近年来 ,稀有金属管材已广泛应用于航空航天、航海、核电、石油化工等领域 ,而这些行业对管材的质量有着极高的要求 ,真空退火是其中间和成品生产的重要工艺过程。在无氧化和无污染状态下进行消除应力或再结晶退火 ,以消除加工硬化和恢复塑性。不同的真空状态和温度 ,会对材质产生截然不同的效果 ,这是一个精密而复杂的过程。随着微机和自动检测与控制技术的不断发展 ,将微机应用于稀有金属管材真空退火的过程控制具有非常重要的意义。本文以宝鸡有色金属加工厂稀有金属管材真空退火炉微机控制系统为例 ,对该系统的研制与特点作以介绍和讨论。1 稀有金属管材真空退火炉工艺与设备特点钛等稀有金属管材经冷变形加工后 ,晶格发生歪扭 ,晶粒破碎或拉长 ,产生加工硬化现象 ,强度和硬度提高 ,而塑性降低。为此 ,需对中间管坯或成品管材在真空条件下退火。为了保证退火工艺要求和提高管材成品质量 ,必须对不同的材质、规格、牌号 ,选择相应的退火工艺曲线 ,并严格控制加热工艺参数 ,如 :加热温度、加热速度、保温时间、真空度、加热电流、电压等。通常的退火工艺曲线如图 1所示。稀有金属真空退火炉通常有立式与卧式 ,内热式与外热式之分。宝鸡有色金属加工厂制造的稀有金属管材真空退火炉为卧式内热结构 ,加热体为钼丝束 ,反射屏为不锈钢板 ,分为 5个加热区 ,电气控制分为3个主要部分 ,即 :温度控制系统、真空控制系统、循环冷却水控制系统。炉子的主要技术参数 :工作温度80 0℃ ,最高加热温度 950℃ ,温度精度要求± 3℃ ,轴向、径向最大温差± 10℃ ,工作真空度 2 .67× 10 -2Pa,极限真空度 1.33× 10 -3Pa,漏气率 0 .0 3Pa/ min,最大管长 15m,装料 1.5t。图 1 退火工艺曲线示意图Fig.1Schemetic drawing of annealing schedule2 稀有金属管材真空退火炉微机控制系统的设计与实现2 .1微机控制系统组成与设计本系统的基本组成如图 2所示。系统硬件组成 :系统微机选用研华 IPC610 /386DX工业微机 ,监视器为工业增强型 CRT,L Q160 0 K打印机。控制系统硬件设计采用美国 OP-TO公司网络式 RTU88系列智能数字量模拟量 ( I/O)模块 ,构成网络式集散检测与控制系统。RTU88可任意组合连接到网络中去 ,各个 RTU88单元之间以及单元与主机之间都是通过 RS4 2 2 / 4 85通讯线连接起来。图 2 微机控制系统组成图Fig.2 Constitution of computer control system 本系统采用多点方式连接 ,可连接 10 0多个RTU88,并联在同一组通讯线上。个别点上 RTU出现故障 ,系统仍能正常运行。通讯协议为 2 - PASS协议。2 .2系统的控制策略分析稀有金属管材真空退火炉微机控制系统主要实现退火过程的工艺参数检测与优化控制。其主要参数是 5个区的加热温度、加热电流与电压、炉内真空度。依据稀有金属用炉特点及生产经验 ,针对 5个温区加热 ,其特性不一 ,在控制策略中设计 5个独立的控制器 ,每个控制器采用自适应 PID与 Fuzzy控制相结合的复合 Fuzzy- PID结构。控制策略上将真空度到达设定值作为退火温度控制的先决条件 ,实现真空度与温度的耦合控制。二维 Fuzzy与自适应 PID控制构成并行复合Fuzzy- PID控制器 ,其原理如图 3所示。图 3 并行 Fuzzy- PID控制器结构图Fig.3Constitution of parallel Fuzzy- PID controller2 .3系统应用软件设计本系统控制程序采用模块化结构设计 ,主程序流程图如图 4所示。图 4 主程序流程图Fig.4Flow chart of main progra2.4控制系统的技术关键系统在研制中着力解决了如下问题 :1)针对稀有金属退火过程 ,真空度与温度之间有着复杂的关系 ,提出并解决了两者之间的耦合控制 ;2 )针对退火炉 5个温区的不一致性 ,设计了 5个独立地复合 Fuzzy- PID控制器 ;3)采用 RTU 88智能输入、输出模块 ,构成独特的网络式集散检测与控制系统 ;4 )为了确保系统可靠运行 ,在屏蔽、接地、供电上采用了许多特殊处理 ,软件上采用容错与针对温度的大滞后特性采用特殊的滤波技术。3 系统运行结果与分析该系统已于 1995年 12月投入生产运行。在运行过程中对各项参数作过多次测试。以纯钛管为例 ,测试结果如表 1所示。