立了“冷轧带钢连续退火模拟实验机的研究与开发”这 一研究课题。 冷轧带钢连续退火模拟实验机采用单片试样，模拟再现冷轧带钢在连续退火过程 中的张力、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。 本课题的研究开发工作分为冷轧带钢连续退火模拟实验机的整体结构与功能设 计、实验机控制系统的研究与开发、模糊专家温度控制系统的研究与开发、用氢安全 控制策略的研究与开发、实验机应用研究等。成功研制出的第一台冷轧带钢连续退火 模拟实验机已在宝钢股份不锈钢分公司运行近三年，并发挥了较大的科研作用。该实 验机的开发成功，对冷轧产品开发及退火工艺的研究具有重要意义，同时填补了国内 空白，提高了国内模拟实验机设备研究与国外相关领域研究的竞争能力。 论文主要工作及创新性研究成果如下： ( 1 ) 本文在充分研究已知的国内外连续退火模拟实验机的结构特点的基础上，提 出了用单工位的结构来模拟连续退火生产的设计思想。该设计思想抛弃了依靠试样在 不同工艺炉段之间的穿行来实现加热、冷却、过时效等工艺过程的方法，直接在一个 炉体中实现试样的加热、均热、缓冷、快冷、过时效和终冷等工艺过程。多工位的设 计思想虽然从设备整体结构上和试样的运行方式上切合了实际的生产过程，但是不仅 没有很好的模拟连续退火生产过程，反而使设备结构复杂化，设备功能不够全面，降 低了模拟实验和实际生产过程的相似性。 东北大学博士学位论文 摘要 ( 2 ) 根据冷轧带钢连续退火模拟实验机的设计原则、设计指标和多功能的设计要 求，确定实验机的功能结构主要包括：实验机本体、加热系统、冷却系统、张力系统、 气水分配系统、气体分析系统、真空和气体排放系统、控制系统几个部分。在实验机 各功能部分的设计中结合实验机的功能要求和模块化、集成化的设计理念，使得各功 能部分相辅相成，设备装卸和维修十分简便。在各功能部分的设计中还充分考虑和实 现了使用氢气的安全保护功能。， ( 3 ) 冷却技术是连续退火机组的核心技术。本文中把冷却系统的设计开发作为了 一个关键的技术课题。设计开发出一套拥有自主知识产权的能够模拟气冷、水冷以及 气雾冷却的组合式冷却装置。通过该装置灵活的位置布置实现试样的均匀冷却。气体 冷却介质为氮氢混合气体，可实现全氢冷却。 ( 4 ) 根据实验机控制系统的功能要求，设计开发了控制系统硬件及网络结构原理 和配置，包括主控制系统、氢气安全报警系统和控制系统现场电气件分布三部分。实 验机基础自动化主控制系统采用s i e m e n s 公司s 7 4 0 0 系列p l c + f m 4 5 8 的基本结构。 s 7 4 0 0c p u 通过p r o f i b u s d p 网与现场远程i o ，以及传动装置进行数据交换，通 过工业以太网与h m i 进行快速数据交换。氢气安全报警系统配置选用s i e m e n s l o g o 系列p l c 。 ( 5 ) 控制系统软件开发包括p l c 控制软件开发和h m l 人机界面系统开发。p l c 软件系统主要包括功能逻辑控制系统、炉内压力控制系统、用氢安全控制策略、张力 控制系统、模糊专家温度控制系统、气水分配和调节系统等部分。实验机人机界面系 统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。 ( 6 ) 由于冷轧带钢连续退火模拟实验机温度控制系统的非线性、时变性、变结构、 多层次和大滞后等缺点而导致常规p i d 控制效果不理想，不能够达到实验机的设计性 能指标。而在实际调试过程中发现采用分段p i d 控制方法和动态变规格控制方法相结 合的控制策略具有很好的控制效果。因此引入模糊专家系统的结构和理论基础，并结 合实际调试过程中总结出的专家策略，建立了模糊专家温度控制系统。 ( 7 ) 针对氢气使用的安全性，通过分析模拟实验机的气体工作原理和氢气的物理 特性，设计开发出一整套氢气使用的安全控制策略。主要包括炉体密封性能的安全控 制、炉体内气体含量的安全控制、厂房内氢气检测报警的安全控制、安全互锁和紧急 处理、安全操作规程等策略。 关键词：冷轧带钢；连续退火模拟实验机；保护气氛；冷却技术；模糊专家系统；温 度控制；安全控制策略 东北大学博士学位论文a b s t r a c t mm m mm r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fc o n t i n u o u sa n n e a l i n g s i m u l a t o rf o rc o l d u l a t o rt o to l dr o l l e ds t r i ps t e e l a bs t r a c t t h em i c r o s t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e so fh i g hg r a d ec o l dr o l l e dp r o d u c t sa r ed e t e r m i n e db y c o n t i n u o u sa n n e a l i n gp r o c e s s c o n t i n u o u sa n n e a l i n gw h i c hd e t e r m i n e st h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h ef i n a lp r o d u c t si sa ni m p o r t a n tt e c h n o l o g yo fc o l dr o l l e ds t r i ps t e e l a c o n v e n i e n t ，f l e x i b l e ，a n d a c c u r a t ed e v e l o p m e n td e v i c ei si n u r g e n t n e e df o rt h e d e v e l o p m e n to fa n n e a l i n gt e c h n o l o g i e sa n dp r o d u c t s 。 