一种智能轧辊在线温控系统

摘要

本发明公开了一种智能轧辊在线温控系统，包括无线工控系统、内嵌式轧辊和多功能装配体，本发明根据当前轧制参数和特定工艺要求，利用工控系统的温控模型在线优化电热信号序列，并以无线方式传输至多功能装配体，进而实现内嵌组合式轧辊横向温度及局部热膨胀的精细定量控制，以获得不同曲线形式的热辊缝形状，显著提高带材轧制过程的热辊效率和辊缝稳定性。

权利要求

1.一种智能轧辊在线温控系统，其特征在于，包括无线工控系统（1）、内嵌式轧辊（2）、多功能装配体（3）和通讯板卡（25），所述通讯板卡（25）通过螺钉固定设置在轴承端盖（29）内侧，所述通讯板卡（25）与所述无线工控系统（1）进行即时通讯，所述无线工控系统（1）通过内置的工控机（4）、第一无线收发器（5）、第二无线收发器（6）、第三无线收发器（7）分别完成轧制参数、精冷参数和电热信号序列的发送和接收过程，同时利用温控模型优化调整电热信号序列，继而以无线方式将其传输至多功能装配体（3）；

所述内嵌式轧辊（2）包括左轴头（8）、主辊体（9）、导热组件（10）、右轴头（11）及轴头组件（14），轴头组件（14）用螺钉固定在右轴头（11）的右端面，左轴头（8）、导热组件（10）、右轴头（11）采用过盈装配，装配时先加热主辊体（9）再依次装配导热组件（10）、右轴头（11）、左轴头（8），通过螺钉将左轴头（8）和右轴头（11）固定在主辊体（9）上；在所述内嵌式轧辊（2）的内部依次镶嵌不同数量的导热组件（10）；所述内嵌式轧辊（2）根据无线工控系统（1）设定的电热信号序列，利用轴头组件（14）精确控制轧辊横向不同位置处的各导热组件（10）的瞬态温度，从而实现轧辊横向不同位置局部热膨胀或横向热辊缝的精确在线控制；

所述多功能装配体（3）包括轴承座（12）、轴承（13）、端盖组件（15），所述轴承（13）与所述轴承座（12）过盈装配，通过绝缘顶环（30）顶住所述轴承（13），通过沉头螺钉将绝缘顶环（30）固定在轴承座（12）上，所述轴承端盖（29）通过螺钉固定在所述绝缘顶环（30）上，所述端盖组件（15）中的第四无线收发器（26）用于接收无线工控系统（1）的电热信号序列，然后将其传输至所述轴头组件（14），同时以无线方式发送温度信号序列至无线工控系统（1），从而完成在线轧辊的闭环温控过程。

2.根据权利要求1所述的一种智能轧辊在线温控系统，其特征在于，所述导热组件（10）包括绝缘环件（16）、多芯线缆（17）、线圈骨架（18）、电阻线圈（19）、导热环（20）和温度传感器（21），其中，所述绝缘环件（16）用于隔离相邻组件的热量传递；所述多芯线缆（17）穿过所述线圈骨架（18）内孔传递高能电流至电阻线圈（19），同时采集所述温度传感器（21）的温度信号；所述电阻线圈（19）缠绕在所述线圈骨架（18）上，通电时的电阻线圈（19）根据电流值产生相应的电阻热，并通过所述导热环（20）实现热量的快速导热从而改变轧辊的瞬时温度和局部热膨胀。

3.根据权利要求2所述的一种智能轧辊在线温控系统，其特征在于，所述轴头组件（14）包括滑环（22）、滑环架（23）和导电板卡（24），其中所述滑环架（23）上固定滑环（22）和导电板卡（24），多芯线缆（17）穿过内孔后通过滑环（22）与端盖组件（15）上的碳刷（28）相连接并进行传输电流信号序列和温度信号序列。

4.根据权利要求3所述的一种智能轧辊在线温控系统，其特征在于，所述端盖组件（15）还包括导电线缆（27）、碳刷（28），所述导电线缆（27）穿过所述轴承端盖（29）内孔并通过所述碳刷（28）与所述滑环（22）连接并用于稳定传输高能电流信号序列和温度信号序列。

