薄板热处理装置的快速加热控制原理及实现

　　摘要: 加热和冷却处理是改变冷轧带钢物理性能的关键技术。采用加热冷却装置进行离线工艺模拟是提前掌握新开发钢种加热冷却处理工艺参数的重要途径。本文介绍了一种薄板热处理试验装置的加热方法，重点介 绍了不同厚度、不同速率下的加热电流计算与 PI 闭环控制方法，实现了薄板快速加热过程中温度精确控制，同时也说明该控制方法是可行的。

　　关键词: 加热原理; PI 闭环控制; 电阻率; 比热容; 加热速率

　　0 引言

　　目前，冷轧带钢已成为市场上竞争力较强的一种产品，如何提高带钢的性能就成为竞争优劣的一个重要指标，所以通过试验对带钢在各种不同的工艺条件下的性能进行分析，分析出来的性能优质产品最终投入实际生产之中，增强市场竞争力，为企业创造利润。

　　对冷轧带钢进行快速加热处理，可以改变退火后带钢的晶粒尺寸及组织分布，从而改变带钢产品的最终性能，为此，国内外对试验装置带钢的快速加热方法也进行了大量研究，主要集中在直接通电加热技术上，但这些试验装置存在的缺点就是薄板尺寸小或者表面质量差等，在同一块薄板上只能对单独一种性能进行评价，影响薄板性能评价结果。本文介绍的快速热处理装置同样为直接通电加热方式，但采用氮氢气体作为保护气氛使薄板保持表面的光亮，另外在薄板尺寸上也 进行了适当的放大，可在同一块薄板上完成横切、纵切、45°斜切取样，在同一个工艺条件下同一块薄板上进行产品各方面性能进行评价，增加了评 价结果的可靠性。

　　1 加热简介

　　1. 1 电源拓扑结构

　　薄板加热采用串联式 IGBT( Insulated Gate Bi- polar Transistor) 感应加热电源设备，整流器采用三相桥式晶闸管全控整流电路，直流侧采用电容滤波以满足串联谐振逆变器的工作要求，逆变器采用大功率单相 H 桥IGBT 逆变结构，槽路为串联谐振结构。由于电压型逆变器的过流问题保护非常关键，故还必须采用稳定可靠的电流保护电路，才能保证逆变器的安全可靠运行，拓扑结构如图 1 所示。Ua、Ub 、Uc—三相电源;Ud—直流测电压;Udc—直流电压;Idc—直流侧电流;Uo—逆变侧电压;Io— 逆变侧电流;I—样板加热电流。

　　1. 2 加热原理

　　图 1 串联型 IGBT 感应加热电源的拓扑结构

　　比回路中其他组件大，电压降主要集中在薄板上，加热薄板使用普冷低碳钢板，薄板加热采取中频感应电流电阻加热方式，即加热变压器的副边通过母排与薄板形成短路状态，由于薄板电阻从而导致薄板被快速加热[1]，如图 2 所示。通过两个固定夹钳固定薄板，夹钳连接导电母排并起 到导电的作用，电流的大小反应加热速率的大小，电阻率是用来表示各种物质电阻特性的物理量，电阻率由导电材料的电学性质决定，与导体的长度、横截面积等因素无关，受温度影响较大。

　　2. 2 比热容 Cp

　　比热容，指单位质量的某种物质升高或下降单位温度所吸收或放出的热量，比热容越大，物体的吸热或散热能力越弱，不同温度下的比热容[3] 如表 2 所示。

　　在 PLC 中编写分段线性化程序，设当前温度段初始比热容为 CP0 ，斜率为 k，则不同温度下的比热容为:

　　CP = kT + CP0 ( 2)

　　将不同温度下的比热容进行线性处理，得出比热容随温度的变化曲线如图 4 所示。

　　2. 3 加热电流计算

　　薄板加热采取中频感应电流直接电阻加热方

　　表 2 不同温度下的比热容

　　温度/ ℃比热容/ (kJ / ( kg·℃ ) )温度/ ℃比热容/ (kJ / ( kg·℃ ) )温度/ ℃比热容/ (kJ / ( kg·℃ )能量等因素的影响，单纯的依靠理论计算电流来控制加热过程，显然还是不够的，故在此引入 PI

　　2. 4 热电偶温度信号采集

　　薄板热处理是通过加热、均热、冷却的方法， 来改变薄板的内部组织结构，从而改善薄板性能 的一种工艺，整个热处理的过程都是围绕着薄板 温度而展开，温度曲线也是整个热处理过程控制 的唯一指标。

　　热处理装置加热速度可达 300 ℃ / s，温度信号采集的实时性对加热过程控制起决定性作用，本热处理装置中薄板热电偶信号通过快速热电偶可编程信号转换器将热电偶信号转变成 4 ～ 20 mA 电流信号接入西门子快速 AI 模块，通过工业以太网接口模块 IM153-4 将快速 AI 模块以 Profinet 通信方式与 WinAC 软件 PLC 进行实时通信，实现快速实时的温度信号采集。

　　2. 5 PI 温度闭环控制

　　PI 调节器是一种线性控制器，它根据设定值与实际值构成控制偏差，将偏差的比例( P) 和积分( I) 通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。

　　薄板计算电流的准确性直接关系到快速加热温度控制的精确度，但实际中由于薄板参数、辐射

　　调节器与计算电流叠加在一起共同输出来保证薄板加热过程温度的精确控制。

　　PI 温度闭环[4]控制包含两个参数，其中温度设定值通过主 PLC 给定，温度实际值通过焊接在薄板上的热电偶采集，两者偏差值作为被控对象进行控制得到 PI 调节器输出电流值为:

　　由此可得出电源最终应输出电流为:

　　Idc = Is + Ipi ( 8)

　　式中: Idc 为电源输出电流。

　　Idc 作为最终的电流输出通过快速模拟量输出

　　模块以硬接线的方式送给感应加热主接口板进行控制。

　　2. 6 薄板加热试验

　　对三种不同厚度的薄板进行不同速率的加热，在西门子 WINCC( Windows Control Center) 软件中以 20 ms 的周期对薄板的设定温度与实际温度进行采样，得出升温曲线如图 5 所示。

　　3 结束语

　　从试验结果可以看出，本文中介绍的快速热

　　处理试验装置实现了薄板快速加热过程中温度的 精确控制，为快速加热环节提供了保证。薄板快 速热处理试验装置提供了一个很好的试验平台， 我们也在不断的进行大量不同工艺下薄板的快速 热处理模拟试验，同时在快速热处理新工艺的探 索上也取得了丰硕的成果，为今后的快速热处理 产线提供了工艺基础。

　　参考文献:

　　[1]骆宗安，苏海龙，张殿华，等. 金属材料快速加热方法的研究与实现[J]. 东北大学学报: 自然科学版，2004，25 ( 4) : 356.

　　[2]《机械工程材料性能数据手册》编委会. 机械工程材料性能数据手册[M]. 北京: 机械工业出版社，1994.

　　[3]谭真，郭广文. 工程合金热物性[M]. 北京: 冶金工业出版社，1994.

　　[4]徐伟，张宏义，于宏波. 中频加热温度闭环控制技术[J].机械工人( 热加工) ，2003( 11) : 40. [编辑: 张朝发]

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文章名称： 薄板热处理装置的快速加热控制原理及实现

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