CN111872333A - 平面流铸冷却辊热变形监测装置与轴向热凸度控制方法 - Google Patents

平面流铸冷却辊热变形监测装置与轴向热凸度控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种平面流铸冷却辊热变形监测装置与轴向热凸度控制方法。该发明装置包括轴承座、空心主轴、半环形旋转架、气体射流装置、轴向位置调节装置、热变形监测装置和电动缸。轴承座与空心主轴用于支撑冷却辊，半环形旋转架上安装有气体射流装置与热变形监测装置分别用于冷却辊换热与冷却辊热变形的实时检测。本发明的装置结构简单，安装、拆卸方便，刚度大，周向回转精度高，实现冷却辊热变形实时检测的同时，根据冷却辊热变形实时测量结果，对比冷却辊预定热凸度，通过训练自适应控制模型，控制气体射流装置的排气量对冷却辊轴向热变形进行高精度闭环控制，有效提高宽型非晶薄带的横向厚度均匀性。

Description

平面流铸冷却辊热变形监测装置与轴向热凸度控制方法
技术领域
本发明属于平面流铸制备非晶薄带领域，具体涉及一种平面流铸冷却辊热变形监测装置与轴向热凸度控制方法。
背景技术
平面流铸单辊法制备非晶薄带过程中，高温合金液喷向高速旋转的冷却辊以106K/s冷却，形成非晶态薄带，薄带厚度主要取决于冷却辊-喷嘴间距。随着制备薄带宽度的增大，合金液对冷却辊热作用明显加强，受冷却辊换热效率与轴向非均匀受热所产生的轴向变形差异的影响，薄带部分晶化产生脆性缺陷与横向厚度偏差增大。由于非晶薄带厚度极薄约为20～30 μm，经多层叠片后，横向厚度偏差与带体缺陷放大效应明显加剧，严重影响非晶变压器的软磁特性，成为制约非晶宽带质量及广泛应用的主要瓶颈。
平面流铸制备非晶薄带时，冷却辊热变形轴向非均匀分布不可避免。为保证喷嘴与冷却辊间距的恒定，现有生产企业根据经验对不同工艺参数下的冷却辊轴向热变形分布进行预测，并预先对喷嘴进行修形。随着薄带制备宽度的增大，冷却辊热变形受工艺参数变化的影响较大，现有方法对喷嘴与冷却辊问距控制精度较低，使宽型非晶薄带的厚度均匀性明显下降。
发明内容
本发明是为了解决现有平面流铸工艺制备非晶薄带过程中由于喷嘴与冷却辊轴向间距偏差所导致的薄带轴向厚度均匀性问题，提供一种平面流铸冷却辊热变形监测装置与轴向热凸度控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种平面流铸冷却辊热变形监测装置，包括：轴承座、空心主轴、半环形旋转架、气体射流装置、轴向调节装置、热变形检测装置与电动缸；
其中，半环形旋转架包括对称设置的两个环形止口法兰，冷却辊两端的空心主轴通过止口法兰与半环形旋转架进行固定，提高所述气体射流装置与热变形检测装置轴向回转运动精度；半环形旋转架的边缘分别固定设置一弧形导轨，设置两个轴向调节装置两端分别连接两个弧形导轨，两个轴向调节装置通过电动缸连接，使其可沿弧形导轨相对冷却辊做轴向滑动；气体射流装置和热变形检测装置分别固定设置于两个轴向调节装置其中一者上，随轴向调节装置进行轴向移动。
进一步，为提高换热效率，减小冷却辊轴向热变形差异，所述气体射流装置周向布置有多个射流喷嘴，并通过所述轴向调节装置实现气体射流装置及多个射流喷嘴轴向位置可调。
进一步，轴向调节装置包括步进电机、丝杠、螺母与滑轨；滑轨连接于两个弧形导轨之间，两端设置两滑块，丝杠固定于两滑块之间，丝杠连接步进电机，螺母套置于丝杠上，两个轴向调节装置的螺母分别固定连接气体射流装置与热变形检测装置。
进一步，热变形检测装置轴向布置有多个位移传感器，用于监测冷却辊的实时轴向热变形；所述气体射流装置通过所述电动缸、弧形滑轨实现沿冷却辊精确周向位置的调节，用于冷却辊不同周向位置的冷却。
进一步，气体射流装置通过空气压缩机产生包含空气、氮气与二氧化碳的温度介于-50～-10℃低温混合气体，采用当量直径为2-5 mm的圆形、矩形或菱形喷嘴对冷却辊外表面进行冷却；所述热变形检测装置通过安装于冷却辊喷带背后位置电涡流位移传感器对冷却辊实时热变形进行检测。
本发明采取以下技术方案：提供一种平面流铸冷却辊热变形轴向热凸度控制方法，热变形控制流程为：
通过实时检测冷却辊非接触区的热变形，通过自适应控制算法，通过预测模型对接触区的热变形进行预测，对比预定的接触区冷却辊热凸度，计算热变形偏差；进而调节气体射流装置的排气量与周向位置，使冷却辊热变形量与标准值偏差最小，进而提高冷却辊与喷嘴间距控制精度，着实改善非晶薄带的横向厚度均匀性。
