线材生产线

线材生产线（精选7篇）

线材生产线 篇1

引言

江苏永钢集团有限公司(以下简称“永钢公司”)于2006年6月自行设计了三高速线材车间,在2007年3月正式投产。永钢公司三高速线材车间采用双线布置,坯料为:150 mm×150 mm连铸方坯,产品规格为:Φ5.5～20.0 mm光面盘圆和Φ6.0～14.0mm带肋盘圆,盘卷重约2 t,生产钢种为碳素结构钢、优质碳素结构钢(45#)、低合金钢(20MnSi)、弹簧钢(60Si2Mn)、焊条钢(H08A)、冷镦钢(ML08～35)等。

1 生产工艺流程

永钢公司三高速线材生产工艺流程为:150 mm×150 mm连铸方坯→热装或冷装上料→辊道输送称重、测长后入炉→步进梁式加热炉加热(210 t/h)→辊道输送出炉→高压水除鳞→1#～7#轧机粗轧→1#飞剪切头、碎断→8#～13#轧机中轧→2#飞剪切头、碎断→侧活套→14#～17#预精轧→1#水冷箱→3#飞剪切头→碎断剪→侧活套→19#～27#精轧机组轧制→2#水冷箱→3#水冷箱→4#水冷箱→测径仪→夹送辊→吐丝机→斯太尔摩风冷线→集卷→P&F运输冷却线→入库。

2 高线工艺设计要点

2.1 坯料规格的选择

(1)关于坯料的选择,要参考本单位是否有炼钢工序,如果有炼钢,坯料规格宜选用150 mm×150mm～160 mm×160 mm,这样的坯料适于连铸生产组织,且产量较高。如果没有炼钢,坯料规格宜选择150×150 mm～200×200 mm,轧机布置采用半连轧,生产组织更加灵活。

(2)坯料的长度最好为12 m,线材的盘卷最好不要超过2.5 t,否则对下道工序会有影响,市场的销售会受到限制,特别是下道需要进行酸洗的工序。

2.2 轧机机架数量的选择

如果采用全连轧的单线布置形式,同时坯料为150 mm×150 mm～160 mm×160 mm,对于平立布置的轧机选择28架,对于水平布置的轧机一般选择27架。如果采用全连轧的双线布置形式,轧机一般选择27架。

2.3 单、双线轧制选择与配置

2.3.1 单、双线轧制选择

如果产品以建筑用材为主,应选择双线轧制,以实现100万t/a生产能力计,可以节省投资约30%,后序的运行费用也可大幅减少。

如果产品为非建筑用材为主,应选择单线轧制,主要原因为非建筑用材为订单生产,订货批量不大,同时单线生产的张力便于控制。

2.3.2 轧线配置方式

以双线为例,轧线可进行如下配置:

(1)前4台轧机单线全连续布置,能力是后道轧机能力的2倍以上,后道采用双线轧制,4#与5#轧机采用脱尾轧制(见图1),这一设计的优点是前4台轧机的轧制负荷较低;缺点是4#与5#轧机之间的距离要拉大,如采用12 m的连铸坯,距离应大于45 m,整个厂房的长度应在450～500 m之间,厂房的投资约提高13%左右。

(2)从第一架轧机开始就采用双线轧制(见图2),这一设计的优点是轧机紧凑,厂房可以减少45m左右;缺点是前三台轧机的负荷较大,轧机轴承更换的频次较高。

1.Φ550 mm牌坊轧机(8台);2.辊道;3.分钢器;4.1#剪(2台);5.Φ470 mm牌坊轧机(4台);6.Φ360 mm水平短应力轧机;7.立活套;8.Φ360 mm垂直短应力轧机;9.2#剪;10.侧活套;11.预精轧机组

1.Φ550 mm牌坊轧机(8台);2.1#剪(2台);3.Φ470 mm牌坊轧机(4台);4.Φ360 mm水平短应力轧机;5.立活套;6.Φ360 mm垂直短应力轧机;7.2#剪;8.侧活套;9.预精轧机组

受场地的影响,永钢公司的三高线设计中采用了150 mm×150 mm双线轧制,考虑到负荷较大的问题,将轧机的四列短圆柱轴承改为圆锥轴承,将轴承的材质由普通的轴承钢改为渗碳钢,同时将轧辊的长度改短。从目前3年多的生产情况看,使用效果很好,未出现不正常情况。

2.4 孔型设计和电机转速

(1)一般国产高速线材轧机的设计规格为Φ5.5～16.0 mm,设备要求进精轧的来料≤Φ22 mm;但事实证明国产精轧机可以生产Φ5.5～20 mm的产品,进精轧的来料应为≤Φ25 mm。本生产线的产品规格设计为Φ5.5～20 mm。

(2)Φ8.0,10 mm高速线材为常规产品,为提高产品的产量,Φ8.0 mm应从最后机架轧出,Φ10 mm应从倒数第三机架轧出。

(3)Φ16,18,20 mm在国产精轧机中进行轧制时,成品线速度≥14 m/s,同时轧件的尾部脱离精轧机时,夹送辊要有相对精轧20%左右的超速,否则吐丝机不能顺利成圈,造成不必要的生产误时。

(4)正常情况下Φ5.5 mm的成品线速度在80m/s,而Φ20 mm的成品速度14 m/s,所以电机的转速和齿轮箱的速比的选定要综合以上两个基本数据,在使用过程中,电机转速不能超过其最高转速,同时Φ5.5 mm产品所占比例偏小,可以考虑轧制Φ5.5 mm产品时电机在基速以下运行,所以粗轧、中轧、预精轧的电机的转速选为500～1 200 r/min比较合适。

2.5 精轧机机型的选择

常用国产精轧机一般有3种机型,即摩根三代、三代半、五代,主要的区别是8寸机架的多少,三代、三代半、五代的8寸机架分别为2架、3架、5架。从设备运行的稳定性和产品质量看,摩根五代有较大的优势。

2.6 轧机机组间飞剪位置以及台数的选择

飞剪台数及位置的选择与成材率有关,直接影响轧废率,轧废一根坯,损失就达2 t,如是合金钢,成本则更高。

坯料选用150 mm×150 mm～160 mm×160mm,如果使用28台轧机,整条生产线一般布置3台切头剪,每6台轧机的后面布置一台;如果使用27台轧机,整条生产线一般布置3台切头剪,第一台剪机布置在7架之后,然后每6台轧机的后面布置一台。

2.7 水冷线配置

(1)设计成品线速度在100 m/s (Φ6.5 mm)左右的生产线,预水冷和轧后水冷的长度分别在50 m(图3中A尺寸)和70 m左右(图3中B尺寸)。设计成品线速度在90 m/s(Φ6.5 mm)左右的生产线,预水冷和轧后水冷的长度分别在30 m(图3中A尺寸)和60 m左右(图3中B尺寸)。永钢公司三高线采用了后者。

1.预精轧机组;2.预水冷水箱;3.预水冷后恢复段;4.3#飞剪;5.碎断剪;6.侧活套;7.卡断剪;8.精轧机组;9.轧后水冷水箱;10.轧后水冷恢复段;11.夹送辊;12.吐丝机

