板帶軋機(jī)軋輥表面溫度檢測(cè)系統(tǒng)研究

寧浩森 祖大偉 陳 榮 章大雷

(大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司設(shè)計(jì)研究院 遼寧大連116013)

板帶軋機(jī)軋輥表面溫度檢測(cè)系統(tǒng)研究

寧浩森 祖大偉 陳 榮 章大雷

(大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司設(shè)計(jì)研究院 遼寧大連116013)

通過(guò)對(duì)帶材軋制過(guò)程中軋輥表面溫度分布情況進(jìn)行研究，提出采用紅外線測(cè)溫裝置在線實(shí)時(shí)檢測(cè)軋輥表面溫度，從而更加及時(shí)準(zhǔn)確的控制軋輥分段冷卻水流量，使得軋輥冷卻的工藝性能得以?xún)?yōu)化；同時(shí)也對(duì)測(cè)溫裝置的布置位置進(jìn)行了分析，最終確定了合理的安裝位置。

軋輥 溫度場(chǎng) 紅外線測(cè)溫裝置 冷卻

1 前言

在帶材軋制過(guò)程中，軋件的熱量、軋件變形釋放的熱量將使軋輥?zhàn)儫?，并沿其軸向方向產(chǎn)生熱凸度，這不僅影響到帶材的板形質(zhì)量，而且由于軋輥表面反復(fù)受到來(lái)自帶材的急熱和冷卻水、空氣等造成的急冷，極易產(chǎn)生疲勞破壞，從而縮短其使用壽命。因此，在軋制過(guò)程中，為控制軋輥溫度，設(shè)定最佳冷卻條件，掌握傳遞到軋輥上的熱量和被冷卻帶走的熱量是十分必要的，這就要求能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確的了解軋制過(guò)程中輥面的溫度分布情況。但在實(shí)際生產(chǎn)中，目前尚無(wú)通過(guò)在線實(shí)時(shí)檢測(cè)的方法來(lái)測(cè)量軋輥表面溫度，以便精確控制冷卻液的流量，改善軋輥分段冷卻工藝性能[1]。

2 軋輥表面溫度分布情況

2.1 軋輥圓周方向溫度分布

根據(jù)熱軋過(guò)程中軋輥的實(shí)際邊界條件可將軋輥整個(gè)圓周方向分為五個(gè)區(qū)域。即：高溫帶材接觸傳熱區(qū)域(AB)、帶材的輻射及空氣自然對(duì)流區(qū)域(BC和HA)、擋水板間的積水換熱區(qū)域(CD、GH)、軋輥分段冷卻區(qū)域(DE、FG)、空氣的自然對(duì)流區(qū)域(EF)，如圖1所示[2]。

圖1 軋輥實(shí)際邊界條件

軋輥與軋件接觸瞬間，表面溫度迅速升高，當(dāng)脫離軋件經(jīng)過(guò)短時(shí)間的空冷，熱量主要被傳遞到軋輥內(nèi)部，使得表面溫度有所下降。當(dāng)轉(zhuǎn)至出口側(cè)冷卻位置時(shí)，在冷卻液的作用下軋輥表面溫度急速下降，而在離開(kāi)冷卻位置后，由于內(nèi)部高溫向外擴(kuò)散，軋輥表面溫度又開(kāi)始逐漸回升，但由于立即受到入口側(cè)冷卻裝置的二次冷卻，從而抑制了這一溫升趨勢(shì)，保證軋輥表面溫度下降到55℃～65℃之間，然后再次咬入軋件。由于軋輥的轉(zhuǎn)動(dòng)特性，使得溫度在圓周上分布呈周期循環(huán)，如圖2所示。

圖2 熱軋輥圓周表面的溫度場(chǎng)

2.2 軋輥橫向方向溫度分布

由于軋輥的中間部位始終與軋件接觸，而靠近邊部不與軋件接觸，在同樣的冷卻條件下，中部的溫度將高于邊部，這種不均勻的溫度分布使軋輥中部膨脹變大，從而影響軋制效果。一般由于軋制力的影響，帶材中部將凸起，但熱膨脹的不均將使凸起變得不確定[5]。

