CN103149952A - 利用激光熔覆加工轧辊的温控装置以及温控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用激光熔覆加工轧辊的温控装置，包括：一温控箱以及一温控器，该温控箱用于放置轧辊，包括：一箱体以及多个加热器，所述箱体包括多个子箱体单元；所述加热器间隔设置在该温控箱内，并均匀分布于所述多个子箱体单元内；该温控器包括温度采集模块、多路开关、控制器以及通信模块。所述温度采集模块设置于所述温控箱内，用于检测所述轧辊在每个所述子箱体单元内的局部温度；所述控制器通过所述通信模块接收所述温度采集模块采集到的局部温度，并通过所述多路开关反馈到一个或多个子箱体单元的所述加热器进行加热或保温。本发明进一步涉及一种温控方法对所述轧辊进行分区温度控制。

Description

利用激光熔覆加工轧辊的温控装置以及温控方法

技术领域

本发明涉及一种温控装置以及温控方法，用于在激光熔覆对轧辊进行加工时对轧辊进行温度控制。

背景技术

激光熔覆始于20世纪70年代，是一种新型的材料表面加工技术，其利用激光作为能源，将熔覆材料预置在基体材料表面形成耐磨涂层。

高速线材轧辊是线材生产的重要工具，传统的高速线材轧辊采用硬质合金粉末烧结成辊环，与滚轴通过机械结合构成轧辊。我国已连续多年钢产量世界第一，其中线材产量占钢铁总产量的17.9%。每年生产线材需求消耗几百吨硬质合金辊环。当辊环破裂或因磨损尺寸超标时，辊环就会报废，造成大量贵重金属的浪费。

利用激光熔覆技术进行轧辊加工，和传统的表面处理技术（如：等离子喷涂、堆焊等）相比，有着稀释率小、热输入小、工件变形小、界面结合为冶金结合等优点。

在利用激光熔覆加工轧辊的过程中，轧辊表面需要加热，并保持恒定的温度，现有技术中通常对轧辊进行整体预热，然后再进行激光熔覆，然而，通常轧辊尺寸较大，整体预热较难保持轧辊各个部分产生均匀稳定的温度场，而且激光熔覆的过程中，轧辊表面的温度均匀性以及稳定性仍然较难控制从而易导致熔覆材料与轧辊表面难形成紧密结合的冶金涂层，且在加工过程中涂层和轧辊之间容易产生气孔，从而降低了轧辊表面涂层的均匀性。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种在激光熔覆加工轧辊的过程中，可较好地控制轧辊温度的温控装置以及温控方法。

一种利用激光熔覆加工轧辊的温控装置，包括：一温控箱以及一温控器，该温控箱用于放置轧辊，包括一箱体以及多个加热器，该箱体包括多个子箱体单元；所述加热器间隔设置在该温控箱内，并均匀分布于所述多个子箱体单元内；该温控器包括温度采集模块、多路开关、控制器以及通信模块。所述温度采集模块设置于所述温控箱内，用于检测所述轧辊在每个所述子箱体单元内的局部温度；所述控制器通过所述通信模块接收所述温度采集模块采集到的局部温度，并通过所述多路开关反馈到一个或多个子箱体单元的所述加热器进行加热或保温。

一种应用于轧辊激光熔覆的温度控制方法，包括以下步骤：将轧辊分成多个区段；实时采集每个区段内轧辊的温度；以及根据采集到的轧辊各个区域内的温度，加热或保温处理每个区域内轧辊的温度，使每个区域内轧辊的温度均保持在预定温度。

相较于现有技术，本发明实施例所述温控装置具有多个子箱体单元，每个子箱体单元均设置有加热器，该每个子箱体单元内的加热器之间可独立加热，从而使该温控装置内的温度可以局部调节。因此，当应用于激光熔覆加工轧辊的预热保温装置时，可给所述轧辊提供一个稳定均匀的温度场。从而在激光熔覆加工轧辊的过程中，可在所述轧辊表面形成均匀致密度高、内部组织性能均匀且与所述轧辊结合力好的激光熔覆层。此外，利用该温控装置和温控方法对所述轧辊进行分区温度控制，从而在激光熔覆时，可有效地避免了所述激光熔覆层气孔的产生。此外，由于所述温控装置可拼接拆卸，适用于各种尺寸的轧辊。