与现有技术相比，本发明专利的有益效果是：
（1）本发明专利提出一种采用外部低温气体射流装置用于对冷却辊中部的快速冷却方法，用于缓解冷却辊轴向非均匀热变形。相比冷却辊内部液体冷却，能更快的对冷却辊轴向高温度位置冷却，改善轴向温度与热变形分布。
（2）本发明的环形旋转架通过止口与轴承座内孔配合，从而提高热变形检测装置与冷却装置周向运动精度，避免了存在振动等干扰时，采用外部联接所导致与冷却辊同轴度无法保证问题，提高了检测精度。
（3）本发明提出了一种冷却辊热变形闭环控制方法，采用高精度传感器与智能学习算法，通过对比实时与预测热变形偏差，对冷却辊的热变形量进行反馈调节，解决冷却辊与喷嘴高精度控制问题。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明的冷却辊热变形检测装置与冷却辊的结构示意图；
图2为本发明的检测装置本体结构示意图；
图3为本发明的冷却辊轴向热变形的闭环控制流程图。
图中：1轴承座、2空心主轴、3半环形旋转架、4气体射流装置、5轴向调节装置、6热变形检测装置、7电动缸、8止口法兰、9弧形轨道、10滑块、11喷嘴、12 步进电机、13 丝杠、14螺母、15 滑轨、16位移传感器。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
参阅图1，本发明提供了一种平面流铸冷却辊热变形监测装置，包括：轴承座1、空心主轴2、半环形旋转架3、气体射流装置4、轴向调节装置5、热变形检测装置6与电动缸7；
其中，半环形旋转架3包括对称设置的两个环形止口法兰8，冷却辊两端的空心主轴2通过止口法兰8进行固定，止口法兰8的边缘分别固定设置一弧形导轨9，设置两个轴向调节装置5，两个轴向调节装置5两端分别连接两个弧形导轨，且沿弧形导轨9相对冷却辊做轴向滑动；两个轴向调节装置5通过电动缸7连接；轴承座1套置于空心主轴2外围，且与半环形旋转架3固定连接；气体射流装置4和热变形检测装置6分别固定设置于两个轴向调节装置5其中一者上，随轴向调节装置5进行轴向移动。
进一步，为提高所述气体射流装置4与热变形检测装置6轴向回转运动精度，半环形旋转架3通过止口法兰8与轴承座1外圈径向定位，提高与冷却辊的同轴度。
进一步，为提高换热效率，减小冷却辊轴向热变形差异，所述气体射流装置4周向布置有多个射流喷嘴11，并通过所述轴向调节装置5实现气体射流装置4及多个射流喷嘴11轴向位置可调。
进一步，轴向调节装置5包括步进电机12、丝杠13、螺母14与滑轨15；滑轨15连接于两个弧形导轨9之间，两端设置两滑块10，丝杠13固定于两滑块10之间，丝杠13连接步进电机12，螺母14套置于丝杠13上，两个轴向调节装置5的螺母14分别固定连接气体射流装置4与热变形检测装置6。
进一步，热变形检测装置6轴向布置有多个位移传感器15，用于监测冷却辊的实时轴向热变形；所述气体射流装置4通过所述电动缸7、弧形滑轨9实现沿冷却辊精确周向位置的调节，用于冷却辊不同周向位置的冷却。
进一步，气体射流装置4通过空气压缩机产生包含空气、氮气与二氧化碳的温度介于-50～-10℃低温混合气体，采用当量直径为2-5 mm的圆形、矩形或菱形喷嘴对冷却辊外表面进行冷却；所述热变形检测装置6通过安装于冷却辊喷带背后位置电涡流位移传感器16对冷却辊实时热变形进行检测。
本发明的检测装置本体具有刚度高，且零部件拆卸方便等优点。
如图2所示，所述轴承座1与空心主轴2用于支撑冷却辊，为提高所述气体射流装置4与所述位移检测装置5的周向回转运动精度，上述半环形旋转架3通过止口法兰8与所述轴承座1外圈径向定位，提高与冷却辊的同轴度。所述半环形旋转架3上安装有气体射流装置4与热变形监测装置5分别用于冷却辊换热与冷却辊热变形的实时检测。为提高换热效率，减小冷却辊轴向热变形差异，所述气体射流装置6周向布置有多个射流喷嘴11，并通过所述轴向位置调节装置5实现轴向位置可调。所述轴向调节装置5通过步进电机12、丝杠13、螺母14与滑轨15组成，可实现所述气体射流装置4与热变形检测装置6精确的跟随喷嘴包的位置进行轴向调节。所述热变形检测装置6轴向布置有多个位移传感器15用于监测冷却辊的实时轴向热变形。另外，所述气体射流装置4通过所述电动缸7、弧形滑轨9实现沿冷却辊精确周向位置的调节，用于冷却辊不同周向位置的冷却，另外通过电动缸与导轨丝杠实现检测装置轴向准确定位。
