非晶納米晶薄帶成型設備設計

賈德利，朱寧樂，張海濤，吳智勇

（1.哈爾濱理工大學，哈爾濱 150080；2.中國石油天然氣股份有限公司勘探開發研究院，北京 100083；3.北京航空航天大學，北京 100191）

0 引言

近年來由于快速凝固技術的不斷發展，使得非晶態材料、納米材料等大量涌現出來，其獨特的物理、化學性能使他們比傳統方法制備的材料有著更為廣闊的用途[1～3]。對于金屬材料來說，通常情況下合金從液體凝固成固體時，原子總是從液體混亂排列轉變成整齊的排列，即為晶體。但是，如果金屬或合金的凝固速度非常快，原子來不及整齊排列便凝固住了，這就是非晶合 晶[4,5]。目前非晶合晶的制取方法主要有：水淬法、銅模吸鑄法、甩帶法、定向凝固、粉末冶金和高能球磨 等[6,7]。薄帶成型有許多種工藝，其中單輥快淬法結構簡潔，冷卻速度快，能充分發揮快速凝固的優越性，可以制備出分布均勻的帶材[8]。本文從傳統的單輥快淬甩帶法出發，設計一套全新工藝的非晶納米晶薄帶制取設備，旨在更好的完成薄帶成型過程中的諸多工藝影響因素，使成帶光滑平整，薄厚均勻。

1 非晶納米晶薄帶生產工藝流程設計

1.1 生產工藝分析

本文采用單輥快淬工藝制備非晶納米晶薄帶。單輥快淬法即把熔融的合金溶液通過噴嘴噴射到一高速旋轉的冷卻銅輥上，由于噴嘴與銅輥之間的間隙非常小，合金溶液與冷卻輥的表面會形成融譚，由于銅輥的高速旋轉會將融譚中的合金溶液拉成薄膜并快速冷卻，最后與銅輥分離形成非晶合晶薄帶，生產原理如圖1所示。

圖1 薄帶生產單輥快淬法原理

1.2 生產工藝流程設計

本設備薄帶生產工藝主要分為四個階段，分別為前期準備階段、抽真空階段、預熱與加熱階段和噴帶階段。前期準備階段主要包括噴嘴縫修磨、噴嘴包烘烤、車磨銅輥以及調整噴嘴包位置等。

前期準備工作完成后進入抽真空階段，采用三級真空泵處理，具體包括機械泵、羅茨泵和擴散泵，通過三個閥的通斷實現不同真空度下抽真空的順序。所設計的抽真空階段具體流程為首先啟動機械泵進行一級抽真空，當真空度到達1000Pa時，啟動羅茨泵開始二級抽真空，當真空度達到0.7Pa的時候，啟動擴散泵，同時實現三級抽真空，每個階段對應不同的抽真空通道，當真空度達到0.05Pa，進入預熱與加熱階段。

在預熱與加熱階段中，采用石墨加熱器對噴嘴包內膽進行預熱處理，預熱溫度達到1400℃后，采用中頻加熱電源對熔煉爐中的坩堝加熱，融化坩堝中的母合金，當熔融的母合金達到噴帶溫度且中間包溫度到達預設溫度時進入噴帶階段。

在噴帶階段中，啟動冷卻銅輥高速旋轉，噴嘴包下降到噴帶指定位置，熔煉爐中的坩堝將母合金溶液倒入與噴嘴包內膽相連的導流槽中進而流入噴嘴包內膽，同時啟動剝離氣體和融譚保護氣，當母合金溶液都流入內膽中后關閉熔煉爐與噴嘴包之間的插板閥，啟動噴嘴包閉環補壓系統進行噴帶操作。噴帶結束后各個點動部件歸位，保護氣體冷卻水延時關斷，至此完成噴帶試驗。所設計生產工藝具體流程如圖2所示。

