淺談冷軋機邊部電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)

黃基彬，盧 杰

（中鋁瑞閩股份有限公司，福建福州 350000）

0 引言

隨著科技發(fā)展，電磁感應(yīng)加熱技術(shù)越來越成熟，邊部電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)應(yīng)運而生，利用電磁感應(yīng)對冷軋機的工作輥邊部進行加熱成了現(xiàn)代企業(yè)的首選。該系統(tǒng)彌補了邊部熱噴的缺點，加熱效率明顯提高，電能消耗大大降低，基本上解決了板形緊邊缺陷。電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的應(yīng)用，提高了冷軋機生產(chǎn)速度同時降低了生產(chǎn)成本，對冷軋機的提速增效起到舉重輕重的作用，越來越廣泛的被接受和使用。本文以某企業(yè)1850 mm冷軋機邊部加熱系統(tǒng)技術(shù)改造為例，闡述了各部分組成及控制原理。

1 電磁感應(yīng)加熱原理介紹

電磁感應(yīng)技術(shù)建立的基礎(chǔ)是法拉第感應(yīng)定律。電磁感應(yīng)加熱原理是利用高頻的交變電流在通過線圈時產(chǎn)生磁場，交變磁場在通過金屬工件時產(chǎn)生渦流，在金屬內(nèi)部產(chǎn)生焦耳熱，金屬件的溫度就會升高，完成一個自發(fā)發(fā)熱的過程。電磁感應(yīng)加熱利用電流做功，將電能轉(zhuǎn)化為被加熱體的內(nèi)能，使被加熱件溫度升高，從而達(dá)到快速加熱的目的。在冷軋機中，工作輥主要是由鉻、鋼等金屬材料構(gòu)成的，當(dāng)磁場通過時將會在工作輥上產(chǎn)生渦流，使工作輥溫度升高，實現(xiàn)對工作輥進行加熱的效果。

2 邊部電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)組成

由于冷軋機生產(chǎn)存在以下特點：①生產(chǎn)時需要經(jīng)常換輥，且每對輥的輥徑是變化的；②冷軋機生產(chǎn)的帶材寬度不是固定的，不同產(chǎn)品寬度不一樣。要實現(xiàn)對工作輥與帶材邊部接觸的區(qū)域進行加熱，邊部電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)必須是位置可控的，因此邊部電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)主要由感應(yīng)加熱系統(tǒng)及移位系統(tǒng)構(gòu)成。

加熱系統(tǒng)主要功能就是對工作輥進行加熱，加熱系統(tǒng)由冷軋機的MCC 柜提供三相380 V 電源，系統(tǒng)安裝有容量為45 kVA的變壓器，該變壓器將輸入的三相380 V 電壓轉(zhuǎn)化為三相220 V的電壓。為加熱柜提供工作電源。加熱系統(tǒng)主要由控制器、電源模塊、加熱頭、利茲電纜及冷卻系統(tǒng)構(gòu)成（圖1），控制器主要用于控制加熱器的通斷與功率大小。電源模塊具備功率可調(diào)功能，其功率最大為12 kW，可在0～100%之間調(diào)節(jié)。加熱頭是由特殊線圈構(gòu)成，通過交變電流后會產(chǎn)生磁場，加熱頭有效加熱寬度為30 mm。利茲電纜是由多股互相絕緣的利茲線組成的一種特制電纜，用于連接電源模塊與加熱頭。冷卻系統(tǒng)包含電源模塊冷卻及加熱頭內(nèi)部冷卻，電源模塊對冷卻要求較高，需要安裝單獨的冷油機進行冷卻，冷油機溫度設(shè)定約20 ℃，工作時電源模塊發(fā)熱量大，經(jīng)過冷卻后的溫度仍可達(dá)到45～50 ℃。加熱頭內(nèi)部直接采用溫度約35 ℃的軋制油進行冷卻，其內(nèi)部安裝有溫度開關(guān)，當(dāng)溫度達(dá)到限定值時溫度開關(guān)自動斷開停止加熱以保護加熱頭。由于需要對軋輥兩側(cè)同時進行加熱，因此加熱系統(tǒng)含有兩套電源模塊及加熱頭。

圖1 感應(yīng)加熱系統(tǒng)示意

移位系統(tǒng)主要用于控制加熱頭位置，將加熱頭移動到需要加熱的區(qū)域進行加熱。主要由安裝基座、防爆伺服電機及伺服控制系統(tǒng)構(gòu)成（圖2）?；惭b于冷軋機下出口側(cè)，固定于冷軋機牌坊上，主要作為兩套加熱頭和移位系統(tǒng)的承載體。伺服電機用于驅(qū)動加熱頭往工作輥橫向方向運動（下文稱為橫向電機），伺服電機用于驅(qū)動加熱頭往工作輥徑向方向運動（下文稱為徑向電機），橫向電機與徑向電機兩套分別沿冷軋機縱向中心線呈對稱分布，分別控制兩側(cè)加熱頭的位置。伺服控制系統(tǒng)用于控制4臺伺服電機的運動，控制精度可達(dá)到0.1 mm。由于冷軋機存在斷帶起火的特殊工況，軋機本體內(nèi)的橫向伺服電機和徑向伺服電機均為防爆伺服電機[3]。