圖3 軋制時(shí)軋輥橫向溫度分布

軋輥中部因與高溫?zé)岚鍘Ы佑|，溫升較為明顯；兩側(cè)邊部不與熱板帶接觸，因此溫升較小。在軋輥與板帶邊部接觸位置，軋輥的橫向溫度梯度較大，軋輥中部和邊部的橫向溫度梯度相對(duì)較?。浑S著軋制時(shí)間的增加，軋制區(qū)不斷地向兩側(cè)邊部傳熱，導(dǎo)致邊部溫度逐漸升高，軋輥表面橫向曲線，也由最初的高次曲線分布，轉(zhuǎn)變?yōu)榻茠佄锞€分布，軋輥表面橫向溫度分布曲線見(jiàn)圖3[4]。

2.3 軋輥中部溫度變化狀況

軋制初始階段，相對(duì)較冷的軋輥與熱板帶接觸，由于變形熱、摩擦熱及熱傳導(dǎo)的作用，軋輥在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中不斷從輥縫處吸收熱量，導(dǎo)致軋輥表面溫度逐漸上升，并向軋輥內(nèi)部傳熱[10]。在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)，盡管軋輥表面經(jīng)歷了軋件接觸傳熱——空冷——冷卻液冷卻——空冷——軋件接觸傳熱的循環(huán)過(guò)程，但是由于軋輥高速轉(zhuǎn)動(dòng)，可以近似認(rèn)為軋輥圓周表面的溫度變化規(guī)律基本一致。軋制結(jié)束后，軋輥不再會(huì)吸收熱量，軋輥圓周表面溫差也隨之消失，軋輥整體溫度逐漸下降。實(shí)際生產(chǎn)中，開(kāi)軋約30min后，軋輥表面溫度可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的60%，約60min后可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的90%，90min后軋輥表面溫度下降大約20℃。軋制時(shí)輥身中部表面溫度的瞬態(tài)變化曲線如圖4所示[4]。

圖4 軋輥中部表面溫度變化趨勢(shì)

3 軋輥與軋件的熱平衡方程

軋輥溫度場(chǎng)是一個(gè)可變非穩(wěn)態(tài)系。在軋制過(guò)程中，軋輥軸向、徑向和周向的溫度都要發(fā)生變化，但由于軋輥轉(zhuǎn)速很高，可以忽略周向溫度變化。

圖5 軋輥網(wǎng)格劃分及邊界條件

為簡(jiǎn)化計(jì)算，認(rèn)為軋輥為內(nèi)部無(wú)熱源的軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，通常取軋輥的四分之一作為研究對(duì)象(如圖5所示)[12]。則在軸對(duì)稱(chēng)平面內(nèi)熱傳導(dǎo)平衡方程為：

式中T—軋輥溫度；r—徑向坐標(biāo)；y—軸向坐標(biāo)；ρ—軋輥密度；c—軋輥比熱；λ—軋輥導(dǎo)熱系數(shù)[11]；t—時(shí)間。

4 軋輥熱凸度變化情況

4.1 軋制時(shí)間對(duì)熱凸度的影響

由于軋制速度較快，軋件傳遞到軋輥的熱量不可能完全被冷卻液帶走，使得軋輥表面熱量會(huì)不斷的傳向軋輥內(nèi)部。隨著軋制時(shí)間的延長(zhǎng)，軋輥與軋件接觸的初始溫度會(huì)逐漸升高，即：軋制后期軋輥的初始溫度要高于軋制初期，使得軋輥的熱凸度也會(huì)隨之增大，但在軋制后期軋輥熱凸度變化明顯緩慢，如圖6所示[9]。