(2)水冷装置最好选用摩根五代的形式,其优点是对中性好,容易进行更换(更换一套水冷装置只需30 min),特别是轧制Φ5.5 mm时速度可以达到80m/s左右。

2.8 斯太尔摩辊式输送辊道

(1)成品线速度能够达到多少,通常斯太尔摩辊式输送辊道的长度就应设计为多少;

(2)风机的数量一般为13台左右,风机的风压一般要达到3.0 kPa,风机的风量在154 700 m3/h,为适应高碳钢的轧制,靠近吐丝机的5个风机的风量最好为180 000 m3/h;

(3)辊道要设计出4～5个台阶,以改变线圈搭接的不利影响;

(4)冷却风机要配有“佳灵”装置(optiflex),用来改变同圈的温度,均匀同圈的性能;

(5)辊道电机应选择变频调速,来适应品种钢所需的不同辊道速度;

(6)为适应延迟冷却的要求,辊道上要配有保护罩。

2.9 平台标高的设计

同类型的高速线材轧机,其操作平台的标高多在4.5 m以上,有4.5,5.0,5.5,6.0 m等。平台的标高与厂房的轨面标高有关,因此在满足工艺的条件下,应合理确定标高,然后根据平台标高所决定的轧线设备检修安装所需的最大高度来确定吊车轨面标高。如果吊车轨面加高,厂房造价也要相应提高。永钢三高线轧机的平台标高工艺设计确定为5.0 m,与国内大部分高线车间的平台标高一致。平台标高确定以后,轧制线标高就确定了,一般情况是在平台标高的基础上加上800 mm,所以永钢三高线的轧制线标高确定为5.8 m。从现场的设备安装情况看,这样的设计是比较合理的。

2.1 0 轨面标高的设计

高速线材轧机主厂房的轨面标高与轧机传动方式、加热炉及集卷芯轴的选型有关。一般来讲,全水平布置的轧机轨面标高确定为13.8 m就已经可以了。考虑到厂房空间、工人的操作环境,及加热炉上部的空煤气管道的检修空间,永钢三高线的轨面标高确定为14.4 m;另外对于平立交替的轧机,轨面标高可确定为15.0 m。

3 设计效果

永钢公司三高线于2007年3月正式投产,先后生产了碳素结构钢、优质碳素结构钢(45#)、低合金钢(20MnSi)、弹簧钢(60Si2Mn)、焊条钢(H08A)、冷镦钢(ML08～35)等钢种,产品规格已覆盖Φ5.5～20.0 mm光面盘圆和Φ6.0～14.0 mm带肋盘圆,盘卷重约2 t。大幅改善永钢公司的产品结构,增强了企业市场竞争力。

4 结束语

根据高速线材的生产工艺流程,合理制定工艺设计要点,设计的高速线材生产线经济、合理,可以满足多品种高速线材生产需要。

参考文献

[1] 袁志学,杨林浩.高速线材生产[M].北京:冶金工业出版社,2005．

[2] 赵志业.金属塑性变形与轧制理论[M].北京:冶金工业出版社,1961．

[3] 赵松筠,唐文林.型钢孔型设计[M].北京:冶金工业出版社,2000．

[4] 王廷溥.轧钢工艺学[M].北京:冶金工业出版社,1981．

[5] 上海市冶金局孔型学习班.孔型设计[M].上海:上海人民出版社,1977．

线材生产线 篇2

1.1 高速线材减定径线

高速线材减定径生产线主要包括夹送辊、拨料器、3号飞剪、精轧机、减定径、水箱、吐丝机前夹送辊以及吐丝机。减定径由四个机架组成, 由一台同步电机集中传动, 由于该电机功率大、转速高以及对动静态特性要求高, 因此, 对电动机和变频设备的设计制造提出了很高的要求。因此, 交流同步电机采用了ABB AMZ系列, 而调速设备则采用了ABB ACS6000全数字中压变频传动系统。

3号飞剪是由一台ABB ACS800传动控制的交流电机驱动, 靠其前面的拨料器动作完成剪切。剪子控制有三个增量型编码器, 一个编码器安装在电机后面, 与ACS800交流传动RTAC板相连, 用于测量电机速度, 一个编码器安装于伺服电机上, 发出的信号通过TM41模块与Next Move ESB运动控制器相连, 用于检测拨料器的实际位置, 第三个编码器为剪刃编码器, 用于检测剪刃位置, 直接与Next Move ESB运动控制器相连, 通过几个编码器来定位剪刃位置和电机的速度。吐丝机及其夹送辊也分别由一台ABB ACS800传动控制的交流电机驱动。

1.2 基于800x A平台的线材减定径机线

控制系统采用ABB最新的自动化系统平台800x A, 服务器两台、客户机四台, 工程师站1台, 控制器为5台AC800PEC, 控制器与S800远程站之间采用Profibus-DP总线进行通讯, 与传动装置通过光纤以DDCS和MODUSBUS协议进行通讯。800x A自2004年推出以来, 在各行各业得到广泛应用, 其主要特点有:

第一, 系统结构更加灵活, 增加功能更加简便。

第二, 安全性增强:在整个系统范围内通过赋予不同对象的不同权限确保操作安全可靠。

第三, 扩展的诊断功能:通过自诊断以及报表功能更容易维护, 从而增强了系统的可用性。

第四, 全面的系统管理:除系统搭建和维护更方便外, 操作也更加安全可靠。

第五, 集成的系统环境:在传统的控制系统中, 操作、信息以及工程管理系统都是孤立的, 而在此系统中他们处于一个统一环境。因此, 通过该系统ABB老用户能够根据自己需要和财政情况升级系统。

2 减定径系统设计

2.1 速度计算

减定径为成品机架, 应根据轧制表设定出口速度和产品过程。操作员在HMI上确定减定径组工作机架并输入首个工作机架轧辊直径和孔槽校正值时应根据产品规格。而控制程序应当根据相应参数和公式计算最大速度。

2.2 R因子计算

R因子即减面率, 根据金属秒流量相等的原则, 既等于相邻工作机架速度比, 又等于相邻两机架出口截面积之比。减定径的总R因子可以分为首个工作机架的隐私以及首个工作机架下游所有机架的总R因子。第一个因子用于计算减定径上游机架速度的给定, 第二个用于计算减定径机组电机速度的给定。

2.3 物料延展的计算

减定径机出口物料速度很快, 因此必须提前启动物料追踪功能。计算公式如下:LTOTAL=LR×[ (R4×R3×R2) + (R4×R3) +R4]。其中:RN是机架N的R因子, 即其出口速度与入口速度之比, LR是相邻两机架的辊距。

3 水箱控制设计

在水箱控制中, 水阀开关的时间计算是非常关键的。如果在线材还没有进入水箱前打开, 极易引起堆钢, 同样的后果也会发生在水阀, 在钢尾经过后未及时关闭, 而下一支钢的头部已经到达。水箱前的热金属检测器用于触发时间的计算。

