CN108913872B - 一种金属板带材辊式淬火速度控制系统及方法 - Google Patents

一种金属板带材辊式淬火速度控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属板带材热处理装备技术领域，公开了一种金属板带材辊式淬火速度控制系统及方法，控制系统由高压区和低压区辊道传动系统组成，针对板带材不同淬火冷却阶段分别实施高压区、低压区、高‑低压区速度控制方法。该系统及方法可实现辊式淬火机辊道复杂速度、加速度、正反转、启停组合控制策略，控制精度高、同步性好、故障率低，可满足不同规格、不同品种金属板带材复杂热处理工艺需求，显著提升板带材淬火冷却板形、均匀性和表面质量。

Description

一种金属板带材辊式淬火速度控制系统及方法
技术领域
本发明属于金属板带材热处理装备技术领域，涉及一种金属板带材辊式淬火速度控制系统及方法。
背景技术
辊式淬火机冷却能力强、冷却均匀、生产效率高、冷却后板带材板形好、设备长度不受板带材长度限制、可实现连续生产，可用于碳素钢、不锈钢、特种合金、钛合金、铝合金等金属板带材淬火、固溶、控制冷却等生产，板带材生产厚度范围2～300mm、宽度范围1～5m、长度范围3～30m，是大型热处理线主要冷却设备形式。辊道速度是辊式淬火机主要工艺参数之一，决定板带材移动速度和方式，影响其表面换热形式、换热区分布和水流状态，进而显著影响板带材表面换热，是调控冷却温度场、冷速、应力变化和组织转变的主要手段。通常，金属板带材在固溶/淬火和控制冷却过程中，移动速度范围为±0.5m/min～±72m/min，加速度范围为±0.0005m2/s～±0.3m2/s，调速范围大、速度控制策略复杂、速度精度要求高，必须对辊道速度进行精确、科学的控制，以满足金属板带材高质量、高效率热处理生产需要。
常规辊式淬火机辊道传动系统采用集中链传动方式，即由1台主电机连接减速机，通过联轴器连接多个转向箱，驱动某几组辊道作为主动辊，其余辊道通过链轮从动转动。这种方式存在如下缺点：①链轮间隙大，辊道同步性差、正反转调控难度大、速度和加速度控制精度低，无法实现复杂的板带材移动控制策略；②所有辊道只能同时启/停或正反转，无法实现与上游、下游辊道的连锁控制，且未承载板带材辊道存在空转现象，浪费电能；③链条已断裂、锈蚀，可靠性能差；④主电机或减速机出现故障，所有辊道均无法运转，使用效率低；⑤辊道速度不同步易产生擦划伤、局部过载等问题，影响使用寿命。针对上述缺点，需要发明一种精确、可靠、灵活的辊式淬火机辊道传动系统和方法，解决板带材辊式淬火冷却过程冷却不均、板形差、设备故障率高、生产效率低等问题，实现高效稳定生产。
专利CN106868273A，公开了一种可移动式淬火冷却系统及淬火冷却方法，将传输装置、上料装置和对中装置集成后通过销轴铰接在淬火槽一侧，使用方便。该系统及方法针对浸入式水槽淬火设计，与本文辊式淬火辊道传动系统无关。
专利CN206173394U，公开了一种淬火机辊道轴承防水装置，在淬火机传动辊轴上安装挡水罩和挡水环，实现轴承与高压淬火水流直接隔离，减少锈蚀磨损。该装置是针对现有辊道磨损锈蚀的现象开展的局部设备优化，并未从根本上解决集中链式传动方式的其他缺陷，与本发明无关。
专利CN206799697U，公开了一种带托辊的淬火输出辊道盖板，由盖板面板、盖板筋板、输出辊道、托辊装配等组成，通过在盖板面板上装设托辊装配，减少板材下表面划伤，防止卡钢。该装置目的是避免或减缓板材与盖板直接碰撞接触，提高板材表面质量和生产效率，与本发明辊式淬火机辊道传动系统无关。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属板带材辊式淬火速度控制系统及方法，能够实现金属板带材速度精确控制、复杂移动策略控制和节能控制，满足复杂热处理工艺对金属板带材移动路径精确控制需求，实现辊式淬火机高效率、高稳定性、高质量热处理生产。
本发明的技术方案为：一种金属板带材辊式淬火速度控制系统，包括高压区辊道传动系统和低压区辊道传动系统，其中高压区辊道传动系统包括下部承载辊道、上部约束辊道、辊道传动电机、传动变频系统、传动连接机构，每根下部承载辊道和每根上部约束辊道分别由一台辊道传动电机单独驱动，辊道与辊道传动电机通过单独传动连接机构连接，每一台辊道传动电机均安装辊道编码器、均由一套传动变频系统单独闭环速度控制，用于实现每根辊道按相同或不同的速度、加速度正反转动或停止；所述低压区辊道传动系统包括下部承载辊道、上部流量分区辊道、上部排水辊道、辊道传动电机、传动变频系统、传动连接机构，每根下部承载辊道、每根上部流量分区辊道和每根上部排水辊道分别由一台传动电机单独驱动，辊道与辊道传动电机通过单独传动连接机构连接，每台下部承载辊道传动电机均安装辊道编码器、均由一套传动变频系统单独闭环速度控制，全部上部流量分区辊道传动电机均不安装辊道编码器，由一套传动变频系统成组开环速度控制，全部上部排水辊道传动电机均不安装辊道编码器，由一套传动变频系统成组开环速度控制。
