CN202763290U - 一种应用于轧辊熔覆的在线保温装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种应用于轧辊熔覆的在线保温装置，温控装置的硅碳棒固定在保温箱体内拼接单元墙的内侧；温控装置的PT100温度采集器固定在保温箱体的上盖的孔内并将探头探进保温箱体内；温控装置的红外温度采集器固定在保温箱体的托架上。本实用新型采用PID温度控制方法具有温度场稳定，自动化程度高，轧辊保温均匀性好，控制精度高等特点；本装置的保温箱体采用拼接式结构，可以根据轧轧辊的尺寸增减拼接单元来控制保温箱体的长短，可以节省成本并且便于安装；端面为上下分体式结构，便于拆装和轧辊的放置；激光熔覆时，局部处用气缸顶开，开口小，保温效率高。

Description

一种应用于轧辊熔覆的在线保温装置

技术领域

本实用新型涉及轧辊熔覆技术，具体地说是一种能在轧辊熔覆前通过对轧辊进行保温加热，实现在轧辊的温度不适合熔覆的情况下，使轧辊的温度仍然可恢复至熔覆的最佳温度的系统。 

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，和传统的表面技术相比（如：等离子喷涂、堆焊等），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。 

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。 

我公司成功地在轧辊形状的基体上熔覆成一定厚度的功能层，实现了激光熔覆轧辊的制造。但是在激光熔覆技术生产轧辊的过程中，轧辊表面温度需要保持在350℃效果最佳，而在实际生产过程中如果没有保温和控温措施要将轧辊保持在350℃是比较困难的，为了解决这一难题。我们开发了一种应用于轧辊熔覆的在线保温装置。这一解决方案的提出，成功的解决了这一难题，在实际生产实践中有着重大的现实意义，本课题研究就是在这种背景下提出的。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种在轧辊熔覆过程中能有效保持轧辊熔覆最佳温度的温控装置，解决轧辊在熔覆过程中温度不可控这一难题，从而使轧辊能够保持在熔覆的最佳温度范围内，提高熔覆效果。 

本实用新型的技术方案包括：一种应用于轧辊熔覆的在线保温装置，其特征在于：温控装置的硅碳棒固定在保温箱体内拼接单元墙的内侧；温控装置的 PT100温度采集器固定在保温箱体的上盖的孔内并将探头探进保温箱体内；温控装置的红外测温仪固定在保温箱体的托架上；所述保温箱体由带有气缸和单元盖板的上盖、上部端盖、下部端盖和拼接单元墙用螺栓连接拼接而成；所述拼接单元墙通过后面的支撑钢架用螺栓相接；所述上部端盖扣在下部端盖上；气缸的固定端固定在上盖上，气缸的活塞杆与单元盖板连接；托架固定在上盖上。 

所述温控装置由控制器连接通信模块、显示和键盘模块、红外测温仪和PT100温度采集器；通过固态继电器连接有硅碳棒。 

所述硅碳棒为一字型，且多个一字型硅碳棒均匀的分布在保温箱体内呈栅形排布，并随保温箱体内的拼接单元墙呈分段式排布。 

所述拼接单元墙为两侧板垂直于底板的两平行边的一体式结构，横截面为U形，为多个。 

所述PT100温度采集器为多个PT100热电阻，成一字排列，均匀分布在保温箱体内。 

所述红外测温仪为多个，成一字排列均匀分布在上盖上。 

所述气缸和单元盖板成线性排列。 

所述上盖设有条形孔，位置与单元盖板对应。 

所述固态继电器为多个。 

所述温控装置还可以包括远程监控模块，远程监控模块与控制器进行通信连接。 

本实用新型具有以下有益效果及优点： 

1.温度场稳定。温度场是反映加工过程条件的一个重要参数，稳定的温度场能够保证轧辊的质量及尺寸精度。利用本新型的保温控制系统给轧辊保温，不但可以获取与轧辊高致密结合的激光熔覆冶金涂层，而且可以保证激光熔覆过程中温度场的稳定性，从而获得内部组织性能均匀的涂层。 

2.自动化程度高。本实用新型应用嵌入式控制系统实现智能控制。以现代自动控制理论为指导思想。硬件上采用模块化设计，使得控制方便快捷。软件 上采用智能PID控制。实现箱体在常温～660℃范围内连续可调。能将保温箱控制在轧辊熔覆的最佳温度。一旦设定保温温度后，不需要人为干预，全程自动化处理，保温精度高。 