其中:L1为热金属检测器到水箱入口的长度, LHEAD为线材不穿水的长度, TH为热金属检测器探测到信号后触发的延时开时间, TR为水阀的动作时间 (大约为0.1s) , VHEAD为线材的线速度。

4 夹送辊控制设计

4.1 夹送控制

通过BALDOR Mint DRIVE控制的伺服电机实现夹送辊的夹持控制, 其目的:第一, 采用转矩控制以防止打开水箱冷却水时堆钢;第二, 保持线材尾部具有良好的卷型, 通过系统切换高压来防止甩尾。

4.2 打开和关闭控制

有三种自动关闭的情形:头部关闭, 尾部关闭, 强制关闭。当选择头部夹送或连续夹送时, 钢到达减定径入口的热金属检测器时, 启动时间计算THEAD_CLOSE=L2/VHEAD- (TH+TR) , 其中:L2是热金属检测器到夹送辊的距离, TH和TR与上文相同。当选择尾部夹送时, 钢尾部离开3号剪前夹送辊的热金属检测器时, 启动时间计算“TTAIL_CLOSE=L3-LCUT/VTAIL- (TH+TR) , 其中L3是热金属检测器到夹送辊的距离, LCUT是3号飞剪的切尾长度, 此处来自操作员在人机界面上的设定值。当3号剪启动碎断后, 夹送辊强制关闭。与关闭类似, 也有三种自动打开的情形:头部打开、尾部打开、强制打开。当选择头部夹送时, 钢到达减定径后的热金属检测器时, 启动时间计算:THEAD_OPEN=L2/VHEAD- (TH+TR) , 其中:L2、TH、TR与上文相同。钢尾部离开夹送辊前的热金属检测器0.5s后, 或者同时下一只钢头部已到达3号剪前夹送辊的热金属检测器时, 夹送辊强制打开。

5 结束语

成品轧机和热轧生产的核心部分就是减定径, 并且轧制产品的质量水平主要取决于减定径组的技术装备水平以及控制水平, 因此, 对于进行自动化设计具有重要意义。

参考文献

[1]曾硕巍.壳牌测试实验室成功实现与Industrial 800xA自动化系统的无线FF HSE连接[J].中国仪器仪表, 2008 (07) .

[2]孟凡华, 杨欣, 李志远.ABB 800xA系统在江苏沙钢1450热连轧项目中的应用[J].中国仪器仪表, 2010 (04) .

线材生产线 篇3

关键词：张力控制,矢量变频器,恒转矩

1 引言

放线和收线器是生产扁线材不可缺少的设备。扁线的收卷质量是线材产品成形好坏的关键。特别对于工业上的大批量生产,现有的手动绕线机已不能满足微细扁线收卷的要求,必须通过电动收放线以实现自动化生产。在放线和收线过程中保持一定张力才能使收线均匀且线材不易被拉断,故张力控制是整个收放线过程的关键。

2 张力控制方案介绍

本文的扁线成形工艺采用轧制法,通过步进电机驱动轧辊转动实现。轧制后的扁线通过C型光杆排线器的轴向移动均匀地分布到绕线筒上,排线器的旋转轴与收卷轴用同步带传动,收卷轴与电动机之间用同步带和联轴器连接。为了线材在轧制过程中保持一定张力,防止放线时因轧制速度改变而造成的速度波动,收放线均采用电动装置。参照现有纺织、印刷生产设备,总结出三种可参考的方案。第一种是采用磁粉制动器和磁粉离合器的张力控制方案;第二种是采用张力传感器采集信号并通过张力控制器控制张力;第三种是用矢量变频器和编码器实现恒张力控制。

2.1 磁粉制动器、离合器张力控制方案

其工作原理如图1所示,磁粉制动器提供放线器动力,磁粉制动器、轧制电机、收线电机分别由不同的PLC控制,主机系统通过一些参数给定启动三个PLC。张力传感器1(2)根据张力浮辊的位置测出张力信号并通过张力放大电路反馈到PLC1(2)上,当浮辊位置下降时,PLC1、2根据所采集的张力信号给出脉冲使磁粉制动器和收线电机加速,从而通过张力的变化调速实现放线、轧制、收线的速度一致。

此方案具有可用励磁电流简单传递转矩、张力和速度均可调的优点。但用磁粉制动器进行收卷张力控制,限制了设备的运行速度,也浪费了能源,而且由于磁粉本身使用寿命的原因,造成了故障率较高的情况[1]。

2.2 张力传感器张力控制方案

在轧制前后的部分加张力传感器,属于靠速度差来调节张力的PID控制。此方案的工作原理大致与上一方案相同,放线和收线均使用伺服电机调速。如图2所示,张力控制器由张力传感器检测张力,控制器把张力数据处理后输出标准模拟量电压经A/D转换后给PLC,PLC用此信号与预设值对比,依据对比情况适时调整放线电机M3或收线电机M2的转速。轧制和收线电机均由一个PLC控制,通过人机界面实现智能启动。

此方案通过张力信号采集从而使收线电机变速,具有测量范围宽,线性好的优点。但电气设备、程序较为复杂,需要调速单元较多,价格昂贵,开发周期长。且张力不稳定,电气调速单元要求响应快,系统容易震荡,容易影响收线的质量。同时不能吸收张力的峰值,受到强干扰时,系统不及作出反应。

2.3 变频器张力控制方案

用变频器做恒张力控制的实质是闭环矢量控制,即加编码器反馈。对收卷来说,收卷的卷径是由小到大变化的,为了保证恒张力,所以要求电机的输出转矩要由小到大变化。同时在不同的操作过程,要进行相应的转矩补偿[2]。市场上能进行张力控制变频收卷的变频器主要有:日本的YASKAWA、美国的EMERSON、德国的LENZE和我国的汇川。台达的V+系列变频器也是矢量变频器,能够完成张力控制,但其不属于收卷专用变频器,要配合外部接口设备才能完成收卷功能。

2.3.1 工作原理

如图3所示,通过人机界面启动PLC和放线电机M3,PLC发出脉冲信号使驱动轧辊的步进电机M1工作,同时使变频器VF开始启动,收卷电机M2按变频器的初始设定频率所对应的转速动作,收线器的转动也同步进行。通过在放线与轧制间的张力轮位置的变化使电位器所采集的位置信号反馈至变频器,从而根据轧制速度的变化来调整放线速度。辊轮与收线器之间的PG编码器E1测量轧制后的线速度,然后将速度信号送入PLC并经处理后送至变频器。装在收线电机尾部的PG编码器与变频器连接,使得E2测到的转速信号能送入变频器,通过两个测到的信号运算得到的卷径进行张力控制。卷径信号与线速度、转速信号的关系可用下式表示:

式中,s为定常系数,v为检测到的线速度,n为收卷电机的实际运行转速,n来源于PG编码器E2的信号和收卷电机减速器的传动比。变频器根据卷径的值来调节频率,从而对收线电机调速和实现恒张力控制。