、 ap r o je c to f r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fc o n t i n u o u sa n n e a l i n gs i m u l a t o rf o rc o l d r o l l e ds t r i ps t e e l i sp r o p o s e db a s e do nt h ep r o j e c to f r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f c o n t i n u o u sa n n e a l i n gs i m u l a t o rf o rc o l dr o l l e ds t r i ps t e e l w h i c hi ss u p p o r t e db yn a t i o n a l n a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ，t h ec o n t r a c to f “r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fb r i g h t a n n e a l i n gs i m u l a t o r b e t w e e nn o r t h e a s tu n i v e r s i t ya n ds t a i n l e s ss t e e lb r a n c ho fb a o s t e e l g r o u pc o r p o r a t i o nl i m i t e d ，t h ec o n t r a c to f “r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fe x p e r i m e n t a l e q u i p m e n t so fp i l o tt e s tl a b o r a t o r y o ft i s c ot e c h n o l o g yc e n t e r b e t w e e nn o r t h e a s t u n i v e r s i t ya n dt i s c ot e c h n o l o g yc e n t e r t h ec o n t i n u o u sa n n e a l i n gs i m u l a t o rf o rc o l dr o l l e ds t r i ps t e e lu s e ss m a l ls p e c i m e n st o s i m u l a t eas e r i e so ft e c h n o l o g i c a lp r o c e s s e so fc o n t i n u e sa n n e a l i n go fc o l dr o l l e ds t r i ps t e e l ， f o r e x a m p l e ：t e n s i o n ，h e a t i n g ，c o o l i n g a n d p r o t e c t i v ea t m o s p h e r e t h eq u a n t i t a t i v e r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ea n n e a l i n gt e c h n o l o g ya n dt h em i c r o s t r u c t ，u r ea n dp r o p e r t i e so f t e s t e ds t e e l sc a nb eo b t a i n e da f t e rt h ee x p e r i m e n t t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tw o r k si n c l u d et h ed e s i g no ff u n c t i o ns t r u c t u r e ，r e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n to fc o n t r o ls y s t e m ，d e v e l o p m e n to ft e m p e r a t u r ef u z z ye x p e r tc o n t r o l s y s t e m ，r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e 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ea c h i e v e m e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ei d e ao fs i n g l ew o r kp o s i t i o ni sp r o p o s e da f t e ras u f f i c i e n ts t u d ya b o u tt h e 东北大学博士学位论文 a b s t r a c t c o n t i