淺議太鋼冷軋廠10號軋機(jī)測厚儀國產(chǎn)化替代

蘇智

（太原鋼鐵公司，山西 太原 030008）

改造介紹：冷軋帶鋼測厚儀是應(yīng)用在我廠不銹鋼冷軋機(jī)組的一種測量帶鋼厚度的設(shè)備。10#軋機(jī)測厚儀存在著諸多的問題。

10#軋機(jī)是世界上第一臺2100mm寬厚板冷軋機(jī)，為滿足不同客戶的需求，來料厚度和成品厚度范圍跨度非常大（0.4～14mm),其配備的比利時IRM公司的測厚儀采用將測量厚度區(qū)間分為三段，每段用不同的增益補(bǔ)償系數(shù)控制厚度曲線，這樣容易造成軋制過程中同一卷帶鋼，特別是軋制到成品道次時，會出現(xiàn)兩種不同的補(bǔ)償系數(shù)的切換，導(dǎo)致成品厚度出現(xiàn)異常波動。軋制目標(biāo)厚度為5mm以下的鋼帶時，測厚儀控制精度無法保證同一道次頭、尾、中間段測量厚度一致，達(dá)不到內(nèi)控要求（20um)，造成改軋卷較多，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量和客戶滿意度。項目改造迫在眉睫。通過前期的學(xué)習(xí)、分析研究和工廠實驗，不斷征求測厚儀方面專家的意見，最終我們設(shè)計出了新型的測厚儀射線管和高壓電源控制方案，并于2017年5月率先完成了10#軋機(jī)的測厚儀的技術(shù)改造，全部采用國產(chǎn)設(shè)備，兩套測厚儀項目總價不及原先一只進(jìn)口射線管的采購價。測厚儀改造完成后運行穩(wěn)定，迄今為止零故障率，測量精度大幅提高，因厚度不達(dá)標(biāo)和設(shè)備故障造成的虛產(chǎn)卷大幅減少，實現(xiàn)了用國產(chǎn)設(shè)備對進(jìn)口設(shè)備的完美替代，極大地提高了機(jī)組的運行效率，提升了產(chǎn)品質(zhì)量，在降本增效方面起到了顯著作用。

1 X射線測厚儀簡介

X射線源和探頭位于被測帶材兩側(cè)，射線穿過帶材強(qiáng)度產(chǎn)生衰減，依據(jù)衰減的強(qiáng)度從而計算出被測帶材的厚度。

式中，IO為空載射線能量，即被測物厚度為零時(穿透被測物之前)的射線能量，I為存在被測物時(穿透被測物后)的射線能量；u為線性衰減系數(shù)；x為被測物厚度。

X射線管由陰極和陽極兩部分組成，位于陰極的鎢絲被通電加熱到一定溫度產(chǎn)生大量的電子，在極間千伏級高壓的強(qiáng)電場下，電子加速從陰極高速撞擊到陽極的靶材產(chǎn)生X射線。

2 技術(shù)難點及創(chuàng)新方案

2.1 射線管高壓控制方式

圖1

原有測厚儀的陽極高壓固定不可調(diào)。X射線測厚儀是依據(jù)射線的穿透原理來測量厚度的。如使用高能量去測量較薄的鋼板時，因為本身能量很強(qiáng)，射線本身穿透力強(qiáng)，反而不能很好區(qū)分厚度變化，同理，使用低能量去測量比較厚的鋼板，射線本身穿透力弱，也不能很好地區(qū)分厚板厚度的微弱變化。面對10#軋機(jī)0.4～14mm極寬的測量范圍，舊有測厚儀無法用同一組補(bǔ)償系數(shù)全范圍測量精確達(dá)標(biāo)，生產(chǎn)不同厚度范圍產(chǎn)品時，需要維護(hù)人員頻繁修正補(bǔ)償系數(shù)，同時嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的厚度控制質(zhì)量。