3.轧辊保温均匀性好，控制精度高。本实用新型采用PID温度控制方法，使轧辊加热过程反映速度快、精度高，可达到±0.5℃；同时，利用导热板硅碳棒上方，形成的温度场均匀、稳定，并为高热导率基体的激光熔覆技术中存在的熔覆层多气孔、易脱落等问题提供了一个有效的解决途径。 

4.本实用新型为拼接式结构，可以根据轧轧辊的尺寸增减拼接单元来控制保温箱体的长短，可以节省成本并且便于安装。 

5.本实用新型为端面为上下分体式结构，便于拆装和轧辊的放置。 

6.本实用新型为激光熔覆时，局部处用气缸顶开，开口小，保温效率高。 

附图说明

图1是本实用新型的总体结构图； 

图2是控制器的电压同步信号采集电路图； 

图3是控制器的电压同步信号采集后的波形图； 

图4是控制器的固态继电器驱动电路图； 

图5是控制器的软件流程图； 

图6是保温箱体的主视图； 

图7是保温箱体的俯视图； 

图8是保温箱体的A-A剖视图。 

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明。 

如图1所示，本实用新型中所用保温装置包括温控装置1和保温箱体2： 

温控装置1，由控制器3、硅碳棒8、红外测温仪7、PT100温度采集器9、显示和键盘模块5、通信模块4和固态继电器6组成，其中硅碳棒8、红外测温仪7、PT100温度采集器9置于所述保温箱体2内部，红外测温仪7用于将采集 到的轧辊本体的温度通过RS-485总线送至控制器3内，并通过显示和键盘模块5实时显示温度值；PT100温度采集器9采集到的轧辊本体的温度也实时传送至控制器3内，控制器通过A/D采集模块采集轧辊的温度。并通过固态继电器6将硅碳棒8与电源相连接，通过控制器3控制固态继电器6的开断，来接通或断开硅碳棒8与电源的连接，从而反馈调节预热温度的高低。 

红外温控仪通过激光或者取景器进行瞄准，通过光电转换电路，转换成电信号后经过数字信号处理进行温度采集，然后通过RS-485总线将温度信息按照预定帧格式传输至温控箱；通过调压调功电路调节硅碳棒的电信号，从而调节硅碳棒的加热速率和加热时间。红外测温仪时时进行测温，不断将温度信号反馈给温控器进行闭环控制。稳定性高。 

保温箱体2包括气缸10，单元盖板11，上盖12，托架13，拼接单元墙14，上部端盖16和下部端盖15。箱体机构由上部端盖、下部端盖、上盖组成和拼接单元墙拼接而成，其连接方式用螺栓连接。 

保温箱体2和红外测温仪7、PT100温度采集器9都采用模块化思想设计，保温箱体2采用分块组装，控制采用分区采集、分区控温，即：红外测温仪7和PT100温度采集器9分区采集温度，硅碳棒8分区加热。本技术方案将箱体从空间上分为5段。红外测温仪7分三路采集温度，将轧辊分为上、中、下三段采集温度。PT100温度采集器9将5段箱体按照逻辑划分为8路进行温度采集。硅碳棒8均匀排列在箱体内壁。5段箱体的每段箱体按照奇数和偶数进行分别控制。按照红外测温仪7和PT100温度采集器9的逻辑分区将硅碳棒8也按照温度采集的分区进行分区控制。 

为了给轧辊提供一个稳定的温度场，本系统采用分段式结构，且采用的硅碳棒为一字型，且多个一字型硅碳棒均匀的分布在箱体内呈栅格装排布。箱体分为五段，每段由48个硅碳棒组成，且奇数和偶数个硅碳棒可以独立控制。在控制方面，多组红外测温仪和PT100测温器对轧辊进行多点测温。红外测温仪通过总线仲裁方式将箱体温度信息传给控制器，PT100经过AD芯片将模拟量采 样变成数字量传递给控制器。控制器通过相应的软件算法控制硅碳棒进行局部加热。通过对箱体内控制单元进行分块，从而使箱体内温度局部可调。使箱体温度时时监控、时时可调。通过这种模块化思想的设计，在时间上和空间上都保证了该系统能够给保温箱内提供一个均匀的温度场。 