5.根据权利要求1所述的一种智能轧辊在线温控系统，其特征在于，所述电热信号序列的初始值根据轧制工艺要求在线设定，以获得满足特定辊缝形状的初始热辊缝形状。

说明书

一种智能轧辊在线温控系统

技术领域

[0001] 本发明涉及带材轧制设备的自动化测控领域，尤其涉及到一种智能轧辊在线温控系统，适用于高等级带钢、铝带、铜带等带材产品轧制过程中轧辊温度及其热膨胀量的在线智能调控。

背景技术

[0002] 随着现代轧制技术的快速发展，陆续出现了不同样式的轧机机型，如HC、CVC、PC等系列轧机。无论哪种机型，最终目的都是通过调整轧制过程中负载辊缝的横向规律，达到改善辊系受力状态及带材截面形状的目的，进而解决带材浪形缺陷、局部高点、边缘降或边部减薄等工程问题。

[0003] 在生产过程中，能够有效改变负载辊缝的在线手段多种多样，其中最常见的如倾辊、弯辊、轧辊横移、辊系交叉和分段冷却这几种。对于前四种调控手段，属于传统的机械型运动方式，特点是调控响应快，辊缝改变明显，最为常用，相关数学模型和工程技术也基本成熟，但是对于越来越宽越来越薄的大宽厚比带材来说，局部浪形异常突出，机械型手段调控范围受限，对这类局部浪形或细微隐性缺陷的改善效果有限。对于分段冷却来说，属于典型的柔性控制方式，各冷却单元相对独立，调控效果空间很大，尤其适合局部浪形或细微缺陷的精细调整，但是因其需要通过改变轧辊的热膨胀量来改变辊缝形状，具有明显的时间滞后特性和温控参数的不确定性，需要准确获得辊缝热源状态、导热特性和温度演变规律，在轧制过程中，受空冷、水冷、接触导热以及辐射等周期性动态边界条件的耦合影响非常明显，导致很多情况下温度分布处于不均匀或不稳定的状态，这在很大程度上影响了分段冷却的建模精度和应用效果。

[0004] 综合来看，随着冷轧带材日趋更宽更薄、更特更专，工业中对其尺寸精度和表面质量的指标要求也越来越高，这就对轧机的调控手段提出了更苛刻的要求。目前，尽管机械型的调控手段能够解决大多数的典型板形问题，但是对于细微的局部浪形和细微隐性缺陷的控制，调控效果并不好。而分段冷却不仅可以配合机械型调控方式改善宏观复合浪形的调控效果，而且运用得当，还能够对复杂局部浪、隐性板形缺陷以及带钢表面质量实施精细微调。

[0005] 然而，受边界条件、时滞特性、监测仪表及相关温控数学模型等因素的限制，温控参数难以检测和定量控制，导致分段冷却很难达到立竿见影的调控效果，并没有达到其理想状态，功能受限或高配低用。目前，绝大多数轧机没有或很少配置分段冷却的原因就在于此，且大多数分段冷却在实质上依旧是定性粗调而非定量精调，这在很大程度上限制了分段冷却的工程化进程。总体来看，实现分段冷却的效果最大化或精细定量调控，最关键的是其高精度温控模型构建和在线温控装置研制两个方面，其中高精度温控模型是基础，在线温控装置是关键，两者缺一不可。

[0006] 无论是高精度温控模型还是在线温控装置，轧制过程中在线轧辊温度分布的准确检测和控制非常关键，不仅直接影响边界条件和导热参数的变化，而且间接影响负载辊缝的横向形状。传统的轧辊温控过程，主要是根据测量的离线轧辊温度来估计在线温度分布状况，然后通过冷却介质改变轧辊热膨胀量，达到调整轧辊热辊型的目的。然而，这种方式通常有两个问题，一是边界条件动态变化，瞬态温度分布难以准确估计和实时检测，影响温控模型的计算精度，容易与实际温度分布出现较大偏差；二是轧辊升温或降温慢，热膨胀量变化缓慢，与机械类调控方式，响应严重滞后，调整周期过长，理想的热辊型条件难以满足。

