β型钛合金丝材在线热张力矫直机组的研制

兰贤辉，李会武，杜亚宁，王锦群，贾庆功

(西部超导材料科技股份有限公司，陕西　西安　710018)



β型钛合金丝材在线热张力矫直机组的研制

兰贤辉，李会武，杜亚宁，王锦群，贾庆功

(西部超导材料科技股份有限公司，陕西西安710018)

结合β型钛合金丝材的矫直工艺，研制出了张力可稳定控制的用于β型钛合金丝材矫直的在线热矫直机组。此机组通过恒张力恒速度系统、快速均温加热系统和快速循环冷却系统三大模块合理匹配控制，有效解决了β型钛合金丝材在线热张力矫直中存在的两大问题：矫直张力的稳定控制和矫直效率与质量稳定性的提高。此矫直机组的成功研制，不但可满足对β型钛合金丝材的矫直要求，而且对其矫直工艺的进一步改进研究以及对其他金属丝材矫直工艺的研究或者矫直设备的研制均具有一定的借鉴和参考意义。

钛合金丝材；矫直；效率；质量稳定性

0　引　言

目前，关于金属材料的矫直许多学者已进行了大量研究[1-2]，但是关于钛合金丝材张力矫直的研究鲜有报道，尤其是针对β型钛合金丝材的张力矫直。β型钛合金丝材具有高塑性，矫直后的丝材在一定曲率范围内可以盘卷，而对于盘卷的丝材，要求展开后仍然能够保持所要求的直线度。因此，目前β型钛合金丝材的矫直大多采用的形式是：在收放线机之间布置一台管式炉，根据经验对收放线机速度进行调节从而在两者之间产生一定张力进行热矫直。然而，一方面，矫直张力为经验值，且在矫直过程中不能稳定控制，会使产品质量不稳定。矫直张力小了，不能达到矫直目的，必须将已经矫直过的丝材通过同样的方式再矫直一遍；矫直张力大了，丝材或者出现缩径或者被拉断。另一方面，将丝材从室温加热到一定温度热透需要一个过程，所以系统效率主要取决于管式炉的加热效率。由于管式炉整体尺寸非常短，即加热区短，当提高速度时，丝材可能还没有热透便已经从炉管中出来，但是若增加管式炉长度，会因厂房放置距离有限而不可行。

总之，目前β型钛合金丝材的矫直主要存在2方面问题：①不能实现矫直张力的稳定控制；②加热效率不能有效提高，使得丝材产品的质量稳定性和生产效率较差。为此，西部超导材料科技股份有限公司(以下简称西部超导)研制出了一套张力可稳定控制的用于β型钛合金丝材矫直的在线热矫直机组。此矫直机组不但可满足对β型钛合金丝材的矫直要求，而且对于其矫直工艺的进一步改进研究以及对其他金属丝材矫直工艺的研究或者矫直设备的设计均具有一定的借鉴和参考意义。

1　设计要求及问题解决方法

1.1设备的设计要求

矫直直径范围：1～5 mm；

矫直方式：管式炉加热均温在线矫直；

线材通过管式炉速度：3～20 m/min，可调；

矫直张力范围：70～800 N，可调；

张力控制精度：≤矫直力的5%；

直线度：丝材剪切成段后，直线度≤2 mm/m。

1.2问题的解决方法

(1)张力的稳定控制利用张力控制原理中的全自动方式，即：通过张力传感器测定卷材的张力，然后由控制器自动调整制动器来控制卷料的张力。具方法为利用直接张力控制法，即反馈控制法，通过活套建立张力，测量活套上下移动量，构成活套反馈控制系统，进而通过控制活套移动量恒定而使矫直张力恒定。由于这种张力控制法适用于高精度、高速度的张力控制场合，具有控制精度高、实时性能好等优点，所以较为适合本系统对张力控制的要求。

(2)矫直效率的提高在不改变管式炉长度的前提下，在其入线端配置感应炉。利用感应炉快速加热的特点，对欲加热丝材快速预热至一定温度，然后迅速进入管式炉，再利用管式炉温度均匀性的特点，对丝材进行进一步热透和均温，从而在达到满足温度要求的同时，提高矫直效率，且不额外占用厂房空间。

通过上述手段，可较好的解决恒定张力稳定性控制和矫直效率的问题。

2　矫直机组的结构设计

2.1矫直机组的结构组成

图1为西部超导研制的β型钛合金丝材在线热张力矫直机组的结构示意图。

图1　矫直机组的结构示意图Fig.1　 Structure diagram of straightening unit

根据所实现的功能，可将此矫直机组分为3大模块：①恒张力恒速度系统根据张力控制原理，直接设定要求控制的张力值，然后将输入张力传感器的信号(一般为毫伏级)作为张力反馈值，通过比较得出偏差后，输入到PID等控制器进行处理，再输出给外围执行机构去控制，最终达到偏差最小、系统响应最快的目的。本设备中，该系统由主动放线装置1、张力架2、导向装置6和主动收线装置7组成，主要用于实现丝材矫直时所需的精确稳定的矫直张力和系统运行速度；②快速加热恒温系统该系统由感应炉3和管式炉4组成，主要用于实现快速高效的加热，并保证一定的温度均匀性，在满足温度要求条件下，提高整个系统的效率；③快速循环冷却系统该系统主要由浸入式槽型循环水冷装置5[3]组成，用于对经热张力矫直的丝材充分冷却和干燥，保持其矫直效果，保证主动收线装置7顺利收料。三大模块的有机结合，即可高效完成β型钛合金丝材的在线矫直。