本系统可以另行定制远程监控模块。控制器可以通过GPRS DTU将温度数据和当前温控器相关信息传至远端上位机监控装置。实行远程时时监控。 

本系统控制器内的主控芯片采用宏晶公司比较成熟的芯片STC89C54。同步信号获取电路如图2。从变压器取变压后，在正弦交流电压信号的正半周，发光二极管导通，光耦输出低电平，在负半周输出高电平。光耦输出信号的下降沿就是同步信号的正过零时刻。但是，这一时刻会有一点延时，这个问题可以在软件中消除。波形图见图3。控制输出电路采用OMRON的G3NB-240B-UTU型号固态继电器，采用ULN2003a芯片进行驱动，安全可靠。 

红外测温仪采用IMPAC红外高温计IPE 140。响应速度快，最短时间1.5ms。极小的光斑尺寸，最小0.3mm。内置数字显示屏幕。可通过内置按键或软件界面调整参数，激光或取景器瞄准，RS485接口，可相互切换，精确瞄准和测试安全。IPE 140在MB 10模式下能测得30 to 1000℃。其测量误差在低于400℃时为:2.5℃。在高于400℃时误差为:测量值的0.4%±1℃。IPE140为数字式、高精度、非接触测温仪。波长采用3 to 5μm。仪器设计为可与多种调焦镜头相互匹配。仪器参数可通过按键调整，参数状态在LCD上显示。测量状态下，LCD将显示实时测量温度。IP/IPE140测温仪采用RS232和RS485标准接口,可选装。 

固态继电器通过ULN2003a进行驱动。ULN2003a为反相器。如图4所示，当输入端为高电平时，对应的输出端口为低电平，继电器通电，固态继电器导通，当ULN2003a输入端为低电平时，固态继电器断电，固态继电器不导通。在ULN2003a内部已集成起反响续流作用的二极管，因此可直接用他驱动继电器。本电路所用的固体继电器为OMRON的G3NB-240B-UTU型号，安全性极高。 

控制器所用的PT100采样电路采用多路采样技术，进行八路采样。在PT100至MPC508AU多路选择器之间的转换电路有八路，由于篇幅所限在这里只描述一路：从PT100接入控制器后，进行信号转换电路。然后进入MPC508AU多路选择器，通过多路选择控制端MUL0至MUL3进行采样通路的选择。然后经过放大后进入12位AD进行模拟信号到数字信号的转换。变为数字信号后，经过总线驱动器74HC245进入单片机内。PT100能测得-200°到660°之间，由于采用的是12位高精度高速A/D并且经过优化算法所以测量精确可以达到0.1°。 

硅碳棒为PH-139型，硅碳棒在保温箱体内呈栅形排布，硅碳棒随箱体呈分段式排布，即：按照箱体机械分块，采用多个硅碳棒分段加热。箱体按机械结构分为五段，每段由48根硅碳棒组成。可以进行分区控制，奇数和偶数可以分开控制。采用AC380V工业用电加热，每个硅碳棒功率约1000（W）;额定温度:1200（℃）;长度:1000（毫米）。由于硅碳棒是用高纯度绿色六方碳化硅为主要原料，按一定料比加工制坯，经2200℃高温硅化再结晶烧结而制成的棒状、管状非金属高温电热元件。氧化性气氛中正常使用度可达1450℃，连续使用可达2000小时。本硅碳棒具有发热均匀、安全、高效、节能、环保、操作简单、维修方便、抗氧化、耐腐等特点。 

本系统所用数码管为4位。前三位显示的是整数，第四位为小数位。温度显示最高温度为999.9度。通信模块采用RS-485电路实现。实现芯片为行业内常用的美信公司生产的MAX 485。RS-485接口采用屏蔽双绞线传输。其具有传输距离长，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好等优点。 

分段式箱体由五段箱体拼接而成。箱体由汽缸传动可开盖操作。硅碳棒选用功率约1000（W）;额定温度:1200（℃）;长度:1000（毫米）的PH-139型硅碳棒。加热电路采用AC380V加热系统加热。 