圖6 不同軋制時(shí)刻軋輥熱凸度曲線

4.2軋件溫度對(duì)軋輥熱凸度的影響

在相同軋制條件下，隨著帶材溫度的增加，傳遞到軋輥的熱量隨之增加，使得軋輥熱凸度明顯增大，兩者基本呈線性關(guān)系，如圖7所示[6]。

圖7 不同軋件溫度下軋輥熱凸度曲線

從上述軋輥表面溫度分布及熱凸度變化情況分析，當(dāng)軋輥與軋件接觸時(shí)，表面溫度會(huì)急速升高，脫離軋件后又會(huì)迅速下降；軋輥中部表面溫度較兩側(cè)相對(duì)較高，隨著軋制時(shí)間的延長(zhǎng)，受冷卻條件影響，軋輥表面溫度會(huì)趨向于穩(wěn)定狀態(tài)；軋輥熱凸度隨軋制時(shí)間的延長(zhǎng)和帶材溫度的升高會(huì)不斷增大，且中部熱凸度大于兩側(cè)邊部[7]。因此，要實(shí)現(xiàn)軋輥橫向熱凸度變形均勻，必須準(zhǔn)確檢測(cè)軋輥表面溫度，精確控制分段冷卻液的流量，保證軋輥的合理冷卻[8]。

5 測(cè)溫元件的設(shè)置

5.1 測(cè)溫元件工作原理及作用

如圖8所示，假設(shè)測(cè)溫元件布置于入口側(cè)A處，并沿軋輥軸向方向設(shè)置n個(gè)測(cè)溫點(diǎn)(n與分段冷卻所分區(qū)域相對(duì)應(yīng))。當(dāng)軋輥上某一檢測(cè)位置轉(zhuǎn)至A處時(shí)，測(cè)溫元件分別測(cè)出此時(shí)軋輥表面的各點(diǎn)溫度，并將溫度信號(hào)快速反饋至分段冷卻控制中心，然后由其根據(jù)各點(diǎn)的溫度值來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)各段的冷卻液流量。反饋的溫度過(guò)高，則增加流量；反之減少流量，從而提升冷卻性能。

圖8 軋輥表面測(cè)溫原理圖

檢測(cè)軋輥表面溫度是為了更加精確的調(diào)節(jié)分段冷卻系統(tǒng)，合理控制各段冷卻液的流量，保證軋輥熱凸度更加均勻，最終獲得良好的板形。

5.2 測(cè)溫元件型式

測(cè)溫元件采用非接觸紅外線型式，如圖9所示。

圖9 測(cè)溫元件示意圖

其性能特點(diǎn)如下：

1)快速響應(yīng)時(shí)間<20ms；

2)傳感頭可承受達(dá)120℃的環(huán)境溫度，無(wú)需冷卻；

3)精密高光學(xué)分辨率，即：L/D值可達(dá)22∶1；

4)微型傳感頭可測(cè)量其它傳感器不能測(cè)量的位置；

5)自動(dòng)檢測(cè)傳感頭。

5.3 測(cè)溫元件的設(shè)置位置

理論上，測(cè)溫元件布置于軋機(jī)出入口位置更能準(zhǔn)確的測(cè)定軋制時(shí)表面溫度，但從軋機(jī)出入口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及前面軋輥表面圓周溫度分布圖分析，測(cè)溫元件不適合設(shè)置于此。具體原因如下：

1)軋機(jī)出入口處結(jié)構(gòu)緊湊，空間位置有限，而且此處受軋件熱輻射影響及沖撞的可能也較大，如圖10所示。

2)軋輥與軋件脫離后，表面溫度急劇下降，因此很難檢測(cè)到接觸區(qū)輥面溫度；

3)軋機(jī)出入口位置由于冷卻液的噴射，會(huì)產(chǎn)生大量的煙霧，工作環(huán)境非常惡劣，會(huì)影響測(cè)溫元件的檢測(cè)精度和壽命；

4)影響換輥效率。

綜合考慮，選擇在上工作輥?lái)敳考跋鹿ぷ鬏伒撞吭O(shè)置測(cè)溫元件更為合理，見(jiàn)圖10。

圖10 軋機(jī)出入口結(jié)構(gòu)