圖2 生產工藝具體流程

1.3 生產設備機械結構

機械部分主要由三部分構成，分別是真空爐系統、轉輪機構和其他附屬設備。圖3所示為該設備的機械本體整體結構示意。

在圖3中1，2，3，4所標注的屬于真空爐系統，5屬于轉輪機構，6，7屬于薄帶制備機附屬結構。

1）真空爐系統

真空爐系統是本設備的重要構成部分之一。爐體結構采用立式爐體，主要由三部分組成，分別為三級抽真空泵、真空爐體（熔室）和噴嘴包。具體結構如圖3所示。整個爐體由上部分的熔煉爐和下部分的噴嘴包構成。熔煉爐中安裝有感應線圈，外部通過轉動電極與之相連，轉動電極直接與中頻加熱電控柜連接。感應線圈內放置坩堝，感應線圈完成對坩堝的加熱。坩堝的主要作用是對母合金的熔煉和傾倒作用。噴嘴包底部放置有陶瓷噴嘴，通過耐火泥把噴嘴和噴嘴包之間密封起來。在噴嘴包內膽上放置壓蓋，并在壓蓋內放置導流擋板，導流擋板的作用是防止鋼液直接沖擊到噴嘴。在噴嘴包中可以控制鋼液流入噴嘴中的流速和溫度，以及對鋼水夾雜物進行清理，使鋼水以較好的狀態進入噴嘴內。

圖3 機械本體整體結構

本設備中，噴嘴包與熔煉爐之間設有水冷插板閥，在水冷插板閥下連接焊接波紋管，可以使噴嘴包能夠上下升降60mm，噴嘴包左右兩側裝有倆套高精度伺服電機，通過與絲杠連接來控制噴嘴包的抬升與下降，在薄帶生產過程中可以調整矩形陶瓷噴嘴和輥面間隙的大小、噴嘴傾斜角度的調整。在噴帶前期準備過程中可以把噴嘴包提升到最高點，防止噴嘴離銅輥太近而燒壞銅輥，當準備噴帶時降低噴嘴與銅輥之間的距離至指定位置，在噴帶過程中也可以微調噴嘴。

噴嘴包內保溫加熱采用石墨發熱體，內置30公斤坩堝內膽，石墨發熱體采用30kW電源供電，加熱溫度最高可達1500℃，對澆入的鋼水起一個保溫的作用。水冷插板閥主要起分隔熔煉爐和噴嘴包的作用，當真空度達到工作標準時，關閉插板閥，噴嘴包和熔煉爐可以分別工作，互不影響；另一方面，將熔煉好的鋼水倒入噴嘴包，關閉水冷插板閥后，噴嘴包則變成一個密閉的空間，可向噴嘴包內充入惰性氣體，補償包內由于鋼液下降而導致噴嘴流出鋼液的流量的變化，可以根據包內壓力的變化充入不同量的惰性氣體，保證噴嘴處的流量始終一致，使成帶薄厚均勻。噴嘴包內部結構示意圖如圖4所示。

圖4 噴嘴包內部結構

2）轉輪機構

薄帶成型采用紫銅輥面作為冷卻介質，輥面的旋轉一方面完成液態金屬的提取和薄帶的成型，另一方面它的高速旋轉，極大地加快了輥面的冷卻，為薄帶的成型提供理想場所。

設備中冷卻輥主要由輥芯和輥套組成，輥套采用新型材料鉻鋯銅制成，其作用是直接把熱量帶給內部冷卻水，使鋼水瞬間變成鋼帶。轉輪機構通過電機與齒輪帶帶動銅輥平穩旋轉，電機選用7.5kW交流變頻電機，以滿足30m/s的最高噴帶轉速要求。為使輥面線速度達到無極可調，使用變頻恒轉矩方法實現電機調速，且銅輥與主軸做動平衡以保證銅輥運轉平穩。支座由碳鋼板加工形成，保證足夠的支撐力和強度。

3）其他附屬結構

拋磨裝置拋磨裝置的功能是在線對銅輪進行車削與拋磨。轉輥表面在使用過程中，由于使用不當或其他原因，會產生各種損傷，如表面粗糙度達不到要求、輥面劃痕等缺陷，因此需要不定期對輥面做適當維護，因此設計了拋磨裝置。主要由底座、支架、直線導軌副、滾珠絲杠、橫移電機、刀架遛板、拋磨電機、砂輪組成。其中拋磨電機為Y型交流電機，橫移電機選用交流可逆減速電機，橫移電機的作用是當拋磨電機對銅輥打磨的過程中實現自動往復運動。