附图说明

图1为本发明实施例提供的利用激光熔覆加工轧辊的温控装置的结构功能框图。

图2 为本发明实施例提供的利用激光熔覆加工轧辊的温控装置中箱体的结构侧视示意图。

图3为本发明实施例提供的利用激光熔覆加工轧辊的温控装置中温控箱的正视结构示意图。

图4为本发明实施例提供的利用激光熔覆加工轧辊的温控装置中加热器的结构示意图。

图5为本发明实施例提供的利用激光熔覆加工轧辊的温控方法的流程图。

主要元件符号说明

温控装置	100
		温控箱	110
箱体	120
		子箱体单元	120’
拼接单元墙	121
		侧盖	122
下部端盖	1221
		上部端盖	1222
上盖	123
		开口	1231
红外设置孔	1232
		热阻设置孔	1233
托架	1234
		单元盖板	124
气缸	125
		加热器	130
温控器	210
		温度采集模块	220
红外测温仪	222
		热阻传感器	224
多路开关	230
		控制器	240
通信模块	250
		显示输入模块	260

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明实施例提供的利用激光熔覆加工轧辊的温控装置以及温控方法。

请参阅图1，本发明实施例提供一种利用激光熔覆加工轧辊的温控装置100，包括一温控箱110以及一温控器210。

所述温控箱110包括一箱体120以及多个加热器130。所述箱体120用于放置轧辊。该箱体120包括多个可以相互拼接的子箱体单元120’。该多个子箱体单元120’的数量可根据所述轧辊的尺寸来增加或减少。

请一并参阅图1至图4，所述箱体120可以包括多个所述子箱体单元120’，两个侧盖122，以及一上盖123。所述子箱体单元120’可以为一整体的槽体结构。另外，所述子箱体单元120’也可以进一步包括多个拼接单元墙121，该多个拼接单元墙121相互拼接成该槽体结构。

所述多个子箱体单元120’沿所述轧辊长度方向拼接，使该箱体的长度延长。所述两个侧盖122相对设置，并分别与所述箱体120长度方向两侧的子箱体单元120’连接，所述上盖123覆盖该多个子箱体单元120’ 槽体结构的开口。该多个子箱体单元120’、两个侧盖122以及一上盖123共同形成容置所述轧辊的箱体空间。每一侧盖122可进一步包括一下部端盖1221以及一上部端盖1222。

所述上盖123可进一步具有一开口1231、一红外设置孔1232、一热阻设置孔1233以及一托架1234。所述托架1234靠近所述所述红外设置孔1232，并设置在所述上盖123的外表面。

所述开口1231作为激光熔覆的窗口。所述开口1231上设置一单元盖板124，用来打开或盖合所述开口1231。所述箱体120进一步包括一气缸125设置在所述上盖123上。所述气缸125具有一活塞杆与所述单元盖板124连接，用来驱动该单元盖板124。此外，所述气缸125也可用来打开和关闭所述上盖。此外，所述上盖123也可设置多个所述开口1231。所述开口的数量与所述子箱体单元120’的数量相同并对应设置。当具有多个开口时，所述开口之间连通，从而在所述激光熔覆的过程中，用于熔覆的激光熔覆头可沿所述轧辊的轴向移动来在轧辊表面形成熔覆层。