变频器的张力控制采用恒转矩模式。恒转矩控制就是随着收卷半径的增大,输出电流会增大。当转矩恒定时,转速就会降低,此种模式使线速度不变,张力恒定,转速逐渐下降。

在对变频器的调试时先对电机进行自整定,将电机的定子电感、定子电阻等参数读入变频器,并设定正常张力和零速张力(在低速运行时,变频器停止卷径计算)两个初始值。然后将编码器的信号接至变频器,在变频器上设定编码器的线数,再给定频率和启停控制。

2.3.2 方案特点

编码器采集速度信号反馈给变频器,运行频率总是在参考编码器的反馈速度。在程序中设定空芯卷径和最大卷径的数值,通过电机尾部所加的编码器产生的脉冲量对收卷电机进行速度调节。此方案能真正达到恒张力控制,收卷过程稳定,更有利于收线的均匀性和扁线直线度的保持。变频器的开环控制不能适应过大的瞬时收线速度与轧制速度差所造成的张力震荡,但加上编码器的闭环控制能很好地改善这一缺陷。

2.4 方案拟定

对比三种方案的张力控制,拟采用变频器张力控制的方案更适合于微细扁线的收放卷张力控制。

3 总体方案设计

收线实验采用毛坯为φ0.3的漆包紫铜线。通过数次不同压下量的轧制,得出扁线的线厚在0.055~0.2mm,线宽在0.41~1.56mm,并根据不同横截面积的值计算出扁线的张力在10.08~10.45N。根据步进电机设定的步数以及传动机构的传动比计算出轧制速度,再由收卷筒的直径计算出对应的线速度。在张力恒定的作用下,当收卷筒直径在5~10mm,轧制速度在3~9m/min时,收线电机的转速在9.5~57r/min。

根据以上计算的值,并考虑瞬时过载及传动机构所损失的摩擦力,收线电机可选用100~200W带斜齿轮的减速电机,经过减速后转速在60~70r/min,再用变频器进行调速,可满足收线电机的更低速转动。对应的变频器选用汇川的MD320S0.4G矢量收卷变频器或安川的CIMR-G7A20P4变频器,编码器选用B-JXW-12A绝对型旋转编码器,可测量线速度和转速。PLC控制器选用日本三菱的FX2N系列可同时控制轧制电机和收线电机。人机界面则采用台湾威纶MT506-MV触摸屏。

4 结束语

对于φ0.3或以上的铜线,采用矢量变频器进行张力控制,加上测量的线速度和收卷电机的转速的PG编码器,能实现完整的闭环张力控制。恒转矩模式使得张力始终恒定,使收放线更均匀、稳定,直线度更好。此系统可取代传统张力控制器的收放卷控制。对于小于φ0.3的铜线,尚未进行试验,可行性有待进一步探讨。

参考文献

[1]李方圆.张力控制的变频系统[J].轻工机械,2009,27(3):39-42.

线材生产线 篇4

1 系统结构及功能

1.1 系统基本结构

系统主要由夹送辊和吐丝机组成。夹送辊由160kw的电机驱动,速度由PLC调节.夹送辊的上辊压下装置包括压缩空气调节阀和气缸,通过调节压缩空气的压力来调节压下的压力.上辊压下量的调节由PLC控制,也可用本地手动实现.吐丝机由355 kW的电机驱动,速度由PLC调节。

1.2 系统功能

热金属检测器检测到精轧机组送来的轧件后,夹送辊延时压下,夹持轧件。同时夹送辊以一定的转速旋转,使轧件在夹送辊和成品机架之间形成一定的张力,确保轧件保持相对稳定的速度进入吐丝机。吐丝机吐出的线圈形状稳定,有利于线卷的收集。

2 夹送辊的控制

PLC控制器对夹送辊的控制主要包括夹送辊压下的顺序控制,轧件在夹送辊尾部控制,夹送辊和成品机架之间的张力控制。其中张力计算是实现张力控制的关键。

2.1 夹送辊压下控制

由PLC自动控制系统通过对轧件的跟踪,按照操作要求发出压下或打开命令,实现夹送辊的自动压下和打开。压下控制方式有头部夹送、全程夹送和尾部夹送3种,可在上位操作员站Pc中或HMI中选择。其控制流程如图1所示。

2.2 夹送辊轧件尾部速度控制

为了避免线圈尾部形状变大,夹送辊在轧件尾部通过时需要适当降低或增加速度,使轧件速度和吐丝机吐丝速度匹配。在轧制小规格线材时,轧制速度较高,当轧件脱离了成品机架后,需要夹送辊采用尾部减速控制,其控制工艺如图2所示。

在轧制较大规格产品时,轧制速度较低,当轧件脱离了成品机架后,需要夹送辊对其加速夹送,以保证轧件能顺利吐丝成圈。夹送辊尾部加速控制如图3所示。

夹送辊减速开始时间和减速幅度,加速长度L和加速比例等参数可由操作人员在HMI上根据现场工艺要求设定。

3 夹送辊操作参数的影响

操作人员可在现场或主控台对各控制参数进行修改,但修改量正确与否,直接影响到控制系统能否正常完成周期性的控制过程。

3.1 辊缝设置值

打开位置辊缝值应足够大,保证夹送辊不与轧件任何位置接触。若该值设置偏小,轧件将无法通过夹送辊进入吐丝机,造成上游轧线堆钢。

闭合位置辊缝偏大,则无法起到夹送作用,将造成吐丝机后尾部圈形混乱失控。而辊缝值过小,则会在轧件表面留下压痕,影响成品质量。该值过小时,会引起轧件在夹送辊前水箱中的剧烈波动,导致轧线上游堆钢。

3.2 超前速度

超前速度的最佳值2%-4%。此值偏大时,轧辊转速远高于轧件通过速度,造成轧辊与轧件之间打滑,即“滑辊”,影响成品表面质量。此值偏小时,轧辊转速与轧件相对速度过低,甚至有可能出现轧辊转速低于轧件速度的情况,当夹送辊闭合时,轧件将会发生剧烈波动,造成轧线上游堆钢。

3.3 张力控制

张力直接影响转矩,数值偏高会导致电机功率过大,试图达到现有的超前速度状态。夹送辊的速度和电流趋势图中会显示,速度和电流均不稳定,夹送辊闭合辊,引起滑辊。闭合时吐丝圈形发生很大变化。尾部失控,圈形过大。数值太小,电机功率不够,电机无法在夹送辊和最后一架轧机之间保持张力,轧件会在水箱和回复区内波动。电机无法进行尾部控制。当使用尾部加速功能时,这种情况非常危险,因为尾部有可能留在吐丝管内堆钢。

3.4 夹紧压力

夹送辊闭合时,初始压力设置总是为低压。如果拉力设定正确,在此压力下,启用拉力控制(电流调节),夹送辊控制系统将调节夹送辊速度,使其达到轧件速度,并施加一定微张力。低压到高压的切换仅在轧件尾部离开最后一架轧机时才启动。若此两项参数设置不正确,则夹持力错误,电控系统将无法正常实现夹送辊在“张力模式”和“调速模式”状态下的功能,进而造成轧线状态不稳定,无法控制尾部圈形,严重时引起堆钢。

3.5 尾部降速或升速

降速一般用于小规格轧件,目的是为了进行尾部控制,得到满意圈形。此参数偏小,轧件尾部会失控飞出吐丝机;此参数偏大,会引起尾部圈形偏小,在轧线下游收集盘卷时引起卡钢。升速用于大规格轧件,使轧件保持惯性顺利通过吐丝机。若此参数设置不正确,轧件有可能留在吐丝管内,造成全线堆钢。

4 结论

以上研究结果通过在PLC自动控制系统中开发应用程序,在某高速线材厂投入使用,效果很好,尤其在轧制小规格、低硬度钢材时,线圈形状稳定,解决了以往吐丝线圈故障多的问题。

参考文献

[1]曹志强,吐丝机.夹送辊的速度控制分析[J].湘钢科技,2002(2):1-8。

[2]杨守山.有色金属塑性加工学[M].北京:冶金工业出版社,1982:9-12。

[3]汤志宏.高速线材轧机夹送辊工艺参数的设定及调整.湖南冶金,2000,(6).