如图6-8所示，首先将拼接单元墙14通过单元墙后面的支撑钢架之间用螺栓相接，把拼接好的单元墙14吊装放入轧辊熔覆的工位上，再将左右的下部端盖15与拼接单元墙14相连接，把轧辊放去保温箱内，在将左右上部端盖16扣 在下部端盖15上并与拼接单元墙14相接，最后将上盖12扣上，气缸10的活塞杆与单元盖板11连接，气缸10的固定端固定在上盖12上，图8中PT100插入上盖12的孔内将头探进保温箱内，红外测温仪固定在托架13上，托架13固定在上盖12上。 

综上，采用分体式的安装方式可灵活适应各种型号的轧辊，便于安装，而且通过气缸局部开口熔覆使的保温效果达到最好。 

本实用新型保温装置的主要技术参数指标： 

保温箱体的外型尺寸：5600mm×2500mm×2495mm（本尺寸为五段拼接尺寸。另外，大小可根据用户需要进行定制） 

温度调节范围：室温～660℃ 

温度调节增量：±0.1℃ 

消耗功率：最大240KW 

温度稳定性：±10℃ 

采样速率：≥15Hz/s 

这种应用于轧辊熔覆的在线保温装置：在熔覆过程中，为了防止轧辊在激光熔覆前迅速冷却，建立了一套均匀加热的保温控制系统。本套系统能通过智能PID温度控制方式在激光熔覆过程中保持温度的恒定性；其温度控制在340-360℃，加热速率为20-40度/分。这里所述的PID温度控制通过PID温控系统来设定保温箱内要保持的温度，并通过PID优良的软件算法来实现闭环温控。通过红外测温仪测的温度数据，控制器将红外测温仪所测数据采集进主控芯片后，判断当前温度值与预设的温度范围差别，然后调用相应的数学算法，计算出所要调节的温度范围和所需加热的时间和加热方式。主控芯片通过控制器内的加热电路启动硅碳棒进行加热。此时红外测温仪继续对轧辊进行温度监控。当加热到预先设定的温度范围时，按照硅碳棒的特性和保温箱保温材料特性曲线。加热到能保持轧辊熔覆的最佳温度。之后停止加热，进入保温状态。 

在保温过程中，保温装置不断采集轧辊温度，当低于轧辊熔覆最佳温度时， 启动调温电路，进行温度控制。 

如图5所示，系统在刚上电时，先进行系统初始化，主控芯片进行个中寄存器的设置。然后再调用键盘扫描函数，进行键盘扫描，读取键值。调用显示子函数。通过键盘编码判断用户是否有设定参数的键盘按下。如果没有则跳转到串口发送子函数和A/D转换器读取子函数。向红外温控器发送温度查询命令和读取各路PT100测来的温度值。如果有设定参数的键盘按下，则判断按下的值并写入控制器内的存储器内存储。然后向红外传感器发送温度读取命令和读取A/D转换器的转换来的温度值。判断当前温度和预设定温度值。一次判断每一路温度值是否超出预设定温度范围。如果超出，判断是高于还是低于。然后调用调温驱动函数控制固态继电器通断。如果没有超出预设定温度范围。则转而进行键盘扫描函数。 

本系统在轧辊的激光熔覆加工过程中，为了防止轧辊在激光熔覆过程中迅速冷却，建立了一套均匀保温控制系统，轧辊在激光熔覆步骤前加入保温步骤，且通过PID控制方式在激光熔覆过程中保持温度的稳定性；其中温度控制在340-360度范围内，加温速率为20～40度/分。 

在工作过程中，首先通过汽缸将5段保温箱的箱盖打开，将要保温的轧辊吊装放入保温箱体内，然后通过汽缸动作将保温箱箱盖关闭。通过控制器键盘和显示模块设定所要保温的温度值，然后将机器开致自动档，进行自动保温。 