2.2矫直机组关键部件的功能

主动放线装置1的控制特点是放线速度根据张力架2上浮动辊的位置信号进行调节，放线速度和浮动辊位置的反馈信号形成闭环。另外，该结构上装有气动靠辊，用于压紧放线轮，防止线材自由状态时松散。

张力架2是整个机组的关键部件，主要作用有3个：①通过特殊的机械结构、气路构成以及相关专用气路元器件所组成的气路系统来提供精确稳定的矫直张力；②通过张力架2上浮动辊平衡位置的变化来提供主动放线装置1调节匹配时所需的信号，矫直过程中，若张力架2上的浮动辊超出其平衡位置一定范围时，主动放线装置1便会得到信号进行速度匹配，使浮动辊恢复至平衡位置，保证系统的稳定性；③通过安装在张力架2出线端定轮上的编码器来提供主动收线装置7的转速信号，使其始终保持在系统要求的速度恒定运行。

感应炉3主要通过其快速感应加热的特点，对丝材进行加热前的快速预热，使丝材进入管式炉4后能够快速升温到所需温度，提高系统效率。

管式炉4与感应炉3联通配合，通过感应炉快速预热后的丝材进入管式炉后加热到所需温度，并保证一定的温度均匀性，可提高加热效率。

浸入式槽型循环水冷装置5通过槽型浸入式水冷却、擦料和吹料多工序不间断联合工作，对丝材进行快速的充分冷却和干燥，以保持其矫直效果，保证主动收线装置7顺利收料。

导向装置6用来实现收料前的导向和断线检测夹紧功能。

主动收线装置7的机械机构类似于主动放线装置1，控制特点是设定速度后，电气控制系统根据定轮上编码器的变化控制收线速度，实现恒速收线，其收线速度和安装在张力架2出线端的定轮轴上的编码器的反馈信号形成闭环。

3　设备运行情况

利用西部超导自行研发的张力可稳定控制的β型钛合金丝材在线热矫直机组，对直径为1、2、3 mm，长度为3 000、2 500、2 300 m的β型钛合金丝材进行了多批次张力矫直实验。矫直后，分别从3种丝材任意位置剪切每段长度为1.5 m的丝材各50段，分别测量其直线度。其中，φ1 mm丝材矫直直线度在1～1.8 mm/m之间，φ2 mm丝材矫直直线度在0.6～1.6 mm/m之间，φ3 mm丝材矫直直线度在0.5～1.5 mm/m之间，具体测试结果如图2所示。

从设备目前运行情况来看，可得出以下结论：

(1)利用该矫直机组，矫直张力能够得到稳定控制，即可以保证矫直质量的稳定性，又可实现矫直直线度≤2 mm/m的设备设计要求。图3为φ2 mm的β型钛合金丝材切断成1.5 m矫直前后的状态。

(2)通过优化感应炉和管式炉的配置，使其充分合理发挥各自的特点，可提高加热效率，进而提高机组的矫直效率，提高丝材产能。该设备使用前，西部超导φ3 mmβ型钛合金丝材月产能为4 000 kg，使用后月产能达到10 000 kg。

图2　不同直径钛合金丝材矫直后的直线度Fig.2　　　　Straightness of titanium alloy wires with different diameters after straightening

图3　　　　φ2 mm的β型钛合金丝材矫直前后的状态Fig.3　　　　The state of β-type titanium alloy wires with φ2 mm before and after straightening

(3)该设备可以很好的解决现阶段普遍利用经验来进行类似矫直中存在的问题。通过系统实时监测记录每种规格丝材矫直时对应的矫直力、矫直速度以及矫直温度的数值可对矫直工艺进行优化改进，也可对其他材料的矫直工艺进行实验分析和研究。

[1]管奔，臧勇，曲为壮.矫直理论的研究发展现状与展望[J].机械设计与制造,2012(8):266-268.

[2]井永水，窦忠强，李忠富. 矫直理论的新探索[J].北京科技大学学报，2002,24(1):64-66.

[3]兰贤辉，彭常户，任源，等.一种用于线材的浸入式槽型循环水冷装置:103014584A[P].2013-04-03.

Development of Online Thermal Tension Straightening Unit forβ-type Titanium Alloy Wire

Lan Xianhui，Li Huiwu，Du Yaning，Wang Jinqun，Jia Qinggong

(Western Superconducting Technologies Co. ,Ltd. , Xi’an 710018, China)

Based on theβ-type titanium alloy wire straightening process, the online thermal straightening unit forβ-type titanium alloy wire under tension stability control was designed. Through the reasonably matched control of constant tension speed system, fast average temperature heating system and rapid-cycle cooling system, the online thermal straightening unit made two major breakthroughs in theβ-type titanium alloy wire thermal tension leveler areas: a wide range of tension stability control and the improvement of the efficiency of straightening as well as the quality stability. This design, not only meets the requirements of theβ-type titanium alloy wire straightening, but also provides references for further improvement of the straightening process research and other metal wire straightening process or straightening equipment development.

titanium alloy wire; straightening; efficiency; quality stability

2015-03-11

兰贤辉(1983—), 男，工程师。

TG166.5

A

1009-9964(2016)01-0033-03