线材生产线 篇5

1 工艺流程

高线的精整区是指吐丝机以后到卸卷站的全部设备,包括斯太尔摩辊道、冷却风机、集卷站、PF线,称重挂牌、打包、卸卷站等。这里针对高速线材厂自动化控制最为密集的设备——集卷站,对其自动化控制系统进行概括性介绍。

集卷站设备包括集卷筒、布料器、分离指、鼻锥、左右托板、滚床、运卷小车等。其驱动由交流电机传动及液压传动两部分组成。

集卷站的主要作用为将从吐丝机产出的成品线材由风冷线辊道的散卷状态通过集卷站的系列联动将之收集成为成型的可打捆的钢卷,再由小车将钢卷与PF线的C型钩对中后挂至C1型钩上。

其工作流程为:由吐丝机吐出的散卷状的线圈,经散冷辊道至集卷站,经集卷筒上方的布料器整理后成自由落体形式落入集卷筒内的插板上并慢慢累积,当集卷筒内的散卷累积至一定高度时,插板打开;散卷进而跌落至已处于上极限位置的托盘上;再经一定时间的延时后,托盘开始进入慢降阶段,慢降时要确保落入集卷筒内的散卷仍然在集卷筒内完成集卷过程(可使卷型较为好看且为以后定位打基础);当钢卷完全落完后,托盘板即进入快速下降阶段(与此同时插板关闭),直至下降到减速位并平缓到达下降停止位;此时举升滚床下降,且托盘的左、右臂同时打开至打开位;打开到位后,托盘以打开到位的状态上升至上极限位,举升滚床电机运行,将卷芯架移送至下一滚床,同时举升滚床前一滚床运行,将空卷芯架移送至举升滚床;托盘开始闭合,举升滚床锁定并上升,为下一周期做好准备,此时,带有钢卷的卷芯架由滚床系统运送至翻转装置,翻转装置运行,将卷芯架平放,小车由卸卷位或等待位,以低位方式行驶至接卷位并上升至高位,之后以高位方式向C型钩方向运行,对中后下降,再次驶回等待位或直接驶向翻转装置,接下一卷线材。在以上传动设备中,滚床行走,滚床旋转,运卷小车行走,托盘升降为变频器带动交流电机进行的传动控制,举升滚床锁紧升降,托盘开闭,翻转装置等为液压传动控制。

2 系统组成

2.1 传动系统

需调速的散卷冷却辊道、散冷风机、卷芯架驱动及旋转、运卷小车等选用西门子G120系列变频器。G120系列是西门子为交流电机提供经济的高精度的速度、转矩控制开发的变频器。通过PROFIBUS网与上级PLC进行通讯,完成系统数据的采集、交换与监控,具有控制性能好、可靠性高等优点,满足了轧制线高品质、高精度的要求。

2.2 自动化系统

基础自动化级采用西门子S7-400 PLC进行控制。CPU型号为CPU416-2DP,这是一款较高档的中央处理器,具有较高容量程序存储能力,性价比出众,完全能够满足集卷区以及相关辅助介质系统的顺序及逻辑控制需要。在集卷站操作室设置了2个ET200的远程站,用于采集现场信号及连接操作台。基础自动化级PLC和传动级之间采用Profibus-DP网连接,增加了控制的灵活性。在集卷站操作室设置工控机1台,上位监控系统与基础自动化级PLC之间采用以太网连接,选用西门子WINCC系统,对收集区设备进行参数设定和状态监控。系统的网络配置图见图1。

3 程序控制

3.1 位置控制功能块实现

集卷站使用位置控制的设备是托盘的升降变速控制和小车的正反向行走控制。2套设备均采用绝对值码盘反馈。以小车为例,在STEP7程序中采用闭环控制,速度设定分为3个阶段,在启动阶段,速度采用20%给定速度,当速度达到15%后,进入过程阶段速度采用80%给定速度,当接近预订位置时,速度积分下降到5%,这样可使小车的启动及停止的加减速十分平稳,并且在达到设定停止位置时加入了死区闭环反馈的环节,使其位置误差达到较小的范围。小车为正负3mm、盘卷板为正负2 mm。闭环数据值均通过各设备电机所带动的绝对值编码器来实现反馈和数据修正,并且在各个设备的固定位置点设置了编码器清零的功能,大大减少了设备运行的误差。因运卷小车所接钢种不同,其钢卷重心时常产生变化,在程序中还加入了小车行程补偿的功能,确保其与C型钩对中的平稳性。闭环位置控制流程图见图2。

3.2 顺序联锁控制功能

集卷站系统本身由多个可以相对独立运行,而实际生产中是相互联动的子系统组成并按照工艺要求进行一定顺序的联锁动作。各个动作的启动和完成可以触发另外的设备动作,各个动作间需要相互协调和顺序联锁,触发均通过延时或者编码器的反馈值以及接近开关的信号来实现。例如:滚床子系统。滚床系统由举升滚床、翻转滚床、旋转滚床、运输滚床组成,起到了承上启下的作用。首先举升滚床要和升降托盘相互连锁,使钢卷可以顺利的由集卷筒转移至卷芯架上。然后就是卷芯架的运输,依靠各滚床接近开关的互锁,使得8个卷芯架能在滚床上顺序运行。最后由翻转滚床和运卷小车配合,将钢卷移送到C型勾上。

3.3 自诊断功能

自诊断功能包括故障诊断和故障处理两部分。其中故障诊断部分,除了由传动装置,电气装置上报的故障外,还可以自主判断一些非正常状态。如在预定时间内旋转滚床到位信号未到达,判断是否遇到卡钢;又如接触器合闸命令发出后,在预设的时间为收到反馈信号等。由非正常状态出现后,系统发出声光报警,在上位机报警界面可以查询报警信息。故障处理方面,在程序中加入了人工干预接口,可以在发生非正常情况时,程序能够切换至故障模式进行人工干预,待解除故障后再切换至正常运行状态继续接钢工作。自诊断功能在实际应用中起到了很好的效果。

4 结论

该高速线材集卷站从2014年10月热负荷试车成功至今,运行状态稳定、可靠,对散卷的收集工作完全由PLC自动化程序自行完成,大大降低了工人的劳动强度,提高了自动化水平。为轧线的整体轧制速度提升和过钢间隙的缩短提供了的保障。对高线的生产效益提高起到了相当的促进作用。

参考文献

[1]王一谦.某高速线材及大盘卷工程集卷站自动化控制系统[J].山西冶金2010,33(4):35-36.

