CN103388065B - 一种大直径支承辊整体感应加热系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大直径支承辊整体感应加热控制方法，通过在线圈上设置测温探头分别检测工件的中部和上、下端部温度，当检测端部温度非线性时，通过闭环控制单元控制并联于线圈端部的补偿单元，以改变相应位置线圈的电流强度，从而保证线圈对工件表面加热的温度均匀性，使得工件表面的温度分布完全满足工艺的要求。本发明还公开了一种大直径支承辊整体感应加热系统。

Description

一种大直径支承辊整体感应加热系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及感应加热淬火技术，更具体地说，涉及一种大直径支承辊整体感应加热系统及其控制方法。

背景技术

在轧制过程中，支承辊对工作辊起支承作用，必须具有良好的刚度；支承辊使用周期长，与工作辊或中间辊长时间滚动接触，辊面易产生磨损和加工硬化现象，辊面材料必须具有较高的硬度、耐磨性和抗裂纹扩展能力。为提高辊面硬度，需对其进行热处理。

在大直径支承辊的最终热处理工艺中一般采用差温淬火和感应淬火两种方式，使辊身表面一定深度奥氏体化芯部仍保持在相变点温度以下，从而使辊身获得有效的硬度和淬硬层深度。目前，欧美及国内轧辊厂商基本都采用差温淬火工艺生产支承辊。而感应淬火工艺是将辊身表面感应加热+辊身喷雾淬火再低温回火的工艺方法，其特点是加热时间短、加热温度均匀、加热层深，是增加淬硬层深度、提高辊身表面硬度及均匀性的有效方法。整体感应淬火技术是国际上最先进的辊身表面淬火技术，其淬硬层深度及硬度均高于差温式淬火。

虽然感应加热技术虽然已经成为金属材料表面热处理的常规技术，但是作为大型工件的整体感应加热，在技术上仍然存在很大难度，具体主要体现在：1)径向上，对满足工艺要求的温度梯度分布的控制较为困难；2)轴向上，温度分布的均匀性控制较为困难，即由于端部效应的存在，使端部温度分布存在非线性，这种非线性的温度分布将导致最终的表面硬度分布不均匀，影响轧辊的使用效果和寿命；3)由于工件体积庞大，因此达到目标温度所需的功率、加热时间均要远远高于常规感应加热，这对稳定、合理的工业化生产带来一定的风险。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺点，本发明的目的是提供一种大直径支承辊整体感应加热系统及其控制方法，通过改变感应线圈产生的磁力线分布，从而实现工件轴线方向温度的均匀分布。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，大直径支承辊整体感应加热系统，包括：