所述多个加热器130间隔设置在所述箱体120的内壁，并均匀分布于所述多个子箱体单元120’内。每个子箱体单元120’内可设置有一个或多个所述加热器130。所述加热器130用于加热所述轧辊。所述加热器130与所述轧辊间隔设置。通过每个所述子箱体单元120’内均设置所述加热器130，可实现对所述轧辊的分区局部加热。该多个加热器130之间可独立工作。该多个加热器130之间可也按照预定规律来工作，如奇数个所述加热器130与偶数个所述加热器130之间独立工作。该加热器130可为电加热器。该加热器130的形状不限，如可为直线形、曲线形或折线形的棒状或管状结构。该加热器130可选用高导热的材料制成。当所述加热器130为电加热器时，该加热器130可选取电热转化效率高的材料制成。本发明实施例中，所述加热器130为硅碳棒，该硅碳棒为直线形，且在所述箱体120内呈栅形排布。所述硅碳棒为非金属高温电热元件，采用高纯度六方碳化硅为原料经过高温硅化再结晶烧结制成。该硅碳棒发热均匀且可抗氧化以及耐腐蚀。此外，本发明实施例中将所述箱体120分成5个子箱体单元120’，每个所述子箱体单元120’内栅形排布有48根直线形的所述硅碳棒，所述硅碳棒的型号为PH-139型，每个所述硅碳棒的功率约为1000瓦，额定温度为1200摄氏度，每个所述硅碳棒的长度为1000毫米。

所述温控器210包括温度采集模块220，多路开关230，控制器240，以及通信模块250。

所述温度采集模块220设置在所述箱体120内，用于监测所述轧辊表面的温度。该温度采集模块220可为一个或多个。当所述温控器210包括多个该温度采集模块220时，优选地，每个所述温度采集模块220可分别设置在每个所述子箱体单元120’内，从而可检测每个子箱体单元120’内轧辊的局部温度，且检测精度较高。当所述箱体120内设置有一个温度采集模块220时，所述温度采集模块220可依次扫描每个子箱体单元120’内的轧辊表面，并同时采集每个子箱体单元120’内的轧辊表面局部温度。

每一所述温度采集模块220可包括一红外测温仪222以及一热阻传感器224。该红外测温仪222以及热阻传感器224可独立检测所述轧辊的局部温度。

所述红外测温仪222具有相对的两端，一端设置有一红外探头，该红外探头设置在所述红外设置孔1232中，另一端可固定于所述托架1234上。优选地，所述红外探头可转动，从而可扫描所述轧辊的各个位置的温度。本发明实施例中，所述红外测温仪222选取德国IMPAC红外高温仪，型号为IPE 140，该IPE 140红外高温仪在MB 10模式下可测量的温度范围为30摄氏度至1000摄氏度。该IPE 140红外高温仪在低于400摄氏度时，测量精度可达2.5摄氏度，在高于400摄氏度，测量精度可达4%+1摄氏度。该IPE 140红外高温仪为数字式、高精度的非接触测温仪，波长范围为3微米至5微米。此外，该IPE 140红外高温仪响应速度快，最短时间为1.5毫秒，且可产生较小尺寸的光斑，具体地，最小光斑尺寸为0.3毫米。 该IPE 140红外高温仪可与多种调焦镜头相互匹配。该IPE 140红外高温仪设置有按键和显示屏，用于输入需要调节的参数，并实时显示设置的参数以及测量到的温度。该IPE 140红外高温仪设置有两个通信接口RS232和RS485，该两个通信接口可以进行切换。

所述热阻传感器224设置在所述热阻设置孔1233中。本发明实施例中所述热阻传感器224为铂热电阻传感器（PT100），该PT100可检测的温度范围为-200摄氏度至660摄氏度，且测量精确度可达0.1摄氏度。另外，本发明实施例中所述热阻传感器224与所述子箱体单元120’一一对应设置。即每个子箱体单元120’内均设置有一热阻传感器224，来分别检测每个子箱体单元120’内轧辊的局部温度。所述温控器210可进一步包括一采样电路，该采样电路可实现所述热阻传感器224对所述轧辊表面温度的多点采样并同时监控。本发明实施例中所述采样电路包括一多路选择器以及一多路转换电路。所述多路转换电路连接于所述热阻传感器224与所述多路选择器之间。本发明实施例中所述多路选择器为MPC508AU多路选择器。所述多路转换电路为八路转换电路。