[2]许修业.轧制过程自动化[M].北京:冶金工业出版社,1989.

高速线材飞剪机控制优化 篇6

飞剪机系统主要由上位机、PLC、驱动装置、直流电动机、位置码盘、热金属探测器、接近开关、转辙器及机械部分组成。

2 剪切执行过程

当下游轧机无负荷时, 转辙器处于切头位, 热金属探测器将有钢信号时输入PL C, PL C根据上游轧机系统的电机转速, 计算得到钢料到达剪切位置与剪刃到达剪切位置的时间差和与钢料速度相匹配的速度给定值, 控制飞剪机快速启动, 将钢料头部切入转辙器下层进入料坑, 钢料靠托钢器托动由转辙器进入下游轧机。当位置码盘计数进入停车区时, 给定值送零, 系统进入制动状态, 达到零速时系统根据位置环的反馈执行复位动作, 返回复位区停止, 完成一次切头过程。同时在下游轧机有负荷后转辙器转至切废位。当切废信号输入时, 系统快速启动, 将运行中的钢料切断, 剩余钢料由托钢器托入碎断剪通道进行碎断。

3 控制方式及算法优化

3.1 自动跟随速度计算

3.1.1 钢料线速度的获取与计算

为了提高数据的传输速度, 两台装置采用硬线直连方式。具体设置方法如下, 上游装置参数:P750=166, P755=116;飞剪机装置参数:P916.04=5, P916.05=6;接线方法:上游装置18、19、20、21端子与飞剪机装置6、7、8、9端子按顺序对应连接。这样PLC就可以通过DP网以状态字的形式从飞剪机装置读取上游轧机电机的实际转速值和负荷值。由PLC计算出上游轧辊线速度:Vg=πD1×R1×nmax/16384 i1 (1) 式中Dl为上游轧机工作辊径, R1为上游轧机电机实际转速值, nmax为上游轧机电机最高转速, i1为上游轧机传动比。考虑延伸率影响, 根据实践经验选取延伸系数为1.03, 则钢料实际线速度:Vgl=1.03V (2) 。

3.1.2 飞剪剪切跟随速度及给定值的计算

飞剪切头剪切速度应考虑一定的超前量, 则飞剪线速度:Vj=KcVgl (3) 式中Kc为超前系数, 根据生产实际一般取1.05~1.15。折算为电机转速:nj=Vj×ij/πDj (4) 式中ij为飞剪机传动比, Dj为剪臂回转直径。计算飞剪机剪切速度给定值:Q=16384nj/ne (5) 式中ne为飞剪机电机额定转速。

3.2 计算飞剪机启动延时, L1为金属探测器到剪刃对齐位置距离, L2为设定切头长度

3.2.1 钢料从金属探测器到被剪切位置所需时间

剪刃咬入点到剪刃对齐位置的距离:Ly≈πDj×β/360 (6) 式中β为咬入角与钢料直径有关, 一般取10°。

钢料从金属探测器到被剪切位置所需时间为:Tgl= (L1+L2-Ly) /Vgl (7) 式中L1为金属探测器到剪刃对齐位置距离, L2为设定切头长度。

3.2.2 飞剪机从启动到剪刃接触钢料

的时间t由加速时间t1和匀速时间t2两部分组成。系统进行转动惯量优化后得到飞剪机加速到额定转速的上升时间tr, 该值在装置参数P540中读取

加速到剪切速度时间为:t1=tr×nj/ne (8)

剪刃升速过程的行程为:S1=Vjt1/2 (9)

剪刃匀速过程的行程为:S2= (1-M/4096) ×πDj-S1-Ly (10) 式中M为飞剪机启动前对应的码盘数值。

剪刃匀速过程经过时间为:t2=S2/Vj (11)

飞剪从启动到剪刃接触钢料所用时间:Tj=t1+t2 (12) 。

3.2.3 飞剪机启动延迟时间计算

为了保证钢料被剪切位置与剪刃同时到达剪切点, 热金属探测器信号到达后, 飞剪机启动需要一定的延迟时间:Tc=TglTj (13) 。

3.2.4 切头长度自动修正

轧辊辊径由于磨损而减小, 或因更换新辊而增大, 使得钢料实际线速度小于或大于计算值Vg l, 进而导致实际切头长度小于或大于设定值。因此, 在PLC中编写计时程序, 当剪前轧机负荷上升沿信号到来时计时器开始计时, 金属探测器上升沿信号到来时计时停止, 从而获得钢料从轧机到热金属探测器所用时间T z。

计算钢料位移的变化率为:△K=Tz×L0/Vgl-1 (14) L0为剪前轧机轴心线与金属探测器之间距离。

钢料位移实际变化量为:△L=△K× (L1+L2-Ly) (15) 。

计算飞剪机启动延迟时间时, 将△L作为修正值与切头长度设定值L2相加后参与计算。

3.3 飞剪机的制动

飞剪剪刃切断钢料进入停止区后P L C向装置发出停车命令, 给定值变为零。装置按照参数P304设定的斜率进行制动停车。

3.4 剪刃返回

由于惯性较大, 剪刃通常会冲过复位区范围, 故需要在停止后快速返回复位区为下一次剪切做好准备。程序中采用码盘的计数值M与复位区差值绝对值的平方根乘以系数K计算返回速度给定值, 这样剪刃偏离复位区较远时给定值不会太小, 剪刃离复位区越来越近时, 给定值迅速减小, 既保证剪刃快速返回, 又有利于剪刃的准确定位。通过调整系数K的大小可以改变剪刃的返回速度。

4 结语

本文主要对高线生产线3#飞剪机的控制工艺和算法进行了详细介绍, 并根据实践经验对切头长度控制算法进行部分改进, 提高了系统响应速度和切头控制精度。

摘要：飞剪机是高速线材生产线上的重要设备, 其控制精度直接影响着产品成材率。只有采用响应速度快, 性能稳定的控制系统才能满足生产需要, 另外采用更合理的控制算法也是十分必要的。

关键词：传动装置,PLC,线速度,剪切延时

参考文献

[1]西门子电气传动有限公司.6RA24系列全数字直流调速装置使用说明书.2002, 3:2, 30软件版本.

