摘要: 加熱和冷卻處理是改變冷軋帶鋼物理性能的關鍵技術。采用加熱冷卻裝置進行離線工藝模擬是提前掌握新開發鋼種加熱冷卻處理工藝參數的重要途徑。本文介紹了一種薄板熱處理試驗裝置的加熱方法，重點介 紹了不同厚度、不同速率下的加熱電流計算與 PI 閉環控制方法，實現了薄板快速加熱過程中溫度精確控制，同時也說明該控制方法是可行的。
關鍵詞: 加熱原理; PI 閉環控制; 電阻率; 比熱容; 加熱速率
0 引言
目前，冷軋帶鋼已成為市場上競爭力較強的一種產品，如何提高帶鋼的性能就成為競爭優劣的一個重要指標，所以通過試驗對帶鋼在各種不同的工藝條件下的性能進行分析，分析出來的性能優質產品最終投入實際生產之中，增強市場競爭力，為企業創造利潤。
對冷軋帶鋼進行快速加熱處理，可以改變退火后帶鋼的晶粒尺寸及組織分布，從而改變帶鋼產品的最終性能，為此，國內外對試驗裝置帶鋼的快速加熱方法也進行了大量研究，主要集中在直接通電加熱技術上，但這些試驗裝置存在的缺點就是薄板尺寸小或者表面質量差等，在同一塊薄板上只能對單獨一種性能進行評價，影響薄板性能評價結果。本文介紹的快速熱處理裝置同樣為直接通電加熱方式，但采用氮氫氣體作為保護氣氛使薄板保持表面的光亮，另外在薄板尺寸上也 進行了適當的放大，可在同一塊薄板上完成橫切、縱切、45°斜切取樣，在同一個工藝條件下同一塊薄板上進行產品各方面性能進行評價，增加了評 價結果的可靠性。
1 加熱簡介
1. 1 電源拓撲結構
薄板加熱采用串聯式 IGBT( Insulated Gate Bi- polar Transistor) 感應加熱電源設備，整流器采用三相橋式晶閘管全控整流電路，直流側采用電容濾波以滿足串聯諧振逆變器的工作要求，逆變器采用大功率單相 H 橋IGBT 逆變結構，槽路為串聯諧振結構。由于電壓型逆變器的過流問題保護非常關鍵，故還必須采用穩定可靠的電流保護電路，才能保證逆變器的安全可靠運行，拓撲結構如圖 1 所示。Ua、Ub 、Uc—三相電源;Ud—直流測電壓;Udc—直流電壓;Idc—直流側電流;Uo—逆變側電壓;Io— 逆變側電流;I—樣板加熱電流。
1. 2 加熱原理
圖 1 串聯型 IGBT 感應加熱電源的拓撲結構
比回路中其他組件大，電壓降主要集中在薄板上，加熱薄板使用普冷低碳鋼板，薄板加熱采取中頻感應電流電阻加熱方式，即加熱變壓器的副邊通過母排與薄板形成短路狀態，由于薄板電阻從而導致薄板被快速加熱[1]，如圖 2 所示。通過兩個固定夾鉗固定薄板，夾鉗連接導電母排并起 到導電的作用，電流的大小反應加熱速率的大小，電阻率是用來表示各種物質電阻特性的物理量，電阻率由導電材料的電學性質決定，與導體的長度、橫截面積等因素無關，受溫度影響較大。
2. 2 比熱容 Cp
比熱容，指單位質量的某種物質升高或下降單位溫度所吸收或放出的熱量，比熱容越大，物體的吸熱或散熱能力越弱，不同溫度下的比熱容[3] 如表 2 所示。
在 PLC 中編寫分段線性化程序，設當前溫度段初始比熱容為 CP0 ，斜率為 k，則不同溫度下的比熱容為:
CP = kT + CP0 ( 2)
將不同溫度下的比熱容進行線性處理，得出比熱容隨溫度的變化曲線如圖 4 所示。
2. 3 加熱電流計算
薄板加熱采取中頻感應電流直接電阻加熱方
表 2 不同溫度下的比熱容
溫度/ ℃比熱容/ (kJ / ( kg·℃ ) )溫度/ ℃比熱容/ (kJ / ( kg·℃ ) )溫度/ ℃比熱容/ (kJ / ( kg·℃ )能量等因素的影響，單純的依靠理論計算電流來控制加熱過程，顯然還是不夠的，故在此引入 PI
2. 4 熱電偶溫度信號采集
薄板熱處理是通過加熱、均熱、冷卻的方法， 來改變薄板的內部組織結構，從而改善薄板性能 的一種工藝，整個熱處理的過程都是圍繞著薄板 溫度而展開，溫度曲線也是整個熱處理過程控制 的唯一指標。
熱處理裝置加熱速度可達 300 ℃ / s，溫度信號采集的實時性對加熱過程控制起決定性作用，本熱處理裝置中薄板熱電偶信號通過快速熱電偶可編程信號轉換器將熱電偶信號轉變成 4 ～ 20 mA 電流信號接入西門子快速 AI 模塊，通過工業以太網接口模塊 IM153-4 將快速 AI 模塊以 Profinet 通信方式與 WinAC 軟件 PLC 進行實時通信，實現快速實時的溫度信號采集。
2. 5 PI 溫度閉環控制
PI 調節器是一種線性控制器，它根據設定值與實際值構成控制偏差，將偏差的比例( P) 和積分( I) 通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。
薄板計算電流的準確性直接關系到快速加熱溫度控制的精確度，但實際中由于薄板參數、輻射
調節器與計算電流疊加在一起共同輸出來保證薄板加熱過程溫度的精確控制。
PI 溫度閉環[4]控制包含兩個參數，其中溫度設定值通過主 PLC 給定，溫度實際值通過焊接在薄板上的熱電偶采集，兩者偏差值作為被控對象進行控制得到 PI 調節器輸出電流值為:
由此可得出電源最終應輸出電流為:
Idc = Is + Ipi ( 8)
式中: Idc 為電源輸出電流。
Idc 作為最終的電流輸出通過快速模擬量輸出
模塊以硬接線的方式送給感應加熱主接口板進行控制。
2. 6 薄板加熱試驗
對三種不同厚度的薄板進行不同速率的加熱，在西門子 WINCC( Windows Control Center) 軟件中以 20 ms 的周期對薄板的設定溫度與實際溫度進行采樣，得出升溫曲線如圖 5 所示。
3 結束語
從試驗結果可以看出，本文中介紹的快速熱
處理試驗裝置實現了薄板快速加熱過程中溫度的 精確控制，為快速加熱環節提供了保證。薄板快 速熱處理試驗裝置提供了一個很好的試驗平臺， 我們也在不斷的進行大量不同工藝下薄板的快速 熱處理模擬試驗，同時在快速熱處理新工藝的探 索上也取得了豐碩的成果，為今后的快速熱處理 產線提供了工藝基礎。
參考文獻:
[1]駱宗安，蘇海龍，張殿華，等. 金屬材料快速加熱方法的研究與實現[J]. 東北大學學報: 自然科學版，2004，25 ( 4) : 356.
[2]《機械工程材料性能數據手冊》編委會. 機械工程材料性能數據手冊[M]. 北京: 機械工業出版社，1994.
[3]譚真，郭廣文. 工程合金熱物性[M]. 北京: 冶金工業出版社，1994.
[4]徐偉，張宏義，于宏波. 中頻加熱溫度閉環控制技術[J].機械工人( 熱加工) ，2003( 11) : 40. [編輯: 張朝發]