所述控制器240通过所述通信模块250接收所述温度采集模块220采集的温度信息，并通过所述多路开关230反馈到一个或多个所述子箱体单元120’内的加热器130来局部加热或保温所述轧辊。所述控制器240优选为比例-积分-微分控制器（PID控制器），以实现轧辊表面的温度自动调节以及精确控制。本发明实施例中利用所述PID控制器进行温度控制，使轧辊表面温度保持较佳的激光熔覆温度，具体地，该温度范围为340摄氏度至360摄氏度。所述PID控制器设定加热速率保持在20摄氏度/分至40摄氏度/分。所述控制器240可对所述红外测温仪222以及热阻传感器224独立控制。本发明实施例中所述控制器240采用宏晶公司的STC89C54芯片。

所述多路开关230用于接通或断开所述加热器130与所述控制器240。该多路开关240包括多个开关，每个开关可分别控制每个所述加热器130，或控制每个所述子箱体单元120’内的多个加热器130，从而可实现对每个子箱体单元120’内局部轧辊的表面温度控制。本发明实施例中所述多路开关230为一固态继电器。本发明实施例所述固态继电器选取欧姆龙（OMRON）的G3NB-240B-UTU，并采用ULN200a芯片对该固态继电器进行驱动。

所述通信模块250包括RS-485电路以及模数转换模块（A/D转换模块）。所述红外测温仪222通过所述RS-485电路以总线仲裁的方式将检测到的温度传输到所述控制器240。本发明实施例中实现该电路的芯片采用美信公司生产的MAX 485。所述RS-485电路的接口采用屏蔽双绞线传输，从而可长距离传输且抗噪声干扰性好。所述热阻传感器224通过所述A/D转换模块将检测到的温度信息以数字信号的方式传输到所述控制器240。本发明实施例中所述A/D转换模块选取12位高精度高速A/D转换器。

本发明实施例所述温控器210进一步包括一显示输入模块260。该显示输入模块260包括一键盘以及一显示器。所述键盘用于输入预定参数，如预定温度等。所述显示器可实时显示设置的预定参数以及所述轧辊的表面温度。本发明实施例所述显示器采用4位数码管，其中前三位为整数位，第四位为小数位。该数码管最高可显示999.9摄氏度的温度。

所述温控器210进一步包括一加热电路来实现所述加热器的电加热过程。本发明实施例中采用AC380V加热系统作为所述加热电路。

该温控装置100在使用时，首先按照所述轧辊的尺寸拼接所述拼接单元墙121，然后将所述两个侧盖122的下部端盖1221分别与所述拼接单元墙121相连接形成所述轧辊的容置空间。进一步地，将所述轧辊放置于该容置空间内，将两个侧盖122的上部端盖1222分别与所述对应的下部端盖1221扣接，并与所述拼接单元墙121连接。进一步地，盖上所述上盖123，即可对该轧辊进行预热保温。此外，当要对该轧辊进行激光熔覆时，可通过所述气缸124将所述单元盖板125打开，使需要激光熔覆的轧辊表面从所述上盖123的开口1231中暴露，从而可实现激光熔覆。

本发明实施例提供的温控装置100适用于各种尺寸的用于激光熔覆的轧辊。优选地，所述温控装置100适用于大尺寸的轧辊。所述大尺寸的轧辊是指所述轧辊的直径在400毫米以上，工作面的长度在600毫米以上，以及总长度在1000毫米以上。所述激光熔覆的熔覆层形成在所述轧辊的工作面上。本发明实施例中用于激光熔覆的轧辊的外形尺寸为（直径×工作面长度×总长度）：2495毫米×2500毫米×5600毫米。