发明内容

[0007] 针对上述提高分段冷却的应用效果和工程化进程，实现在线轧辊局部热膨胀量的精细控制的技术问题，本发明的目的在于提供一种智能轧辊在线温控系统，通过无线工控系统和多功能装配体等部件，快速改变内嵌式轧辊内部导热组件的瞬时温度，达到在线动态调整轧辊横向不同位置局部热膨胀量的目的。

[0008] 为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：

[0009] 一种智能轧辊在线温控系统，其特征在于，包括无线工控系统、内嵌式轧辊、多功能装配体和通讯板卡，所述通讯板卡通过螺钉固定设置在轴承端盖内侧，所述通讯板卡与所述无线工控系统进行即时通讯，所述无线工控系统通过内置的工控机、第一无线收发器、第二无线收发器、第三无线收发器分别完成轧制参数、精冷参数和电热信号序列的发送和接收过程，同时利用温控模型优化调整电热信号序列，继而以无线方式将其传输至多功能装配体；

[0010] 所述内嵌式轧辊包括左轴头、主辊体、导热组件、右轴头及轴头组件，轴头组件用螺钉固定在右轴头的右端面，左轴头、导热组件、右轴头采用过盈装配，装配时先加热主辊体再依次装配导热组件、右轴头、左轴头，通过螺钉将左轴头和右轴头固定在主辊体上；在所述内嵌式轧辊的内部依次镶嵌不同数量的导热组件；所述内嵌式轧辊根据无线工控系统设定的电热信号序列，利用轴头组件精确控制轧辊横向不同位置处的各导热组件的瞬态温度，从而实现轧辊横向不同位置局部热膨胀或横向热辊缝的精确在线控制；

[0011] 所述多功能装配体包括轴承座、轴承、端盖组件，所述轴承与所述轴承座过盈装配，通过绝缘顶环顶住所述轴承，通过沉头螺钉将绝缘顶环固定在轴承座上，所述轴承端盖通过螺钉固定在所述绝缘顶环上，所述端盖组件中的第四无线收发器用于接收无线工控系统的电热信号序列，然后将其传输至所述轴头组件，同时以无线方式发送温度序列信号至无线工控系统，从而完成在线轧辊的闭环温控过程。

[0012] 上述技术方案中，所述导热组件包括绝缘环件、多芯线缆、线圈骨架、电阻线圈、导热环和温度传感器，其中，所述绝缘环件用于隔离相邻组件的热量传递；所述多芯线缆穿过所述线圈骨架内孔传递高能电流至电阻线圈，同时采集所述温度传感器的温度信号；所述电阻线圈缠绕在所述线圈骨架上，通电时的电阻线圈根据电流值产生相应的电阻热，并通过所述导热环实现热量的快速导热从而改变轧辊的瞬时温度和局部热膨胀。

[0013] 上述技术方案中，所述轴头组件包括滑环、滑环架和导电板卡，其中所述滑环架上固定滑环和导电板卡，多芯线缆穿过内孔后通过滑环与端盖组件上的碳刷相连接并进行传输电流信号序列和温度信号序列。

[0014] 上述技术方案中，所述端盖组件还包括导电线缆、碳刷，所述导电线缆穿过所述轴承端盖内孔并通过所述碳刷与所述滑环连接并用于稳定传输高能电流信号序列和温度信号序列。

[0015] 上述技术方案中，所述电热信号序列的初始值根据轧制工艺要求在线设定，以获得满足特定辊缝形状的初始热辊缝形状。

[0016] 本发明与现有技术相比，具有如下优点：

[0017] 本发明在线温控系统可根据当前轧制工况和工艺要求，精细调整轧辊横向不同位置处的局部温度和热膨胀量，同时还可根据负载辊缝形状或轧制前后横向厚差变化情况，快速获得满足特定工艺要求的在线热辊型，另外还可以大大缩短轧机热辊周期。