n u o u sa n n e a l i n gs i m u l a t o r so fh o m ea n da b r o a d i ta b a n d o n st h em e t h o do fm o v i n gt h e s a m p l et h r o u g hd i f f e r e n tw o r kp o s i t i o n sb u tu s e sj u s to n ew o r kp o s i t i o nt os i m u l a t et h e h e a t i n g ，s o a k i n g ，s l o wc o o l i n g ，f a s tc o o l i n ga n do v e ra g i n gp r o c e s s e so fa n n e a l i n g t h ei d e a o fd i f f e r e n tw o r kp o s i t i o n sj u s ti st h es a m ea st h e a c t u a la n n e a l i n gl i n ea b o u tt h e m e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n dw o r k i n gm o d e ，b u ti td o e s n ts i m u l a t e st h ec o n t i n u o u sa n n e a l i n g p r o c e s sw e l la n dm a k e st h e s i m u l a t o r ss t r u c t u r ec o m p l i c a t e d a sar e s u l t ，s i m u l a t o r s f u n c t i o n sa r en o tc o m p r e h e n s i v ea n dt h es i m i l a r i t i e sb e t w e e ne x p e r i m e n t sa n dt h er e a l p r o d u c t i o na r ed e c r e a s e d ( 2 ) t h ef u n c t i o ns t r u c t u r eo fc o n t i n u o u sa n n e a l i n gs i m u l a t o rf o rc o l dr o l l e ds t r i ps t e e l w a sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ed e s i g np r i n c i p l e s ，d e s i g ni n d e x e sa n dm u l t i f u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t s t h ef u n c t i o np a n si n c l u d em e c h a n i c a lb o d yo fs i m u l a t o r h e a t i n gs y s t e m ， c o o l i n gs y s t e m ，t e n s i o ns y s t e m ，g a sa n dw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m ，g a sa n a l y s i ss y s t e m ， v a c u u ma n de x h a u s ts y s t e m ，c o n t r o ls y s t e m t h ed e s i g no ff u n c t i o ns t r u c t u r ee m b o d i e st h e c o n c e p to fm o d u l a r i z a t i o na n di n t e g r a t i o na n dt h ef u n c t i o np a n ss u p p l e m e n te a c ho t h e r w e l l s oh a n d l i n ga n dm a i n t e n a n c ea r ev e r yc o n v e n i e n t t h es a f e t yf u n c t i o no fh y d r o g e n u t i l i z a t i o ni sa l s oc o n s i d e r e da n di m p l e m e n t e d ( 3 ) c o o l i n gt e c h n o l o g yi st h ek e yt e c h n o l o g yo fc o n t i n u o u sa n n e a l i n gl i n e r e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n to fc o o l i n gs y s t e mi st h ek e yt o p i co ft h i sd i s s e r t a t i o n ac o m b i n e dc o o l i n g d e v i c ew h i c ho w n e dap a t e n to fi n v e n t i o nc a ns i m u l a t e st h ec o o l i n gm e a n so fg a sj e t c o o l i n g ( g j