圖2 移位系統(tǒng)示意

3 邊部電磁感應(yīng)加熱控制方法

電磁感應(yīng)加熱需要對工作輥邊部區(qū)域進行加熱，并且加熱頭與工作輥輥面的距離需要在3～5 mm 加熱效果較好，在軋制過程中還需要根據(jù)軋制帶材的板形情況調(diào)整功率，這些操作如需操作人員手動操作，一方面增加了操作人員工作量，另一方面人為控制存在滯后、判斷不準(zhǔn)等問題。因此邊部電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)必須全自動控制。

3.1 橫向電機控制原理

軋制的帶材寬度并非固定不變，因此加熱頭需要根據(jù)帶材的寬度進行移動。圖3 中，W 為軋制帶材的寬度，其范圍為1000～1750 mm，S 為兩個加熱頭在零位時的距離，其固定距離為1000 mm，加熱頭通過給定位置L（L′）可由圖2 中的橫向電機進行驅(qū)動，由零位F（F′）移動到目標(biāo)位置G（G′）。根據(jù)圖3 的原理圖可知L=L′=。

圖3 橫向電機控制原理

3.2 徑向電機控制原理

冷軋機在生產(chǎn)過程中，由于工作輥本身缺陷或工藝需求，需要進行換輥，更換新的工作輥之后輥徑會發(fā)生變化，而加熱頭工作時需要保證與下工作輥的輥面距離保持3～5 mm，因此每次換輥之后加熱頭的位置都要隨工作輥輥徑變化而發(fā)生改變。

徑向電機是用來控制加熱頭與輥面的距離，其工作原理如圖4 所示。其中，Y 為加熱頭零位位置時與工作輥中心線的距離，該距離為一個固定值；D 為工作輥的直徑，范圍為400～440 mm；M為加熱頭的有效感應(yīng)距離，范圍為3～5 mm 時電磁感應(yīng)加熱效果最佳；X 為加熱頭徑向給定目標(biāo)位置，將加熱頭由位置H 沿徑向移動到H′，實現(xiàn)加熱頭與工作輥輥面距離為3～5 mm。根據(jù)圖4 可知，X=。

圖4 徑向電機控制原理

3.3 加熱頭功率控制原理

冷軋機的出口側(cè)安裝有板形輥，板形輥共有34 個區(qū)，每個區(qū)寬度52 mm，可單獨檢測到帶材壓在該區(qū)的單位應(yīng)力值，帶材的緊邊程度可通過板形系統(tǒng)進行顯示（圖5）。在生產(chǎn)過程中，由于帶材的緊邊程度會隨著軋輥溫度變化，因此在生產(chǎn)過程中加熱頭的功率需要根據(jù)板形緊邊情況進行自動控制，以實現(xiàn)閉環(huán)控制，避免人為操作的滯后性和不準(zhǔn)確性。

加熱頭功率控制原理如圖5 所示，根據(jù)帶材寬度可計算出軋制時帶材兩側(cè)邊部壓在板形輥的最邊區(qū)以及相鄰區(qū)，通過PLC 可在程序中采集到最邊區(qū)和相鄰區(qū)的板型單位應(yīng)力值P、Q、R、T，則兩側(cè)帶材的緊邊系數(shù)分別為。圖2 中的兩側(cè)加熱頭的初始功率設(shè)定為50%，當(dāng)加熱頭投入使用后分別根據(jù)帶材的緊邊系數(shù)進行自動調(diào)節(jié)，當(dāng)帶材的緊邊系數(shù)連續(xù)10 s 大于1.2 時，加熱頭的功率在原基礎(chǔ)上自動增加10%；當(dāng)帶材的緊邊系數(shù)連續(xù)10 s 小于1.0 時，加熱頭的功率在原基礎(chǔ)上自動減小10%，加熱頭的功率范圍為0～100%。根據(jù)使用經(jīng)驗，為將帶材的緊邊系數(shù)控制在1.0～1.2，加熱頭功率基本上穩(wěn)定在30%～90%，有效改善帶材緊邊問題。

圖5 加熱功率控制原理

4 結(jié)論

電磁感應(yīng)加熱是現(xiàn)今工業(yè)領(lǐng)域和民用設(shè)備中最廣泛的加熱方式之一，電磁感應(yīng)加熱杜絕了明火在加熱過程中的危害和干擾，采用電磁場在被加熱夠工件表面形成渦流的方式來加熱，是一種國家提倡的環(huán)保加熱方案。通過介紹1850 mm 冷軋機邊部電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)的硬件組成以及移位系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)的自動控制原理，生產(chǎn)時可實現(xiàn)全自動控制，無需操作工干預(yù)，為其他企業(yè)提供借鑒。