上述金属板带材辊式淬火速度控制系统的方法，包括如下步骤：
(1)当金属板带材在辊式淬火机上游侧辊道及辊式淬火机高压区辊道运行时实施高压区速度控制方法，具体为：金属板带材头部对应的高压区下部承载辊道的下一根提前同步转动，承载金属板带材进入辊式淬火机高压区，已转动辊道实施微加速控制策略，金属板带材尾部驶离某一根高压区下部承载辊道时，该根辊道停止，高压区上部约束辊道运行速度和启/停时刻与在同一垂直面的下部承载辊道一致、旋转方向相反；
(2)当金属板带材在辊式淬火机高压区辊道和低压区辊道运行时实施高-低压区速度控制方法，具体为：金属板带材头部运行至高压区下部承载辊道最后一根时，低压区下部承载辊道第一根提前按高压区下部承载辊道最后一根的相同速度、加速度、旋转方向启动，后续低压区下部承载辊道均提前一根按相同方式启动，承载金属板带材进入辊式淬火机低压区，低压区上部流量分区辊道运行速度和启/停时刻与在同一垂直面的下部承载辊道一致、旋转方向相反，低压区上部排水辊道以0.3～0.5m/s范围内的某一速度恒定旋转，辊面旋转切线方向与金属板带材行进方向相反、启动时刻与同一垂直面下部承载辊道一致；
(3)当金属板带材在辊式淬火机低压区辊道及辊式淬火机下游侧辊道运行时实施低压区速度控制方法；具体为：金属板带材在辊式淬火机低压区运行方向下一根未承载金属板带材的下部承载辊道按与其相邻的承载金属板带材的下部承载辊道相同的速度、加速度和转向启动，承载金属板带材完成一次通过低压区、在低压区摆动功能，当金属板带材驶离某一根下部承载辊道时，该根辊道停止，低压区上部流量分区辊道运行速度和启/停时刻与在同一垂直面的下部承载辊道一致、转向相反，低压区上部排水辊道以0.3～0.5m/s范围内的某一速度恒定旋转，辊面旋转切线方向与金属板带材行进方向相反、启动时刻与同一垂直面下部承载辊道一致，当金属板带材行进至辊式淬火机低压区最后一根下部承载辊道时，辊式淬火机下游侧辊道按相同速度、加速度和转向同步启动，承载金属板带材驶离辊式淬火机。
本发明与现有设备技术水平相比，具有如下优点：
1、辊式淬火机辊道传动系统每台传动电机驱动一根辊道，可实现复杂速度、加速度、正反转、启停组合控制策略，满足不同规格、不同品种金属板带材复杂热处理工艺需求。
2、每台安装辊道编码器的传动单机均由一套传动变频系统实施闭环速度控制，辊速控制更精确，同步性更好，避免了集中链式传动产生的速差、启停或正反转滞后等问题，减少了辊道擦划伤、板带材跟踪累计误差大等现象的发生，显著改善金属板带材表面质量、淬火冷却板形和均匀性。
3、与集中链式传动相比，单独的传动连接机构故障率低、可靠性高，可有效提升热处理生产效率。
4、发明的辊道速度控制方法实现了100％有效传动，未参与驱动金属板带材的辊道停止转动，节约了电能。
附图说明
图1是本发明中的金属板带材辊式淬火速度控制系统示意图；
图2是本发明中的金属板带材辊式淬火机高压区速度控制方法示意图；
图3是本发明中的金属板带材辊式淬火机高-低压区速度控制方法示意图；
图4是本发明中的金属板带材辊式淬火机低压区摆动速度控制方法示意图；
图5是本发明中的金属板带材辊式淬火机低压区速度控制方法示意图。
图中，1金属板带材；2高压区下部承载辊道；3高压区上部约束辊道；4辊道传动电机；5传动变频系统；6传动连接机构；7辊道编码器；8冷却喷嘴；9低压区下部承载辊道；10低压区上部流量分区辊道；11低压区上部排水辊道；12辊式淬火机上游侧辊道；13辊式淬火机下游侧辊道；14高压区辊道传动系统；15低压区辊道传动系统。
具体实施方式