加热平台，

机械传动机构，设于加热平台下方，用以承载待加热淬火的工件；

线圈，固设于加热平台上，用以对设于其内的工件进行整体感应加热；

电源，与线圈相连，用以加热供电；

数个测温探头，布置于线圈上，分别检测工件的中部和上、下端部温度；

端部补偿单元，与线圈相连，包括相并联的电容元器件和电感元器件，用以改变相应位置线圈的电流强度，控制线圈对工件表面加热的温度均匀性；

闭环控制单元，分别与端部补偿单元、电源及测温探头相连，接收测温信号，通过计算处理，发出控制信号至端部补偿单元。

所述的线圈上、下端部第1～8匝以后的连续1～8匝并联连接电容元器件；

所述的线圈上、下端部第1～8匝内的1～8匝并联连接电感元器件。

所述的测温探头分别设于线圈内工件中心位置、端部并联电容元器件的线圈段中心位置、端部并联电感元器件的线圈段中心位置。

所述的线圈高度L满足如下关系式：

G＜L＜1.3G，L∝1/D

其中，G为工件高度，D为工件直径。

另一方面，一种大直径支承辊整体感应加热控制方法，包括以下步骤：

在线圈垂直方向上依次设置数个测温探头，在线圈的上、下端分别并联用于端部补偿的电容元器件和电感元器件；

将预热后的工件垂直置于线圈内，通过闭环控制单元控制电源通电对工件进行整体感应加热；

通过测温探头分别对工件的中间及上、下端部表面温度进行实时测量，并将温度信号输入闭环控制单元；

由闭环控制单元根据接收的温度信号进行比较计算，并控制相应的电容元器件或电感元器件进行调整，以改变相应位置线圈的电流强度，控制线圈对工件表面加热的温度均匀性；

加热结束后，进入保温过程，并且在整个加热及保温过程中，通过机械传动机构带动工件进行自传或垂直往返运动，以提高其表面温度的均匀性。

所述的线圈上、下端部第1～8匝以后的连续1～8匝并联连接电容元器件；

所述的线圈上、下端部第1～8匝内的1～8匝并联连接电感元器件。

所述的测温探头分别设于线圈内工件中心位置、端部并联电容元器件的线圈段中心位置、端部并联电感元器件的线圈段中心位置。

所述的调整电容大小后，相应并联线圈部分的电流强度变化范围在5％～25％之间；调整电感大小后，相应并联线圈部分的电流强度变化范围在0％～-15％之间。

在上述技术方案中，本发明的大直径支承辊整体感应加热系统及其控制方法，通过在线圈上设置测温探头分别检测工件的中部和上、下端部温度，当检测端部温度非线性时，通过闭环控制单元控制并联于线圈端部的补偿单元，以改变相应位置线圈的电流强度，从而保证线圈对工件表面加热的温度均匀性，使得工件表面的温度分布完全满足工艺的要求。

附图说明

图1是本发明的加热系统的结构原理图；

图2是本发明的加热方法的流程图；

图3是使用本发明测得工具端部温度线性图

图4是未使用本发明测得工具端部温度线性图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

请参阅图1所示，本发明的大直径支承辊整体感应加热系统具体包括加热平台1、机械传动机构2、线圈3、电源4、数个测温探头5、端部补偿单元、闭环控制单元6，其中，加热平台1用于确保设于其上的线圈3中心位置与工件7中心位置基本重合，线圈3轴线垂直地面，并为便于对不同规格工件7进行加热，加热平台1可以在垂直方向上移动。机械传动机构2设于加热平台1下方，用以承载待加热淬火的工件7，并且在整个加热及保温过程中可通过机械传动机构2带动工件7进行自传或垂直往返运动，以提高其表面温度的均匀性。线圈3固设于加热平台1上，用以对设于其内的工件7进行整体感应加热，该线圈3由内水冷的异型铜管绕制而成，即铜管靠近工件7的一侧厚度(称为导电侧)大于另一侧，导电侧的厚度在7～15mm之间，铜管高度d在30～70mm之间，由冷却循环水系统10对线圈3进行冷却。线圈3上安装有多个轴向分布的测温孔，数量在3～12个之间。电源4采用低频变频电源4，频率在30～120Hz之间，与线圈3相连，用以加热供电。测温探头5分别布置于线圈3上的测温孔内，分别用于检测工件7的中部和上、下端部温度。具体的测温位置可根据工件7长度选取，并且应至少选择3个测温点进行控制。例如，选择3个测温点时，1个设置为中间测温点(位于辊身中心位置)和2个设置为端部测温点(分别位于上、下端电容补偿接线部分的线圈3段的中心位置)；若选择5个测温点时，1个中间测温点设于辊身中心位置，4个端部测温点分别设于上、下端电容补偿接线部分线圈3段的中心位置，以及上、下端电感补偿接线部分线圈3段的中心位置。测得的温度信号分别可由光纤电缆送至温度信号处理单元11，进而转换为数字信号输入闭环控制单元6。端部补偿单元与线圈3抽头相连，包括相并联的电容元器件8和电感元器件9，用以改变相应位置线圈3的电流强度，控制线圈3对工件7表面加热的温度均匀性，其中，线圈3上、下端部第1～8匝以后的连续1～8匝并联连接电容元器件8，其并联回路中分别设置独立开关，可以独立控制回路的闭合与否；而线圈3上、下端部第1～8匝内的1～8匝并联连接电感元器件9，其并联回路中分别设置独立开关，可以独立控制回路的闭合与否。如此，整个线圈3总体上实际分为五大部分，即上、下两个带电感补偿的部分、上、下两个带电容补偿的部分以及中间剩余部分。闭环控制单元6可由PLC、监控机、网络等构成，分别与端部补偿单元、电源4及测温探头5相连，接收测温信号，通过计算处理，发出控制信号至端部补偿单元。

而本发明的大直径支承辊整体感应加热控制方法具体如下：

对于预热之后工件7的感应加热过程至少分为两个阶段，即加热阶段和保温阶段，也可以分成多个加热或保温阶段。加热阶段和保温阶段的区别在于，加热阶段的升温速度要远大于保温阶段的升温速度，保温阶段时工件7表面的温度基本保持不变，或者在有限范围内波动。