本发明实施例提供的温控装置100的主要技术参数指标为：

温度调节范围：室温～1200摄氏度；

温度调节增量：正负0.1摄氏度；

消耗功率：最大240千瓦；

温度稳定性：正负10度；以及

温度采样速率：≥15赫兹/秒。

请参阅图5，本发明实施例进一步提供一种应用于轧辊激光熔覆的温度控制方法，包括以下步骤：

步骤一，将所述轧辊分成多个区段；

步骤二，实时采集每个区段内轧辊的温度；以及

步骤三，根据采集到的轧辊各个区段内的温度，动态调节每个区域内轧辊，使每个区域内轧辊的温度均保持在预定温度。

优选地，本发明实施例上述应用于轧辊激光熔覆的温度控制方法可由所述温控装置100来实现。

在上述步骤一中，所述多个区段沿所述轧辊延伸方向来划分。该步骤一可具体可包括：提供所述多个子箱体单元120’；沿所述轧辊长度方向拼接该多个子箱体单元120’，形成一槽体结构；将该轧辊设置在该槽体结构内，通过该多个子箱体单元120’将该轧辊分成多个区段；分别在该长度方向两侧的子箱体单元120’设置侧盖122；在该槽体结构的开口上覆盖所述上盖123。

在上述步骤二中，可通过一定的时间间隔来检测每个区段内轧辊表面的温度，如每隔5分钟就对各个区段内轧辊表面的温度进行采集。该采集过程可通过多种方式来实现，如（1）可依次检测所述轧辊在每个所述区段内的温度；（2）同时检测所述轧辊在每个所述区段的温度；（3）采用不同的温度检测装置分别检测所述轧辊在每个所述区段的温度。

该步骤二可具体包括：在每个子箱体单元120’内设置加热器130以及温度采集模块220。所述每个子箱体单元120’内的温度采集模块220用于独立地实时采集该子箱体单元120’内轧辊的局部温度。本发明实施例中，每个子箱体单元120’内设置有红外测温仪222以及热阻传感器224来检测该子箱体单元120’内轧辊表面的温度。所述红外测温仪222与热阻传感器224之间独立工作且间隔一定时间来采集所在子箱体单元120’内轧辊的温度，从而后续可更精确地调节轧辊表面的温度。

在上述步骤三中，所述预定温度可根据所述轧辊激光熔覆所需要的预热温度来确定。优选地，所述预定温度可为340摄氏度至360摄氏度。更为优选地，所述预定温度可为350摄氏度。通过将每个区段内检测到的温度与所述预定温度相比较，即可判断是否需要对该区段内的轧辊进行加热或保温。如果某一区段内轧辊的温度低于所述预定温度，则对该区段内的轧辊进行加热使达到预定温度。如果某一区段内轧辊的温度高于所述预定温度，则对该区段内的轧辊停止加热，进行保温处理。所述加热或保温处理的过程为一动态调节的过程。

该步骤三可具体包括：将各个子箱体单元120’内温度采集模块220采集的温度传输到控制器240，并与控制器240内设定的所述预定温度相比较，如果某一温度采集模块220采集到的温度低于所述预定温度，所述控制器240启动该温度采集模块220所在的子箱体单元120’内的加热器130对该子箱体单元120’内的轧辊进行加热。如果某一温度采集模块220采集到的温度高于所述预定温度，则所述控制器240不启动相应子箱体单元120’内的加热器130，从而对该子箱体单元120’内的轧辊进行保温处理。

进一步地，循环进行所述温度采集以及加热保温的步骤，以给所述轧辊提供一个稳定均匀的温度场。

此外，可以理解，本发明实施例所述温度控制方法并不限于所述温控装置100，只要能实现分区段检测轧辊温度，并能分区段加热所述轧辊的温控装置均可以实现本发明的温度控制方法。

本发明实施例所述温控装置具有多个子箱体单元，每个子箱体单元均设置有加热器，该每个子箱体单元内的加热器之间可独立控制、独立加热，从而使该温控装置内的温度可以局部调节。因此，当应用于激光熔覆加工轧辊的预热保温装置时，可给所述轧辊提供一个稳定均匀的温度场。从而在激光熔覆加工轧辊的过程中，可在所述轧辊表面形成致密度高、内部组织性能均匀且与所述轧辊结合力好的激光熔覆层。此外，利用该温控装置和温控方法可对所述轧辊进行分区温度控制，从而在激光熔覆时，可有效地避免了所述激光熔覆层气孔的产生。此外，由于所述温控装置可拼接拆卸，适用于各种尺寸的轧辊。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (13)