我們的解決方案如下：（1）采用多段式電壓控制方式控制陽極電壓，不同電壓對應(yīng)不同的厚度范圍。我們將厚度范圍再細(xì)分為0.4～3mm、3～9mm、9～14mm三個區(qū)間段，分別對應(yīng)75kV、100kV和120kV，系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)厚度的變化而自動選擇陽極電壓，能更加準(zhǔn)確地區(qū)分測量厚度的變化，進(jìn)而提高測量精度。（2）將射線管材質(zhì)由金屬陶瓷管替換為玻璃管。由于陽極電壓的可調(diào)，大幅降低了射線管的工作負(fù)荷，允許我們在射線管材質(zhì)方面有更多選擇。玻璃管散熱性能較好，便于維護(hù)，同時，造價僅為金屬陶瓷管的1/5，更為經(jīng)濟(jì)節(jié)約，性價比高。（3）為什么要用多大的電壓測多厚的料？靈敏度是關(guān)鍵，最佳效果是測厚儀測量的實際厚度越接近目標(biāo)厚度而且越穩(wěn)定越好，偏差的波動范圍表示穩(wěn)定性，當(dāng)實際帶鋼厚度變化時，通過帶鋼后的X射線在電離室電離出的電壓值經(jīng)過校準(zhǔn)后同厚度呈現(xiàn)線性變化，這是最佳的測量。

靈敏度高的意思是被測帶鋼厚度有波動時，測厚儀電離室產(chǎn)生的電壓波動足夠大，以致修正后程明顯線性關(guān)系線性系數(shù)如果能在1～2最好。

推導(dǎo)公式如下：

以上三個公式可推導(dǎo)出三點：

（1）靈敏度同無帶鋼時的電離室反饋電壓信號程線性關(guān)系。（2）帶鋼厚度越厚穿過的電子越少，電離室電離的電壓越小是程指數(shù)衰減關(guān)系。（3）在額定電壓下，靈敏度存在最佳點u.x=1，在0.4～12mm我們調(diào)整高壓范圍使得當(dāng)ux的取值范圍在1～2時測厚儀能夠測量線性表現(xiàn)最佳。最終，通過大量的實驗數(shù)據(jù)，我們確定了各厚度區(qū)間射線電壓的最優(yōu)值。

表1

我們采用了一種實時可變電壓技術(shù)，通過動態(tài)調(diào)射線管節(jié)電壓來使得在電壓厚度合適的范圍內(nèi)自動切換電壓，每一道次結(jié)束后二級系統(tǒng)發(fā)送目標(biāo)厚度，測厚儀接收到目標(biāo)厚度后檢測是都在當(dāng)前合適范圍，如果在就不調(diào)節(jié)電壓，如果不在則按照設(shè)定厚度調(diào)節(jié)射線管電壓，在下一道次起步時已經(jīng)切換完畢，可以測量下一道次數(shù)據(jù)。

2.2 冷卻系統(tǒng)

原有測厚儀冷卻方式采用的是油冷系統(tǒng)。由于不是密閉系統(tǒng)，冷凝器（類似空調(diào)壓縮機(jī)）中會產(chǎn)生一定的冷凝水，冷凝水可能吸附在陽極靶材上造成陽極絕緣水平下降，進(jìn)而導(dǎo)致射線管燈絲或高壓電源的短路。改造后的測厚儀X射線管是水冷系統(tǒng)直接解決了油冷冷凝水乳化的問題。

3 10#軋機(jī)改造前后關(guān)鍵指標(biāo)比較

（1）測量厚度偏差對比，見圖2。（2）故障率及虛產(chǎn)，見表2。

圖2 10#軋機(jī)厚度測量偏差改造前后對比

表2 10#軋機(jī)故障率及虛產(chǎn)改造前后比較

4 結(jié)語

采用自主設(shè)計定制的國產(chǎn)測厚儀設(shè)備完美替代進(jìn)口設(shè)備后穩(wěn)定運行，這樣的信息在國內(nèi)工控領(lǐng)域引起了很大的反響，同業(yè)單位給予了高度稱贊并紛紛咨詢，對太鋼的技術(shù)創(chuàng)新能力創(chuàng)造了良好的聲譽(yù)，同時，也對國產(chǎn)測厚儀設(shè)備在國內(nèi)市場的應(yīng)用和推廣起到了很好的示范和推動作用，有助于我國企業(yè)擺脫對國外產(chǎn)品的依賴。