移動平臺移動平臺的功能是實現噴嘴包的上下移動和轉動，以保證噴嘴與銅輪的距離及解決噴嘴與銅輪中心線的交角，由2個滑座通過伺服電機直線導軌副、滾珠絲杠帶動支板上下移動，2個滑座可以單獨移動也可聯動，同時還設有手動微調裝置。噴嘴通過軸承固定在上下移動的支板上，支板上設有噴嘴包轉動的手輪，使用手輪可使用噴嘴包轉動一定角度。主要由滑座、支板、轉動軸承等組成。伺服電機自身帶制動器；支板由鋼板加工形成，一端通過軸與滑座鉸接，另一端通過可調螺栓與另一個滑座搭接；支板中間安裝有軸承，通過軸承固定噴嘴包。

薄帶纏繞機卷繞機的功能是將非晶帶材收集卷成鋼卷。主要由架體、齒輪減速電機及調速器組成。架體由角鋼及鋼板焊接形成。

氣體剝離裝置通常情況下，薄帶在輥面成型后，在慣性力的作用下薄帶會自動從轉輥表面剝離，但在，某些特殊情況下，薄帶很難從輥面剝離，所以設計了氣體剝離裝置，主要由氣體剝離嘴、支架、塑料塊、插式管接頭等組成。

2 電氣控制系統設計

控制系統要實現主電機與傳送電機的調速控制，要滿足一定的精度范圍；實現噴嘴包與快冷棍的間隙距離可調且精準定位；實現爐殼補壓功能，能檢測爐體內氣體壓力，欠壓和過壓時候及時報警提示并實現爐殼補壓；確定坩堝何時開始傾倒，何時傾倒停止，傾倒速度，以及傾倒結束的歸位；當然還要實現人一體化功能，參數設置，鍵盤按鈕輸入，指示燈顯示等功能。

總結以上要求可分為4個控制子系統，一套人機交互以及操作臺面板,。控制系統方案如圖5所示，包含四個子系統和一套人機交互系統，具體為：主傳動電機速度控制子系統、噴包與快冷輥的間隙高度調整子系統、爐殼閉環補壓子系統及坩堝傾倒子系統。

圖5 電氣控制子系統

控制系統操作臺采用立式結構，人機操作界面采用臺達工業用14寸液晶觸摸屏，內置系統工況組態畫面，動態顯示系統的運行狀態和各種參數。全中文操作界面，菜單式管理，操作人員可直觀進行點擊操作和參數修改，人機交流非常方便。控制系統核心采用臺達PLC，四個子系統獨立工作，但都通過PLC實現其控制功能，并通過串口通訊實現與其他功能的數據通信，四個子系統分別擁有模塊化顯示界面和按鍵控制，每個子系統有獨立的工藝顯示畫面，直觀地顯示當前每個系統的工作狀態，

1）主傳動電機速度控制子系統

主傳動電機通過帶動傳動帶來帶動輥子轉動，液態金屬在輥子上表面上快速冷卻形成一定厚度的金屬薄帶產品。其運轉速度的大小和穩定性是金屬薄帶厚度、均勻度等等性能參數和指標，直接關系產品的質量。因此，確保輥子穩速運轉是控制系統的關鍵因素之一。

該控制子系統主要由PLC、變頻器和變頻電機組成，實現銅輥0～30米/秒的調試范圍。操作人員可以預先在觸摸屏上輸入目標轉速，PLC讀取數據并根據預先編制的程序進行PID處理后輸出模擬量控制變頻器的輸出給定。控制系統主拖動電機由變頻器驅動，以一定速度運行，編碼器反饋輥子的運轉速度并送入主控制器計數模塊，控制器通過運算，將給定速度參數與反饋量比較，產生的偏差對變頻器速度給定進行調整，控制輥子以穩定的設定速度運行，其速度環控制原理如圖6所示。

圖6 銅輥速度環控制原理

2）噴包與快冷輥的間隙高度調整子系統

在制備非晶帶材生產工藝中，帶材厚度精度的控制的關鍵之一就是噴嘴與快冷輥間距的控制精度。系統中噴嘴包的調整精度為2um，共有倆套高精度伺服驅動器和伺服電機用來調整噴嘴與快冷輥的間隙和噴嘴的傾斜角度的調整。位置反饋采用兩套高精度光柵尺，使噴嘴的動作距離精確到um級。PLC-伺服點位控制系統原理如圖7所示。

圖7 PLC-伺服點位控制系統原理

通過伺服電機的轉速和角位移的控制實現噴嘴移動距離調整。根據絲杠的導程和電機的減速比可以算出運行距離達到2um時電機所對應的脈沖數。PLC與伺服驅動器通過通過ModBus485通信。使用高速脈沖輸出端輸出脈沖到伺服驅動器來控制伺服電機的角位移，噴嘴包則通過高精度光柵尺把位置反饋到PLC，通過觸摸屏實時顯示左右光柵尺的位置。