实施例一，本实施例提供本发明一种金属板带材辊式淬火速度控制系统的实施过程，如图1所示。高压区辊道传动系统14每一台辊道传动电机4通过单独的传动连接机构6控制每一根高压区下部承载辊道2、高压区上部约束辊道3按工艺速度、加速度正反转或启停，每一根辊道实际速度通过安装在辊道传动电机4的辊道编码器7测量并反馈给对应的传动变频系统5，传动变频系统5基于反馈辊道速度对辊道传动电机4实施闭环矢量控制；低压区辊道传动系统15每一台辊道传动电机4通过单独的传动连接机构6控制每一根低压区下部承载辊道9、低压区上部流量分区辊道10、低压区上部排水辊道11按工艺速度、加速度正反转或启停；每一根低压区下部承载辊道9实际速度通过安装在辊道传动电机4的辊道编码器7测量并反馈给对应的传动变频系统5，传动变频系统5基于反馈辊道速度对辊道传动电机4实施闭环矢量控制；全部低压区上部流量分区辊道10由一套传动变频系统5对相应的辊道传动电机4实施开环速度控制；全部低压区上部排水辊道11由一套传动变频系统5对相应的辊道传动电机4实施开环速度控制。至此，金属板带材辊式淬火速度控制系统的实施过程结束。
实施例二，本实施例提供本发明一种金属板带材辊式淬火速度控制方法的实施过程，如图1、2、3、4、5所示，选用60mm厚、3000mm宽、8m长金属板带材为例具体说明实施过程。金属板带材1加热后，按淬火冷却工艺初始速度v1到达辊式淬火机上游侧辊道12时，高压区辊道传动系统14第一根高压区下部承载辊道2以相同的速度正转本实施例定义辊道顺时针转动为正转，第一根高压区上部约束辊道3以相同的速度反转，将金属板带材1送入高压区辊道传动系统14；当金属板带材1到达高压区辊道传动系统14第一根高压区下部承载辊道2时，高压区辊道传动系统14相邻第二根高压区下部承载辊道2、第二根高压区上部约束辊道3以与相邻第一根同类型辊道相同的速度和旋转方向启动，同时所有转动的辊道均按相同线性加速度a1施加到金属板带材1上；随着金属板带材1正向本实施例定义金属板带材1向辊式淬火机下游侧辊道13方向移动为正向进入高压区辊道传动系统14，金属板带材1头部到达高压区下部承载辊道2的某一根时，其相邻下一根高压区下部承载辊道2以相同的速度、加速度正转，其相邻下一根高压区上部约束辊道3以相同的速度、加速度反转。金属板带材1在高压区辊道传动系统14中运动时，通过上下对称的冷却喷嘴8完成不同流量、压力冷却水的对流换热，实现金属板带材1淬火冷却等热处理过程。当金属板带材1头部到达高压区辊道传动系统14最后一根高压区下部承载辊道2时，金属板带材1此时运动速度为v2、加速度为a2，低压区辊道传动系统15低压区下部承载辊道9第一根以相同的速度、加速度正转，低压区辊道传动系统15低压区上部流量分区辊道10第一根以相同的速度、加速度反转；当金属板带材1头部到达低压区辊道传动系统15第一根低压区下部承载辊道9时，低压区下部承载辊道9相邻第二根以相同的速度、加速度正转，低压区上部排水辊道11第一根以恒定速度v0正转；随着金属板带材1头部到达某一根低压区下部承载辊道9，其下一根相邻低压区下部承载辊道9以相同的速度和加速度正转、其下一根相邻低压区上部流量分区辊道10以相同的速度和加速度反转、其下一根相邻低压区上部排水辊道11以恒定速度正转；当金属板带材1尾部离开某一根高压区下部承载辊道2或低压区下部承载辊道9时，该根辊道以及与其在同一垂直面对应的上部辊道停止转动。当金属板带材1头部正向到达低压区辊道传动系统15最后一根低压区下部承载辊道9时，金属板带材1尾部已经离开高压区辊道传动系统14，所有正在转动的低压区下部承载辊道9、低压区上部流量分区辊道10、低压区上部排水辊道11均停止转动，之后按与原转向相反、线速度和线性加速度相同的运动方式启动，承载金属板带材1反向摆动运动，该过程中低压区辊道传动系统15各辊道启停条件与金属板带材1在低压区辊道传动系统15正向运动时相同，金属板带材1此时运动速度为v3、加速度为a3。当金属板带材1反向移动至低压区辊道传动系统15第一根低压区下部承载辊道9时，所有正在转动的低压区下部承载辊道9、低压区上部流量分区辊道10、低压区上部排水辊道11均停止转动，之后按与原转向相反、线速度和线性加速度相同的运动方式启动，承载金属板带材1正向运动，该过程中低压区辊道传动系统15各辊道启停条件与金属板带材1在低压区辊道传动系统15正向运动时相同，金属板带材1此时运动速度为v4、加速度为a4。当金属板带材1头部正向运动至低压区辊道传动系统15最后一根低压区下部承载辊道9时，辊式淬火机下游侧辊道13以相同的速度、加速度正转，承载金属板带材1移出低压区辊道传动系统15，金属板带材1尾部离开某一根辊道时，该根辊道停止。金属板带材1在低压区辊道传动系统15中运动时，通过上下对称的冷却喷嘴8完成不同流量、压力冷却水的对流换热，实现金属板带材1淬火冷却等热处理过程。当金属板带材1离开低压区辊道传动系统15最后一根低压区下部承载辊道9时，金属板带材辊式淬火速度控制方法实施过程结束。