表 1 真空退火炉纯钛管退火测试结果Table1Annealing test record of pure Ti tubing in vacuumannealing furnaceSettingvalue/℃2 5 10 0 15 0 2 0 0 30 0 40 0 5 0 0 6 0 0 70 0 80 0Tracingvalue/℃31.797.514 9.2 199.52 99.84 0 0 .150 0 .3 60 0 .2 699.6799.7Vacuum/× 10 - 2 Pa1.82 .0 2 .0 2 .12 .3 2 .5 2 .72 .6 2 .5 2 .3 从系统的测试结果可以看出 :炉内温度能快速、准确地跟踪设定值的变化。在真空退火的有效区间 ,其最大绝对误差为± 0 .8℃。炉内温度均匀性测试。测试方法 :用标准化热电偶和标准电位差计进行现场标温。1)轴向温度的测试。将 7支热电偶沿加热炉轴线分布 ,具体见图 5。测试结果如表 2所示。表 2 轴向温度均匀性测试结果Table2 Testing record of axial temperature uniformitySettingvalue/℃12 3 45 6 7Max.error/℃2 0 0 2 0 3 2 0 12 0 12 0 0 2 0 2 2 0 12 0 2 340 0 40 6 40 44 0 44 0 3 40 2 40 3 40 776 0 0 6 0 86 0 5 6 0 5 6 0 46 0 3 6 0 6 6 0 7870 0 70 970 6 70 770 470 6 70 8710 1080 0 810 810 80 980 880 880 9810 1090 0 90 990 890 790 890 890 890 99 2 )径向温度的测试。将 7支热电偶成米字形均匀分布在炉内中心截面上 ,具体见图 6。测试结果如表3所示。图 5 轴向标温热电偶位置分布图Fig.5 Schematic drawing of axial distribution of standardtemperature thermocouples图 6 径向标温热电偶位置分布图Fig.6 Schematic drawing of radial distribution of standardtemperature thermocouples表 3 径向温度均匀性测试结果Table3Testing record of radial temperature uniformitySettingvalue/℃12 3 45 6 7Max.error/℃2 0 0 2 0 2 2 0 12 0 12 0 2 2 0 2 2 0 2 2 0 1240 0 40 44 0 44 0 44 0 3 40 3 40 3 40 446 0 0 6 0 0 6 0 5 6 0 5 6 0 5 6 0 46 0 5 6 0 5 570 0 70 770 770 6 70 6 70 6 70 770 7780 0 80 980 980 980 980 880 980 8990 0 90 890 990 990 890 990 990 99 可以看出 :该系统各项技术指标均达到或优于生产工艺的设计要求。4 结束语稀有金属管材真空退火炉微机控制系统于 1995年 12月投入生产运行 ,实际生产运行表明 :系统设计满足稀有金属退火工艺要求 ,控制精度高 ,动态响应快 ,实现了退火全过程自动检测与优化控制 ,对改善工艺水平 ,稳定产品质量 ,降低能耗具有显著的经济和社会效益。稀有金属管材真空退火炉微机控制系统的研制@张乃禄$宝鸡有色金属加工厂!宝鸡721014
@王树青$宝鸡有色金属加工厂!宝鸡721014
@张水利$宝鸡有色金属加工厂!宝鸡721014
@郭晖$宝鸡有色金属加工厂!宝鸡721014
稀有金属;;
真空退火炉;;
微机;;过程控制介 绍以宝鸡有色金属加工厂自行设计制造的稀有金属管材真空退火炉为对象而研制的微机控制系统。该系统实现了退火过程的工艺参数检测与优化控制,在生产中取得显著效果。在钛、锆等稀有金属加工领域有广泛的应用前景。1 Handbook of Rare Metals Edit Committee.H andbook ofRare Metals
.Beijing:Metallurgy Industry PublishingHouse,1995
2 Zhang Nailu(张乃禄 ) ,Ren Yuan(任 源 ) ,Wu Xiaomin(吴效民 ) etal.Computer Group Control System of Induc-tion Heating Furnace for Rare Metals.Rare Metal Ma-terials and Engine
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