● 摘要
无头轧制是一种新型、节能、高效、高成品率的钢材轧制工艺，近几年世界轧钢行业正在推广应用，我国刚刚制定的十一五发展规划，明确指出将在2015年前使无头轧制产业化。目前，在实际生产线得以应用的棒线材无头轧制系统都是基于闪光对焊技术，它涵盖了焊接，控制，液压，材料等多个学科领域。鉴于该系统的复杂性，目前国际上只有少数国家（如日本，意大利等）具有该类专利产品，本世纪初，我国几家钢铁公司先后引进了四套无头轧制系统，但因其自身技术及使用等问题，运行都不稳定，有些用户已将该系统的主要设备拆离了生产线。为了研制出具有自主知识产权的无头轧制产品，本文在河北科技厅的资助下，展开了对棒线材无头轧制系统的研究。由于棒线材无头轧制系统涉及的学科领域比较多，工艺过程比较复杂，所以必须对该系统的工艺过程及关键技术进行认真剖析，才能保证未来研制产品的成功，这也是本论文涉及到的第一个重点研究内容。本文在广泛的资料搜集的基础上，系统地分析了棒线材无头轧制系统的组成及各组成设备的功能，认真剖析了系统正常运行的工艺过程和保证焊机可靠焊接的时序关系，并重点对该系统的关键技术工艺进行了研究，基于本文对该系统的研究，提出了基于闪光对焊技术的棒线材无头轧制系统方案，并首次建立了该系统的虚拟样机。移动式闪光焊机是实现棒线材无头轧制的关键设备，为了保证钢坯轧制的连续性，钢坯的焊接必须在移动中实施。由于钢坯焊接前，两待焊钢坯必须由焊机夹钳牢固地夹紧，这样焊机就与轧制坯刚性地固连在一起。二者移动速度不同时就不可避免地产生机械耦合，严重时还会影响钢坯的正常轧制。焊机移动过程中，摆动辊对焊机的周期性冲击以及随行电缆和管路对焊机的拖曳干扰等都会对焊机移动速度产生影响。因此，钢坯焊接过程中，焊机不但要与轧制坯保持严格的速度同步，而且还要具有很强的抗干扰能力。为此，本文提出了基于人工免疫反馈机制的单神经元复合PID控制策略对焊机的平移驱动进行控制，以单神经元复合PID控制器来保证焊机的动、静态性能和同步跟踪精度，借助于人工免疫反馈机制的自调节功能来提高系统的抗干扰能力。仿真结果表明，前馈PD校正的引入显著地提高焊机的同步跟踪精度，采用人工免疫反馈机制后，原系统的抗干扰能力不但得到明显增强，其自适应能力还有了大大改善。为了保证钢坯的可靠焊接、提高最终轧件的质量，加热炉与第一架轧机间设置了若干道工艺操作，而每一道工艺操作的实施对钢坯温度场和应力场都会产生不同程度的影响，研究钢坯在各主要工艺过程中的温度场和应力场特征及其影响因素是本文涉及的另一重点内容。除鳞是保证焊机钳口与钢坯可靠电气连接的重要工艺，同时也是对钢坯温度场和应力场影响最为明显的一个操作，本文基于双线性弹塑性假设建立了钢坯热弹塑性模型，并采用扫描加载方式真实地模拟了钢坯的除鳞过程，首次揭示了除鳞过程中钢坯的温度场、应力场变化特征和可能产生裂纹的部位与裂纹形式；钳口冷却对保证钳口电极的使用寿命非常重要，然而钳口的冷却又影响着钢坯夹紧区的温度场分布，为此，本文提出了在钳口电极与撑板间设置隔热层的钳口结构，仿真分析表明，隔热层的设置有效地减小了钳口夹紧区金属的热量损失，此外还解决了钳口电极与焊机机体的电气隔离；本文基于单元死活概念首次建立的闪光加热模型真实地模拟了钢坯闪光加热过程，并通过仿真分析，得到了采用2000kVA的焊机在16s内可以实现对预热温度1150℃、100mm～200mm方坯进行可靠闪光焊接的结论；保温是钢坯轧制前经过的最后一道工序，通过保温可以减小钢坯的截面温差、降低钢坯表面的残余热应力，提高最终轧件的质量，本文首次仿真分析了钢坯保温前后的温度场和应力场变化特征，研究了影响钢坯保温性能的主要因素，并对保温层厚度及保温罩长度进行了优选。