3）爐殼閉環補壓子系統

設備中，當熔煉爐中的坩堝將融化的母合金傾倒至噴嘴包后，可以通過水冷插板閥將熔煉爐與噴嘴包隔離開來，使噴嘴包形成一個密閉的空間，控制系統通過向噴嘴包充入惰性氣體來調整噴嘴包內的壓力從而調節噴嘴處液態金屬的流量，使流量恒定，提高噴帶質量。該子系統主要由PLC、高精度壓力傳感器、雙通電磁閥等組成。壓力閉環控制原理如圖8所示。

圖8 爐殼閉環補壓控制原理

如圖8所示，θd為設定爐殼內的壓力值，可在觸摸屏上設置，θ為爐殼內的實際壓力值，系統控制的目標是使得θe=θd-θ→0，PLC通過壓力傳感器讀取爐殼內的壓力值，然后與設定值比較，取得差值后進行PID處理，然后輸出模擬量值控制雙通調節閥的充放氣量來使得爐殼內的壓力保持一個穩定值。

系統的PID整定具體為設爐殼內壓力的偏差信號θe(t)為PLC進行PID整定的輸入，u(t)為PID整定后的 輸出，有：

式中：Kp、Ti、Td分別為比例系數、積分時間常數和微分時間常數。利用差分方程對式(1)離散化，得：

其中，3個參數經整定分別為0.52、0.01和1.01。

4）坩堝傾倒子系統

坩堝傾倒子系統的主要控制對象為熔煉爐中的坩鍋，控制目標是實現坩堝的傾倒，確定系統的安全性。該控制子系統為位置式控制，采用接近開關、PLC、互鎖接觸器等附件實現。傾倒時通過接近開關確定傾倒位置，通過觸摸屏顯示傾倒狀態，主要包括直立、傾倒、傾倒結束和收起狀態。

3 設備現場安裝調試

根據本文所提出的設計思想，對非晶納米晶薄帶制取設備開展了現場設備安裝調試試驗，現場設備安裝分為上下兩層倆部分，二樓主要安裝設備的真空爐系統及相應的電控柜，如圖9所示，二樓操作平臺較寬闊，若發生危險也容易撤離。

圖9 現場真空爐安裝

而一樓主要安裝冷卻銅輥及電氣控制操作臺，如圖10所示，為設備在一樓安裝整體示意圖，操作臺放置在銅輥左側，即可以全面觀察設備運行狀態，而且遠離噴帶現場，安裝合理安全。

圖10 設備整體安裝現場

在試驗現場分別進行了系統單獨調試和整體聯調，進行噴帶實驗時由操作人員分別在一樓二樓配合操作，一樓完成設備整體控制及噴帶，二樓主要完成抽真空、母合金熔煉等操作。經實際生產驗證，本設備可以穩定生產30mm~150mm帶寬，0.02mm~0.08mm帶厚的非晶薄帶。目前該設備以及投入實際生產。

4 結論

本設計方案針對原有的單輥甩帶機的特點，在傳統單輥快淬法的基礎上設計出一套全新的非晶納米晶薄帶制取設備，本文主要介紹了本設備的生產工藝流程，機械結構及電氣控制系統的設計。機械結構方面通過在噴嘴包倆側增加左右倆套高精度伺服電機，使用光柵尺反饋噴嘴包位置，調整精度可達2um，在薄帶生產過程中可以隨時調整矩形陶瓷噴嘴和輥面間隙的大小、噴嘴傾斜角度，可以較好地控制薄帶厚度。還有就是噴嘴包閉環流量控制裝置，通過水冷插板閥的閉合使噴嘴包成為一個密閉空間，通過壓力傳感器的反饋適當的向噴嘴包內充入惰性氣體使得噴嘴處的流量穩定，使成帶效果更好。軟件方面，在銅輥轉速控制子系統和爐殼補壓子系統中加入PID控制，使得控制精度更高，實時性更好。這些問題的改進使得該設備結構更加合理，技術先進，薄帶制取滿足工藝要求，制備出的非晶薄帶表面光潔，邊緣整齊，質量良好，可以滿足制備非晶納米晶薄帶的要求。

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