Claims (2)

1.一种金属板带材辊式淬火速度控制系统，其特征在于，包括高压区辊道传动系统和低压区辊道传动系统，其中高压区辊道传动系统包括下部承载辊道、上部约束辊道、辊道传动电机、传动变频系统、传动连接机构，每根下部承载辊道和每根上部约束辊道分别由一台辊道传动电机单独驱动，辊道与辊道传动电机通过单独传动连接机构连接，每一台辊道传动电机均安装辊道编码器、均由一套传动变频系统单独闭环速度控制，用于实现每根辊道按相同或不同的速度、加速度正反转动或停止；所述低压区辊道传动系统包括下部承载辊道、上部流量分区辊道、上部排水辊道、辊道传动电机、传动变频系统、传动连接机构，每根下部承载辊道、每根上部流量分区辊道和每根上部排水辊道分别由一台传动电机单独驱动，辊道与辊道传动电机通过单独传动连接机构连接，每台下部承载辊道传动电机均安装辊道编码器、均由一套传动变频系统单独闭环速度控制，全部上部流量分区辊道传动电机均不安装辊道编码器，由一套传动变频系统成组开环速度控制，全部上部排水辊道传动电机均不安装辊道编码器，由一套传动变频系统成组开环速度控制。
2.权利要求1所述金属板带材辊式淬火速度控制系统的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)当金属板带材在辊式淬火机上游侧辊道及辊式淬火机高压区辊道运行时实施高压区速度控制方法，具体为：金属板带材头部对应的高压区下部承载辊道的下一根提前同步转动，承载金属板带材进入辊式淬火机高压区，已转动辊道实施微加速控制策略，金属板带材尾部驶离某一根高压区下部承载辊道时，该根辊道停止，高压区上部约束辊道运行速度和启/停时刻与在同一垂直面的下部承载辊道一致、旋转方向相反；
(2)当金属板带材在辊式淬火机高压区辊道和低压区辊道运行时实施高-低压区速度控制方法，具体为：金属板带材头部运行至高压区下部承载辊道最后一根时，低压区下部承载辊道第一根提前按高压区下部承载辊道最后一根的相同速度、加速度、旋转方向启动，后续低压区下部承载辊道均提前一根按相同方式启动，承载金属板带材进入辊式淬火机低压区，低压区上部流量分区辊道运行速度和启/停时刻与在同一垂直面的下部承载辊道一致、旋转方向相反，低压区上部排水辊道以0.3～0.5m/s范围内的某一速度恒定旋转，辊面旋转切线方向与金属板带材行进方向相反、启动时刻与同一垂直面下部承载辊道一致；
(3)当金属板带材在辊式淬火机低压区辊道及辊式淬火机下游侧辊道运行时实施低压区速度控制方法；具体为：金属板带材在辊式淬火机低压区运行方向下一根未承载金属板带材的下部承载辊道按与其相邻的承载金属板带材的下部承载辊道相同的速度、加速度和转向启动，承载金属板带材完成一次通过低压区、在低压区摆动功能，当金属板带材尾部驶离某一根下部承载辊道时，该根辊道停止，低压区上部流量分区辊道运行速度和启/停时刻与在同一垂直面的下部承载辊道一致、转向相反，低压区上部排水辊道以0.3～0.5m/s范围内的某一速度恒定旋转，辊面旋转切线方向与金属板带材行进方向相反、启动时刻与同一垂直面下部承载辊道一致，当金属板带材头部行进至辊式淬火机低压区最后一根下部承载辊道时，辊式淬火机下游侧辊道按相同速度、加速度和转向同步启动，承载金属板带材驶离辊式淬火机。
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Application publication date: 20181130

Assignee: Shandong Huaxing new material technology Co., Ltd

Assignor: Northeastern University

Contract record no.: X2020210000012

Denomination of invention: Metal plate strip rolling quenching speed control system and method

Granted publication date: 20190716

License type: Common License

Record date: 20200714