c ) ，w a t e rq u e n c h i n g ( w q ) a n ds p r a yc o o l i n gw a sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d s u c c e s s f u l l y b yf l e x i b l ea r r a n g e m e n to ft h ec o o l i n gd e v i c e su n i f o r mc o o l i n gc a nb e a c h i e v e d t h ec o o l i n gg a s e sa r ec o m p o s e do fh y d r o g e na n dn i t r o g e n f u l l - h y d r o g e nc o o l i n g c a nb ei m p l e m e n t e d ( 4 ) a c c o r d i n g t ot h ef u n c t i o n a ld e m a n d so fs i m u l a t o r sc o n t r o l s y s t e m ，t h e c o n f i g u r a t i o no f h a r d w a r ea n dn e t w o r ks t r u c t u r ew a sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d ，i n c l u d i n g m a i nc o n t r o ls y s t e m ，h y d r o g e ns a f e t ya l a r m i n gc o n t r o ls y s t e m ，a r r a n g e m e n tp l a no ff i e l d s e n s o r sa n da c t u a t o r s t h eh a r d w a r eo fb a s i ca u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e ma d o p t st h es 7 4 0 0 p l c + f m 4 5 8c o n f i g u r a t i o ns t r u c t u r e s 7 4 0 0c p uc o m m u n i c a t e sw i t he t 2 0 0 ma n d t r a n s m i s s i o ns y s t e mb yp r o f i b u s - d pn e t ，a n dc o m m u n i c a t e sw i t hh m ib yi n d u s t r i a l e t h e r n e t t h eh a r d w a r eo fh y d r o g e ns a f e t ya l a r m i n gc o n t r o ls y s t e ma d o 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国内外带钢连续退火模拟实验机的研究与发展7 1 3 1 国外带钢连续退火模拟实验机的研究与发展状况7 1 3 2 国内带钢连续退火模拟实验机的研究与发展状况l o 1 4 带钢连续退火模拟实验机的主要功能及设计原则1 2 1 5 本文的研究目的、研究内容及意义。1 3 1 5 1 本文的研究目的1 3 1 5 2 本文的研究内容l3 1 5 3 本文研究的意义1 4 第2 章冷轧带钢连续退火模拟实验机整体结构与功能设计1 6 2 1 引言1 6 2 2 模拟实验机设计原则和指标1 6 2 3 模拟实验机结构与功能设计1 7 2 3 1 实验机结构与功能原理1 7 2 3 2 实验机本体2 0 2 3 3 加热系统2 1 2 3 3 1 加热系统结构2 1 2 3 3 2 加热系统设计计算2 2 - j 一、 东北失学博士学位论文 2 3 4 冷却系统 2 3 4 1 冷却系统结构 2 3 4 2 冷却喷嘴的设计 2 3 4 3 冷却喷嘴安装布置 2 3 。5 张力系统 2 3 6 气水分配系统 2 3 6 1 保护气氛回路 2 3 6 2 冷却气体回路。 2 3 6 3 紧急吹扫气体回路一 2 3 6 4 气动元件的控制气体回路一 2 3 6 5 密封检测气体回路 2 3 6 6 设备冷却水回路3 6 2 3 6 7 工艺冷却水回路3 7 2 3 7 气体分析系统4 0 2 3 8 真空和气体排放系统4 1 2 3 9 控制系统4 2 2 3 1 0 其他辅助系统4 2 2 4 机械设计与制造4 2 2 5 本章小结。4 6 第3 章冷轧带钢连续退火模拟实验机控制系统的开发4 7 3 1 引言4 7 3 2 控制系统功能结构设计j 4 7 3 3 基础自动化控制系统硬件及网络配置4 9 3 3 1 主控制系统硬件及网络配置4 9 3 3 2 氢气安全报警系统配置5 4 3 3 3 基础自动化控制系统现场电气元件5 4 3 3 3 1 炉体旁电气元件5 5 3 3 3 2 气水分配站电气元件5 6 3 4 基础自动化控制系统软件开发5 8 3 4 1 实验机功能逻辑控制系统的开发6 0 3 4 2 炉内压力控制系统的开发6 l 3 4 3 用氢安全控制策略的研究与开发6 2 3 4 4 张力控制系统的设计与开发6 2 3 4 4 1 张力控制系统的设备组成和原理一6 2 j i 东北大学博士学位论文 目录 3 4 4 2 工艺过程描述和对系统软件的要求6 3 3 4 4 3 张力控制系统的软件设计6 4 3 4 4 4 控制效果6 7 3 4 5 温度控制系统的研究与开发j ：