1.一种利用激光熔覆加工轧辊的温控装置，其特征在于，包括一温控箱及一温控器，该温控箱用于放置轧辊，

该温控箱包括：

一箱体，该箱体包括多个子箱体单元；以及

多个加热器，所述加热器设置在该温控箱内，并均匀分布于所述多个子箱体单元内；

该温控器包括：

温度采集模块，所述温度采集模块设置于所述温控箱内，用于检测所述轧辊在每个所述子箱体单元内的局部温度；

多路开关；

通信模块；以及

控制器，所述控制器通过所述通信模块接收所述温度采集模块采集到的局部温度，并通过所述多路开关反馈到一个或多个子箱体单元的所述加热器进行加热或保温。

2.如权利要求1所述的利用激光熔覆加工轧辊的温控装置，其特征在于，每个所述子箱体单元内设置有多个间隔设置的所述加热器。

3.如权利要求1所述的利用激光熔覆加工轧辊的温控装置，其特征在于，所述温度采集模块设置于每个所述子箱体单元内。

4.如权利要求3所述的利用激光熔覆加工轧辊的温控装置，其特征在于，所述温度采集模块包括红外测温仪以及热阻传感器，所述红外测温仪与所述热阻传感器独立工作。

5.如权利要求1所述的利用激光熔覆加工轧辊的温控装置，其特征在于，所述多路开关为一固态继电器。

6.如权利要求1所述的利用激光熔覆加工轧辊的温控装置，其特征在于，多个所述加热器在所述温控箱内呈栅形排列。

7.如权利要求1所述的利用激光熔覆加工轧辊的温控装置，其特征在于，所述箱体进一步包括两个侧盖，以及一上盖，每个所述子箱体单元为一整体的槽体结构由多个拼接单元墙相互拼接形成，所述多个子箱体单元沿所述轧辊长度方向拼接，所述两个侧盖相对设置，并分别与所述箱体长度方向两侧的子箱体单元连接，所述上盖覆盖该多个子箱体单元槽体结构的开口，该多个子箱体单元、两个侧盖以及一上盖共同形成容置所述轧辊的箱体空间，所述上盖进一步包括至少一用于激光熔覆时的开口。

8.如权利要求7所述的利用激光熔覆加工轧辊的温控装置，其特征在于，所述上盖进一步包括多个所述开口。

9.一种应用于轧辊激光熔覆的温度控制方法，包括以下步骤：

将轧辊分成多个区段；

实时采集每个所述区段内轧辊的温度；以及

根据采集到的轧辊各个所述区域内的温度，动态调节每个所述区段内轧辊的温度，使每个所述区段内轧辊的温度均保持在预定温度范围。

10.如权利要求9所述的应用于轧辊激光熔覆的温度控制方法，其特征在于，所述预定温度在340摄氏度至360摄氏度范围内。

11.如权利要求9所述的应用于轧辊激光熔覆的温度控制方法，其特征在于，所述轧辊设置在一箱体中，所述箱体包括多个子箱体单元沿所述轧辊的长度方向拼接而成，通过多个所述子箱体单元将所述轧辊分成所述多个区段。

12.如权利要求11所述的应用于轧辊激光熔覆的温度控制方法，其特征在于，每个所述子箱体单元内均设置有温度采集模块来采集该子箱体单元内轧辊的温度。

13.如权利要求12所述的应用于轧辊激光熔覆的温度控制方法，其特征在于，每个所述子箱体单元内设置有加热器，该加热器之间独立工作，当某一子箱体单元内的采集到的轧辊的温度低于所述预定温度，则该子箱体单元内的加热器开始工作，加热该箱体单元内的轧辊到所述预定温度，当某一子箱体单元内的采集到的轧辊的温度高于所述预定温度，则保温处理该子箱体单元内的轧辊。

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