当控制器进入自动保温状态时，因为轧辊让进入保温箱体内的时候，保温箱体内温度相对较低。首先，控制器进入预加热状态，主控芯片会通过与红外测温仪预定的通信格式主动向红外测温仪发送温度查询命令，当收到三个红外测温仪发回的应答信息后，截取其中的温度信息，在通过A/D转换器读取各路PT100所测得的当前温度值。然后每个红外测温仪返回的温度值和A/D转换器所读取的温度值和自身的设定的温度值相比较，如果某个红外测温仪分区或者PT100分区内的温度低于预先设定的温度值相应的分区便打开固态继电器进行加热。在打开固态继电器之前，为了防止固态继电器动作对电网造成冲击或者 产生高次谐波，先通过控制器内的电压同步信号检测电路检测电压零点，在电压零点的时候进行固态继电器动作。从而减少对电网的冲击和高次谐波的产生。在比较相差的温度差后，通过内部软件算法计算出加热的最佳方法，具体为选择是处于奇数位的碳硅棒进行加热还是处于偶数位的碳硅棒加热，或者所有的碳硅棒均加热。如果温度超出或者红外测温仪测出的温度正好在设定的温度范围内，则进入保温状态。然后读取A/D转换器温度值并向红外测温仪发送温度查询指令，进行温度查询和温度控制。 

当加热状态过后进入保温状态，控制器开启PT100和红外测温仪进行温度测温。从A分区开始进行温度查询一直查询到最后一个温度分区然后重新从A分区进行查询，当发现某温度分区内温度低于预设值后便开机相应的固态继电器按照预定的保温算法进行加温。当某分区内的红外测温仪或者PT100温度采集器采集回来的温度高于预设温度时，便立即通过固态继电器控制硅碳棒停止加热。红外测温仪和PT100温度采集器在空间上是独立均匀分布的。并且在控制器对其控制过程中是独立控制的。 

Claims (10)

1.一种应用于轧辊熔覆的在线保温装置，其特征在于：温控装置（1）的硅碳棒（8）固定在保温箱体（2）内拼接单元墙（14）的内侧；温控装置（1）的PT100温度采集器（9）固定在保温箱体（2）的上盖（12）的孔内并将探头探进保温箱体（2）内；温控装置（1）的红外测温仪（7）固定在保温箱体（2）的托架（13）上；所述保温箱体（2）由带有气缸（10）和单元盖板（11）的上盖（12）、上部端盖（16）、下部端盖（15）和拼接单元墙（14）用螺栓连接拼接而成；所述拼接单元墙（14）通过后面的支撑钢架用螺栓相接；所述上部端盖（16）扣在下部端盖（15）上；气缸（10）的固定端固定在上盖（12）上，气缸（12）的活塞杆与单元盖板（11）连接；托架(13)固定在上盖(12)上。 

2.根据权利要求1所述的一种应用于轧辊熔覆的在线保温装置，其特征在于：所述温控装置（1）由控制器（3）连接通信模块（4）、显示和键盘模块（5）、红外测温仪（7）和PT100温度采集器（9）；通过固态继电器（6）连接有硅碳棒（8）。 

3.根据权利要求1所述的一种应用于轧辊熔覆的在线保温装置，其特征在于：所述硅碳棒（8）为一字型，且多个一字型硅碳棒均匀的分布在保温箱体（2）内呈栅形排布，并随保温箱体（2）内的拼接单元墙（14）呈分段式排布。 

4.根据权利要求1所述的一种应用于轧辊熔覆的在线保温装置，其特征在于：所述拼接单元墙（14）为两侧板垂直于底板的两平行边的一体式结构，横截面为U形，为多个。 

5.根据权利要求1所述的一种应用于轧辊熔覆的在线保温装置，其特征在于：所述PT100温度采集器（9）采用多个PT100热电阻，成一字排列均匀分布在保温箱体内。 

6.根据权利要求1所述的一种应用于轧辊熔覆的在线保温装置，其特征在于：所述红外测温仪（7）为多个，成一字排列均匀分布在上盖（12）上。 

7.根据权利要求1所述的一种应用于轧辊熔覆的在线保温装置，其特征在于：所述气缸（10）和单元盖板（11）成线性排列。 

8.根据权利要求1所述的一种应用于轧辊熔覆的在线保温装置，其特征在于：所述上盖（12）设有条形孔，位置与单元盖板（11）对应。 

9.根据权利要求2所述的一种应用于轧辊熔覆的在线保温装置，其特征在于：所述固态继电器（6）为多个。 

10.根据权利要求1所述的一种应用于轧辊熔覆的在线保温装置，其特征在于：所述温控装置（1）还可以包括远程监控模块，远程监控模块与控制器（3）进行通信连接。 

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