NbTi超导线材的研究与发展 篇7

与其它超导材料相比, NbTi超导体的上临界场(HC2)和临界温度(Tc)都较低。如与Nb3Sn超导体相比,NbTi超导线材的上临界场较低,约为10T,一般在低于5T磁场中使用,而Nb3Sn上临界场可以达到20T。与其他众多高温超导材料相比,NbTi超导体的临界温度很低,约为10K,一般在4.2K温度下运行,故使用成本很高。尽管如此,NbTi/Cu超导体也具有其它超导材料望尘莫及的优点,即NbTi超导合金具有良好的塑性,可以加工出芯径3～10μm、芯数上万的NbTi/Cu超导线材,如果各工艺环节控制严格,断芯率能降到很低,而且NbTi/Cu超导线具有良好塑性和韧性,在使用过程中性能不退化,用它绕制的磁体安全性很强。NbTi/Cu超导线材的加工工艺成熟,控制工艺参数能够批量地生产出质量合格的NbTi/Cu超导线材。正是这些优良的特性使NbTi/Cu超导线材成为目前应用最广泛和用量最大的超导材料[1,2,3]。NbTi/Cu超导体的应用对解决能源问题、疾病诊治和物理学研究等方面具有十分重要的意义。

纯Nb的临界温度约为9K,但上临界场很低,纯Ti的上临界场和临界温度都很低,所以纯Nb和纯Ti都不能成为实用的超导材料,但当二者形成NbTi合金时则具有良好的综合性能,即较高的临界温度和上临界场,当Ti的体积含量在46%～47%时,NbTi超导合金的临界温度达到9.0～8.5K,4.2K时上临界场最高达到11T。目前商用的NbTi超导合金是Nb46.5Ti(质量含量)。NbTi超导体的上临界场和临界温度是材料的本征特性,取决于材料的成分,与超导体的加工工艺无关[4,5]。

NbTi超导线材的临界电流密度是一个有关其实用性的关键参数,同时它也受到制备工艺的影响,不同工艺制备的合金成分相同的NbTi超导线材的临界电流密度可能具有很大的差别。NbTi超导体属于第二类超导体,当它处于超导态时磁通量子并不是被完全排斥在超导体之外,而是可以进入超导体中,但是必须被钉扎于非超导的第二相,非超导的第二相可以是杂质、晶界、位错等,在NbTi超导体中最主要的磁通钉扎中心是非超导的α-Ti。第二相对超导体的上临界场和临界温度没有影响,而对超导体的临界电流密度有很大影响。制备NbTi超导线材时,要使线材中既存在超导相,又存在第二相(钉扎相),并且第二相的体积含量需要达到一定数值,否则临界电流密度将受到影响[6,7]。

2 NbTi/Cu超导体的制备工艺

目前NbTi/Cu超导线材的制备工艺分为两类:传统工艺(Conventional)[8,9]和人工钉扎(Artificial pinning center, APC)中心工艺[2,10]。传统工艺中最主要的钉扎中心是在时效热处理过程中从NbTi基体中析出的,并在随后的减径过程中形成具有一定形状和尺寸的α-Ti。人工钉扎中心工艺NbTi/Cu超导线材中的钉扎中心可以是α-Ti[2,11,12]、Nb[13,14,15,16,17,18,19,20,21]、Ni[22,23]、NbTa合金[24]、Ni/Cu复合体[10,25]等非超导相,这些钉扎中心是由加工开始时加入到复合体的纯Ti、纯Nb、纯Ni、Ni/Cu复合体等形成,减径过程中它们的尺寸不断减小,最终达到纳米级,形貌将变为条带状,成为有效钉扎磁通的第二相[16]。

2.1 传统制备工艺

传统工艺是目前生产商用NbTi超导线材所用的工艺,传统工艺中获得成分均匀、杂质元素和气体元素含量都符合要求的Nb46.5Ti超导合金是制备高性能NbTi超导线材的首要保证。为了降低涡流损耗和磁滞损耗[4,26,27],NbTi/Cu超导线材必须实现多芯化和细芯化。所以需要对NbTi/Cu复合体进行2～3次挤压,目的是获得具有几千芯、直径达到微米级的NbTi/Cu超导复合体。挤压结束后还需要对复合体交替进行多次时效热处理和拉拔减径。时效热处理的目的是在NbTi超导芯丝中析出α-Ti,而拉拔的作用是对线材、芯丝进行减径,使NbTi/Cu复合体的直径达到线材要求的直径,使芯丝的直径达到约5μm,使在时效过程中析出的α-Ti的形貌变为条带状、厚度达到1～4nm、间距为5～10nm[28,29]。研究表明,当α-Ti钉扎相的体积含量不超过30%时,超导线材的临界电流密度与α-Ti钉扎中心的体积含量成正比,所以为了提高临界电流密度,需尽量提高α-Ti钉扎中心的体积含量,这可以通过优化时效热处理的次数、时间来实现,但是α-Ti的体积含量不能被无限提高,α-Ti的析出量受Ti在NbTi合金中的过饱和度限制[6,12]。

2.2 人工钉扎中心工艺

制备NbTi/Cu超导线材的传统工艺的缺点在于不能选择钉扎中心的材料、钉扎中心的体积含量以及钉扎中心在复合体中的排布,于是从20世纪80年代中期开始研究制备NbTi/Cu超导线材的人工钉扎中心工艺。

人工钉扎中心工艺中钉扎中心材料必须符合两个条件:具有良好塑性和在4.2K下不超导。

人工钉扎中心工艺制备超导线材时需要3～4次挤压,目的是制成线径达到约0.5mm、芯径约为5μm、钉扎中心尺寸达到纳米级的超导线材,在线材制备过程中不进行时效热处理,只需要对复合体进行不断减径,使NbTi/Cu线材、NbTi芯丝和钉扎中心达到规定尺寸。

人工钉扎中心工艺中钉扎中心的材料、在芯丝中的体积含量都可以根据需要控制,现在国内外已研究了Nb、Ti、Ta、Ni、Ni/Cu、NbTi合金等作为钉扎中心的NbTi/Cu超导线材的性能,其中Nb钉扎中心NbTi/Cu超导线材的临界电流密度可达到4600A/mm2(4.2K,5T)[30],而Peter J. Lee等用Ni/Cu复合体作为钉扎中心制成的NbTi超导线材的临界电流密度达到5300A/mm2[10],创下目前NbTi超导线材的最高临界电流密度。APC工艺中,作为钉扎中心的材料被引入NbTi/Cu复合体的方式有片层法[11,16]、棒基法[20]、粉末冶金法等[31]。

临界电流密度是NbTi/Cu超导性能的重要指标,与钉扎中心的材料、形貌、尺寸及方位有密切联系,首先不同材料的钉扎中心钉扎效果和钉扎机理都存在区别,Nb钉扎中心具有较长的耦合长度所以在低场中具有很强的磁通钉扎效果,具有Nb钉扎中心的NbTi/Cu超导线材在1～5T磁场中具有很高的临界电流密度。Ti的耦合长度较短,所以在5～8T磁场中具有比含Nb钉扎中心NbTi/Cu超导线材更高的临界电流密度。Ni、Ni/Cu复合体等铁磁钉扎中心具有去耦合作用,所以较小体积的钉扎中心就能对磁通起到很强的钉扎效果。除此之外,还有Fe、Cu、Ta、Ti5Nb等材料钉扎中心的报道,但是这些钉扎中心对磁通的钉扎力很小,制成的NbTi/Cu超导线材的临界电流密度都较低。其次,NbTi超导线材的临界电流密度与钉扎中心的形貌及尺寸有密切的联系,研究结果表明,当钉扎中心的形貌成条带状,厚度为5～10nm,宽度为10～20nm,并且钉扎中心与磁通格子相匹配时,达到最佳钉扎效果,从而提高线材的临界电流密度。最后,钉扎中心的方位也能极大地影响线材的临界电流密度,当条带状钉扎中心和磁通量子相垂直时由于钉扎力较小,临界电流密度很低,而当钉扎中心同磁通量子相平行,并且钉扎中心与磁通量子的尺寸相匹配时,线材的临界电流密度很高。