此外，本发明提供了一种平面流铸冷却辊热变形轴向热凸度控制方法，热变形控制流程为：
通过实时检测冷却辊非接触区的热变形，通过自适应控制算法，通过预测模型对接触区的热变形进行预测，对比预定的接触区冷却辊热凸度，计算热变形偏差；进而调节气体射流装置（4）的排气量与周向位置。通过自适应控制算法，使冷却辊热变形量与标准值偏差最小，进而提高冷却辊与喷嘴间距控制精度，着实改善非晶薄带的横向厚度均匀性
如图3所示，一种平面流铸冷却辊轴向热凸度控制方法，首先对空气射流位置、排气量对冷却辊的热变形影响规律进行预测。具体控制流程为：通过所述位移检测装置5实时检测冷却辊的热变形，对比预定冷却辊热凸度计算热变形偏差，通过调节所述气体射流装置4的排气量，使冷却辊热变形量与预定目标值偏差最小，进而提高冷却辊与喷嘴间距控制精度，着实改善非晶薄带的横向厚度均匀性。
本发明提出了一种冷却辊热变形闭环控制方法，首先根据已有数据及经验对冷却辊的辊形目标值进行预测，根据预测值加工出轴向方向中部凹的喷嘴轮廓，以此做为冷却辊辊形的目标值。采用高精度位移传感器对冷却辊非接触区的实时热变形进行测量，通过预先大量数据训练获得冷却辊与熔潭接触区的热变形值预测样本，通过对比接触区预测热变形与辊形目标值，进而通过模糊控制系统对气体射流装置4的喷射量进行反馈调节，解决冷却辊与喷嘴轴向间距高精度控制问题。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种平面流铸冷却辊热变形监测装置，其特征在于：包括轴承座（1）、空心主轴（2）、半环形旋转架（3）、气体射流装置（4）、轴向调节装置（5）、热变形检测装置（6）与电动缸（7）；
其中，半环形旋转架（3）包括对称设置的两个环形止口法兰（8），冷却辊两端的空心主轴（2）通过止口法兰（8）与半环形旋转架（3）进行固定，提高所述气体射流装置（4）与热变形检测装置（6）轴向回转运动精度；半环形旋转架（3）的边缘分别固定设置一弧形导轨（9），设置两个轴向调节装置（5）两端分别连接两个弧形导轨，两个轴向调节装置（5）通过电动缸（7）连接，使其可沿弧形导轨（9）相对冷却辊做轴向滑动；气体射流装置（4）和热变形检测装置（6）分别固定设置于两个轴向调节装置（5）其中一者上，随轴向调节装置（5）进行轴向移动。
2.根据权利要求1所述的平面流铸冷却辊热变形监测装置，其特征在于：为提高换热效率，减小冷却辊轴向热变形差异，所述气体射流装置（4）周向布置有多个射流喷嘴（11），并通过所述轴向调节装置（5）实现气体射流装置（4）及多个射流喷嘴（11）轴向位置可调。
3.根据权利要求1所述的平面流铸冷却辊热变形监测装置，其特征在于：所述轴向调节装置（5）包括步进电机（12）、丝杠（13）、螺母（14）与滑轨（15）；滑轨（15）连接于两个弧形导轨（9）之间，两端设置两滑块（10），丝杠（13）固定于两滑块（10）之间，丝杠（13）连接步进电机（12），螺母（14）套置于丝杠（13）上，两个轴向调节装置（5）的螺母（14）分别固定连接气体射流装置（4）与热变形检测装置（6）。
4.根据权利要求1所述的平面流铸冷却辊热变形监测装置，其特征在于：所述热变形检测装置（6）轴向布置有多个位移传感器（15），用于监测冷却辊的实时轴向热变形；所述气体射流装置（4）通过所述电动缸（7）、弧形滑轨（9）实现沿冷却辊精确周向位置的调节，用于冷却辊不同周向位置的冷却。
5.根据权利要求1所述的平面流铸冷却辊热变形监测装置，所述气体射流装置（4）通过空气压缩机产生包含空气、氮气与二氧化碳的温度介于-50～-10℃低温混合气体，采用当量直径为2-5 mm的圆形、矩形或菱形喷嘴对冷却辊外表面进行冷却；所述热变形检测装置（6）通过安装于冷却辊喷带背后位置电涡流位移传感器（16）对冷却辊实时热变形进行检测。
6.一种平面流铸冷却辊热变形轴向热凸度控制方法，其特征在于，热变形控制流程为：
通过实时检测冷却辊非接触区的热变形，通过自适应控制算法，通过预测模型对接触区的热变形进行预测，对比预定的接触区冷却辊热凸度，计算热变形偏差；进而调节气体射流装置（4）的排气量与周向位置，使冷却辊热变形量与标准值偏差最小，进而提高冷却辊与喷嘴间距控制精度，着实改善非晶薄带的横向厚度均匀性。
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