通常情况下，工件7加热的总时间控制在2．5小时以内，根据工艺要求调整加热阶段和保温阶段的时间长短。保温阶段结束之后需同时满足工艺对工件7表面温度、工件7径向温度分布的要求。通常情况下的温度分布要求是，工件7辊身表面轴向上除了软带之外的部分温差控制在+/-10度以内，径向上表面以下100mm范围内温度大于850度，而工件7中心温度控制在低于600度。

根据工件7的规格(主要是直径和辊身高度)、材质物理性能以及预热温度等初始条件，首先对加热所需的功率、电流、电压、端部温度补偿方案等给定曲线进行计算，闭环控制单元6根据计算得到的这一曲线给线圈3通电进行感应加热，而频率随着测得工件7温度变化自动匹配。在加热过程中工件7由于存在端部效应，表面温度在端部位置的分布曲线规律不断发生变化，利用设置于端部的测温点检测温度，来判断工件7表面不同位置处的温度变化，当温差变大时，通过闭环控制单元6分别调整端部补偿单元的电感和电容值大小，以便控制工件7表面温度的均匀性，使其满足工艺对温度分布的要求。调整电容大小后，并联线圈3部分的电流强度变化范围在5％～25％之间；调整电感大小后，并联线圈3部分的电流强度变化范围在0％～-15％之间。

加热阶段结束可以根据两个信号来完成：1)当加热时间小于计算得到的所需加热时间，而红外温度仪检测到表面如前所述设置于中间的测温点温度到达目标温度Ta时，加热阶段结束；2)当红外温度仪检测到表面温度未到达目标温度Ta，而加热时间大于计算得到的所需加热时间，则加热阶段结束。

加热阶段结束后进入保温阶段，保温时间根据理论计算得到的保温时间进行设定。保温阶段结束后进入下一道工序。整个加热阶段及保温阶段工件7沿自身轴线做圆周自转运动，以提高其周向上表面温度均匀性。根据需要还可以在轴线方向上做垂直上下的往复运动，以提高轴线方向上表面温度均匀性。

需要说明的是上述各理论计算值或曲线可以根据生产经验做适当调整以满足实际工况条件。修正后的曲线存储于数据库，今后对同样规格、材质的工件7进行加热时，直接调用数据库中的参数进行加热。经过上述感应加热之后，可将工件7吊离线圈3进行淬火工艺。

下面，对本发明进行具体举例说明：

采用本发明的对规格为ф1000×1500mm的轧辊进行感应加热处理，预热温度T0为200度，工件7加热表面目标温度Ta为1050度。加热之前，利用仿真软件对加热过程进行模拟，计算所需要的加热功率、加热时间以及加热过程的馈电方式(加热过程中施加电流、频率的变化曲线，端部补偿方法等)。计算结果导入控制终端的控制模型中作为加热过程参数控制的依据，控制模型在加热过程中判断加热时间，如超过计算得出的所需加热时间则发出报警。轧辊在预热炉内预热至预热温度200后，经行车吊装至工位，确保与感应线圈3在圆周方向的间隙尽可能均匀一致，工件7辊身中心与线圈3中心尽可能重合。

根据匝辊规格，选择使用的加热线圈3时，以加热间隙尽可能小为宜。由于轧辊高度G为1500mm，根据计算结果，选择需要使用的加热线圈3高度L以及端部补偿方法并进行接线。在本例中，选择加热线圈3高度为：

L＝1．15G＝1725mm

铜管高度d＝30，匝间距g＝1．5mm，

则匝数n＝L/(d+g)＝1725mm/31．5mm＝54．76匝，取整数54匝。

端部补偿单元的接线方法如下：

上、下端部第1～4匝内的连续第2～4匝并联连接电感补偿单元，用以调整并联部分线圈3电流；上、下端部第4匝以后的连续3匝并联连接电容补偿单元，用以调整并联部分线圈3电流。

接线完成后，线圈3通以冷却水，控制终端判断加热准备工作是否存在异常。判断无误后，通电开始加热，整个加热过程分为两个阶段即加热阶段和保温阶段。

加热过程中设置5个测温点，测温点位置分别设置在：1)辊身中心；2)上、下两个电感补偿对应位置，即端部以下第3匝位置处；3)上、下两个电容补偿对应位置，即端部以下第6匝位置处。