人工钉扎中心NbTi/Cu超导线材的临界电流密度能达到5300A/mm2(4.2K,5T),而传统工艺NbTi/Cu超导线材的最高临界电流密度为3500A/mm2(4.2K,5T)[6]。可见仅就临界电流密度而言传统工艺不及人工钉扎中心工艺,但是在NbTi/Cu超导线材的商业化生产中仍然使用传统工艺,原因是传统工艺虽然临界电流密度较低,却拥有简单而稳定的优点,挤压次数少,复合体中Cu和Nb46.5%Ti合金成分均匀,塑性优良,所加工的线材断芯率低,不会由于加工过程中断线和断芯而使生产的成品率下降。

3 NbTi/Cu超导体的发展趋势

NbTi超导线材经过接近40年的研究与开发,现已实现产业化。国内成立了以超导材料为主要产品的“西部超导科技有限公司”,其最主要产品就是NbTi/Cu超导线材。由于NbTi超导线材的价格昂贵,而且使用成本很高,这决定了它不能在普通民用项目或工业项目中使用,而只能在包括核聚变[6]、大型粒子对撞机[7]等对解决能源问题和对人类文明有重要贡献的高科技项目中使用,其应用领域决定它在运行过程中必须绝对可靠,这对NbTi/Cu超导线材使用的安全性和稳定性提出了很高的要求。为了满足此要求,于是提出研究大铜比NbTi/Cu超导线材的制备工艺和NbTi/Cu超导线材在6.5K下的临界电流密度。

3.1 大铜比NbTi/Cu超导体的开发

在NbTi芯丝上附铜的目的是当超导磁体的温度发生波动,超导体的临界电流降低甚至失超的时候,超导芯丝所承载的电流能够被Cu承载,当温度波动消失超导线材的临界电流恢复时继续由超导芯丝承载电流。铜比越大,即在NbTi/Cu超导线材的横截面上铜的面积越大,超导磁体运行越稳定、越安全。大铜比NbTi/Cu超导线材的加工难点主要是Cu和Nb46.5Ti合金的加工性能存在较大区别,Cu的熔点为1000℃而Nb46.5Ti的熔点超过1600℃,所以在600℃热挤压时Cu比较软而Nb46.5Ti合金较硬,NbTi芯棒和Cu基体的变形不均匀,铜比不容易控制。同时由于NbTi合金和Cu具有不同的变形抗力,拉拔将导致Cu和NbTi芯棒之间存在应力,当此应力达到一定极限时,NbTi芯丝和Cu基体之间产生裂纹,在随后的拉拔减径过程中可能出现大量断芯,降低超导线材所能承载的临界电流。所以大铜比NbTi/Cu超导线材的研究对NbTi超导线材运用具有重要意义。

NbTi/Cu复合体在拉拔及挤压过程中的变形特点是中间变形量小而离外表面近的芯丝变形量大,这是由拉拔时复合体的应力分布及屈服准则决定的。为了使芯丝与芯丝之间的变形趋于一致,芯丝到复合体的外表面距离应尽量趋于一致,并且远离线材的心部。

3.2 NbTi/Cu超导体6.5K下的临界电流密度研究

线材在使用过程中,当温度升高时被钉扎于缺陷的磁通量子具有了更高的能量,从而开始移动,使温度进一步升高,线材的超导电性也同时变弱,这又能引起温度升高,这个温度升高过程是一个恶性循环,如果不能有效控制将使线材彻底失超。增强NbTi超导体使用安全性的另一措施就是提高线材的高温性能,这就是说,在运行过程中磁体系统出现温度波动,如果NbTi/Cu超导线材在温度波动范围内仍然具有高的临界电流,就可以避免进入这样一个恶性循环。

NbTi/Cu超导线材的使用温度为4.2K,为了提高其运行稳定性和可靠性,在国际热核聚变反应堆项目(ITER)支持下,科研工作者对NbTi/Cu超导线材在6.5K下的临界电流密度进行了大量研究。在不改变合金成分的基础上,即继续使用Nb46.5Ti超导合金,要提高NbTi/Cu超导线材在6.5K下的临界电流密度就要控制线材的微观组织。

在商业化NbTi/Cu超导线材的生产工艺中最主要的钉扎中心是芯丝中非超导的α-Ti相,当NbTi/Cu超导体在磁场中运行时,磁通量子就被钉扎在α-Ti相上,电流由NbTi相承载,为了提高线材在6.5K的临界电流密度,就需要更多数量的α-Ti钉扎中心,这样磁通量子的运动才能得到很好抑制,起到提高线材临界电流密度的作用。但α-Ti是在时效过程中从NbTi基体中析出的,它的体积含量存在极限值,当Ti在基体中的溶解度不过饱和时Ti就不能从基体中继续析出。所以提高Nb46.5Ti/Cu超导体的临界电流密度只能通过研究时效热处理工艺使钉扎中心的体积含量接近其极限值。通常时效热处理时间越长,α-Ti钉扎中心析出的越多,但是过长时间的时效热处理对临界电流密度的提高没有益处,因为长时间时效热处理将使位错、晶界等缺陷消失,而在二类超导体中,它们也能对磁通量子起到钉扎作用。

如果NbTi/Cu超导线材在6.5K下的临界电流密度研究建立在新的NbTi超导合金基础上,那么研究工作量很大,成本很高,但是对提高NbTi/Cu超导线材在6.5K下的临界电流密度更加有益,在实验中采用Ti含量更高的NbTi超导合金,在NbTi超导芯丝中就能析出更多的α-Ti,其微观组织将与传统NbTi超导线材的微观组织不同,从而在6.5K下获得不同的临界电流密度。

4 结束语

我国在20世纪60年代就开始了对NbTi/Cu超导体的研究,并于20世纪80年代首先在传统工艺中采用多次时效热处理,使NbTi/Cu超导线材的临界电流密度首次超过3500A/mm2。由于良好的工艺稳定性,该工艺使NbTi/Cu超导线材的商业化生产成为可能。现在我国的超导事业已经进入到研究、应用、生产并重的局面,水平位于世界先进行列。

摘要：讨论了NbTi/Cu超导线材的应用范围及其特性,介绍了NbTi/Cu超导线材的传统制备工艺和人工钉扎中心制备工艺,以及这两种工艺生产的NbTi/Cu超导线材的临界电流密度和商业化生产NbTi/Cu超导线材对加工工艺的要求。NbTi/Cu超导线材是目前应用最广的一类超导材料,为了满足超导磁体工作的安全性要求,大铜比NbTi/Cu超导线材的制备工艺和6.5K下NbTi/Cu超导线材的性能将是NbTi/Cu超导线材今后的研究方向之一。