1-上工作輥冷卻裝置; 2-上導(dǎo)板; 3-機(jī)架輥; 4-下導(dǎo)板; 5-下工作輥冷卻裝置

5.4 測(cè)溫元件的分布

確定了測(cè)溫元件的布置位置，但具體分布情況及如何與分段冷卻配合工作，需做進(jìn)一步研究才能確定。

以國(guó)內(nèi)某熱軋機(jī)上工作輥為例來(lái)分析，軋輥直徑為φ950mm，軋制速度為120m/min。根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)，設(shè)定測(cè)溫元件沿軋輥周向如圖11所示分布，即與軋輥中心線成25°角。由此可計(jì)算出位置1到2之間弧長(zhǎng)l=414.52mm，軋輥從1轉(zhuǎn)至2處所需時(shí)間約為0.2s。

1)沿軋輥周向分布

從前面的圖2可以分析出，軋輥由1轉(zhuǎn)至2處時(shí)，在0.2s時(shí)間內(nèi)，輥面溫度不會(huì)出現(xiàn)大幅變化，兩處溫度接近相同。因此，軋輥圓周上1或2處均可設(shè)為測(cè)溫點(diǎn)，但僅需一處設(shè)置測(cè)溫元件即可滿(mǎn)足在線測(cè)溫要求。

圖11 測(cè)溫元件沿軋輥周向布置

2)沿軋輥軸向分布

該熱軋機(jī)分段冷卻裝置將軋輥沿軸向分為5段，為了精確的反映各個(gè)分段的溫度變化情況，應(yīng)設(shè)置5個(gè)測(cè)溫點(diǎn)分別與各冷卻段相對(duì)應(yīng)，測(cè)溫點(diǎn)的間距與各段中心間距相同，如圖12所示。

圖12 測(cè)溫元件沿軋輥軸向分布

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)帶材軋制過(guò)程中軋輥表面溫度分布和軋輥表面熱凸度變化情況的研究，提出了在線檢測(cè)軋輥表面溫度的理念。在對(duì)在線測(cè)溫工作原理分析后，確定了測(cè)溫元件的型式及布置位置；并對(duì)測(cè)溫點(diǎn)的布置與分段冷卻的關(guān)系進(jìn)行了研究，確定了測(cè)溫元件沿軋輥周向及軸向的分布狀況，為改善分段冷卻的工藝性能，合理控制軋輥表面橫向熱凸度變化提供了理論依據(jù)。設(shè)置測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)改善軋輥熱凸度的效果如何，能否根據(jù)檢測(cè)結(jié)果分析出軋輥表面缺陷的分布情況，能否通過(guò)檢測(cè)軋件溫度來(lái)改善軋輥熱凸度，以及軋制過(guò)程中軋輥的溫度變化量、冷卻系統(tǒng)的熱交換量、軋輥熱凸度的計(jì)算等問(wèn)題，仍需做進(jìn)一步的研究。

[1]楊湘生譯.通過(guò)測(cè)定軋輥表面溫度和熱通量來(lái)評(píng)價(jià)冷卻性能[J].中文科技期刊數(shù)據(jù)庫(kù)，1996(3).

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Research of Surface Temperature Detection System for Strip Mill Roll

Ning Haosen Zu Dawei Chen Rong Zhang Dalei

(Design & Research Institute of DHHI Group Company Ltd., Dalian 116013)

Through the study of the surface temperature distribution of the strip rolling process of roll, the roll surface temperature in real-time detection with infrared temperature measurement device which is online detection, thus more timely and accurate control roller subsection cooling water flow, so that the process performance of roll cooling can be optimized; and analyzing the arrangement position of temperature measuring device, ultimately determine a reasonable installation position.

Roll Temperature field Infrared temperature measuring device Cooling

寧浩森，男，1981年出生，畢業(yè)于大連理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)，碩士，工程師

TG333.17

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.04.006

2014-03-15)