加热进行20分钟后，电感部分温度测温点检测到辊身表面温度超过中间点温度5度，由闭环控制单元6控制电感补偿开启，调整补偿电流大小为-10％，至加热阶段结束。

整个加热过程中根据控制模型控制其他馈电参数(如施加电流或电压的曲线等)，此时可能出现两种情况：

当红外测温仪测定温度显示到达目标温度1050度并且没有加热时间超时报警信号时，转入保温阶段；

当红外测温仪测定温度显示未到达目标温度1050度但有加热时间超时报警信号时，转入保温阶段。

进入保温阶段后，加热控制模型根据使用的加热时间设定保温时间。此时关闭电感补偿单元，同时电容补偿部分温度检测点检测到温度低于辊身中心点温度5度，则开启电容补偿单元，补偿电流大小为8％，直至保温阶段结束。

整个加热阶段及保温阶段工件7沿自身轴线做圆周运动，以提高其周向上表面温度均匀性。同时还在轴线方向上做垂直上下的往复运动，以提高轴线方向上表面温度均匀性。保温阶段结束后，工件7吊离线圈3进行淬火热处理。

通过上述感应加热结束后，工件7端部温度的非线性得到了有效控制，如图3所示，工件7最终的表面轴向上温度温差可以控制在+/-5度以内。径向上温度梯度较为明显，表层100mm范围内温度超过850度，中心位置基本保持在初始温度200度左右。相比于未使用本发明之前的情形，如图4所示，工件7表面温度分布非常不均匀，温差达30度左右。

综上所述，采用本发明适用于大直径支承辊等圆坯工件7的感应加热，可使加热工件7的温度分布完全满足工艺的要求，特别是在轴向的温度均匀性及径向上的梯度分布要求，从而为后续淬火等热处理工艺创造条件，最终获得理想的工件7表面硬度层。即工件7具有足够均匀的硬度和较好的淬硬层，可以保证高的耐磨性、抗剥落性和抗冲击性。另外，利用感应加热进行热处理大大降低了生产成本，节能效果非常显著。同时生产中没有其他辅助材料的消耗和污染，清洁环保。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (4)

1.一种大直径支承辊整体感应加热系统，其特征在于，

包括：

加热平台，

机械传动机构，设于加热平台下方，用以承载待加热淬火的工件；

线圈，固设于加热平台上，用以对设于其内的工件进行整体感应加热；

电源，与线圈相连，用以加热供电；

数个测温探头，布置于线圈上，分别检测工件的中部和上、下端部温度；

端部补偿单元，与线圈相连，包括相并联的电容元器件和电感元器件，用以改变相应位置线圈的电流强度，控制线圈对工件表面加热的温度均匀性；其中，所述的线圈上、下端部第1～8匝以后的连续1～8匝并联连接电容元器件，所述的线圈上、下端部第1～8匝内的1～8匝并联连接电感元器件；所述的线圈高度L满足如下关系式：G<L<1.3G，L∝1/D，其中，G为工件高度，D为工件直径；

闭环控制单元，分别与端部补偿单元、电源及测温探头相连，接收测温信号，通过计算处理，发出控制信号至端部补偿单元。

2.如权利要求1所述的大直径支承辊整体感应加热系统，其特征在于：

所述的测温探头分别设于线圈内工件中心位置、端部并联电容元器件的线圈段中心位置、端部并联电感元器件的线圈段中心位置。

3.一种大直径支承辊整体感应加热控制方法，其特征在于，

包括以下步骤：

在线圈垂直方向上依次设置数个测温探头，在线圈的上、下端分别并联用于端部补偿的电容元器件和电感元器件；其中，线圈上、下端部第1～8匝以后的连续1～8匝并联连接电容元器件，线圈上、下端部第1～8匝内的1～8匝并联连接电感元器件；调整电容大小后，相应并联线圈部分的电流强度变化范围在5％～25％之间；调整电感大小后，相应并联线圈部分的电流强度变化范围在0％～-15％之间；

将预热后的工件垂直置于线圈内，通过闭环控制单元控制电源通电对工件进行整体感应加热；

通过测温探头分别对工件的中间及上、下端部表面温度进行实时测量，并将温度信号输入闭环控制单元；

由闭环控制单元根据接收的温度信号进行比较计算，并控制相应的电容元器件或电感元器件进行调整，以改变相应位置线圈的电流强度，控制线圈对工件表面加热的温度均匀性；

加热结束后，进入保温过程，并且在整个加热及保温过程中，通过机械传动机构带动工件进行自传或垂直往返运动，以提高其表面温度的均匀性。

4.如权利要求3所述的大直径支承辊整体感应加热控制方法，其特征在于：

所述的测温探头分别设于线圈内工件中心位置、端部并联电容元器件的线圈段中心位置、端部并联电感元器件的线圈段中心位置。