附图说明

[0018] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

[0019] 图1为智能轧辊温控过程示意图；

[0020] 图2为无线工控系统示意图；

[0021] 图3-1为内嵌式轧辊内部结构示意图；

[0022] 图3-2为左轴头结构示意图；

[0023] 图4-1为电阻导热组件示意图；

[0024] 图4-2为线圈骨架示意图；

[0025] 图4-3为绝缘环件示意图；

[0026] 图4-4为导热环示意图；

[0027] 图5为多功能装配体结构示意图；

[0028] 图6为电热信号序列示意图；

[0029] 图中，各部件编号：1-无线工控系统；2-内嵌式轧辊；3-多功能装配体；4-工控机；5-第一无线收发器；6-第二无线收发器；7-第三无线收发器；8-左轴头；9-主辊体；10-导热组件；11-右轴头；12-轴承座；13-轴承；14-轴头组件；15-端盖组件；16-绝缘环件；17-多芯线缆；18-线圈骨架；19-电阻线圈；20-导热环；21-温度传感器；22-滑环；23-滑环架；24-导电板卡；25-通讯板卡；26-第四无线收发器；27-导电线缆；28-碳刷；29-轴承端盖；30-绝缘顶环。

具体实施方式

[0030] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

[0031] 图1为本发明的一个实施例——智能轧辊温控过程示意图。如图1和图5所示，所述的温控系统包括：无线工控系统1、多功能装配体3、内嵌式轧辊2、通讯板卡25；所述通讯板卡25与所述无线工控系统1进行即时通讯，所述无线工控系统1利用自身的温控模型在线优化电热信号序列，并以无线方式传输至多功能装配体3；所述多功能装配体3接收电热信号序列，同时以无线方式发送温度序列信号；所述内嵌式轧辊2根据设定的电热信号序列，实现自身横向温度及局部热膨胀的精细定量控制，获得不同曲线形式的热辊缝形状，显著提高带材轧制过程的热辊效率和辊缝稳定性。

[0032] 图2为无线工控系统1的示意图。所述无线工控系统1由工控机4、第一无线收发器5、第二无线收发器6和第三无线收发器7组成，分别完成轧制参数、精冷参数和电热信号序列的发送和接收过程，同时利用温控模型优化计算电热信号序列，继而以无线方式将其传输至多功能装配体3。其中，本发明的电热信号序列的初始值根据轧制工艺要求在线设定，以获得满足特定辊缝形状的初始热辊缝形状。

[0033] 图5示出了多功能装配体3的内部结构图，主要由轴承座12、轴承13、端盖组件15组成，轴承13与轴承座12过盈装配，通过绝缘顶环30顶住轴承13，通过沉头螺钉将绝缘顶环30固定在轴承座12上，轴承端盖29通过螺钉固定在绝缘顶环30上。端盖组件15还包括导电线缆27、碳刷28。其中通讯板卡25通过螺钉固定在轴承端盖29上，而轴承端盖29和绝缘顶环30分别通过螺钉与轴承座12连为一体，导电线缆27穿过轴承端盖29内孔，通过碳刷28与滑环22连接，实现高能电流信号序列和温度信号序列的稳定传输。

[0034] 该多功能装配体3的工作过程如下：首先端盖组件15接收无线工控系统1的电热信号序列，然后将其传输至轴头组件14，同时以无线方式发送温度序列信号至无线工控系统1，完成在线轧辊的闭环温控过程。

[0035] 图3-1和图3-2为内嵌式轧辊2内部结构示意图，内嵌式轧辊2主要由左轴头8、主辊体9、不同数量的导热组件10、右轴头11及轴头组件14组成，轴头组件14用螺钉固定在右轴头11的右端面，左轴头8、导热组件10、右轴头11采用过盈装配，装配时先加热主辊体9再依次装配导热组件10、右轴头11、左轴头8，通过螺钉将左轴头8和右轴头11固定在主辊体9上。在内嵌式轧辊2的内部依次镶嵌不同数量的导热组件10，内嵌式轧辊2根据无线工控系统1设定的电热信号序列，利用轴头组件14精确控制轧辊横向不同位置处的各导热组件10的瞬态温度，从而实现轧辊横向不同位置局部热膨胀或横向热辊缝的精确在线控制；其中导热组件10如图4-1、4-2、4-3和4-4所示，由绝缘环件16、多芯线缆17、线圈骨架18、电阻线圈19、导热环20和温度传感器21组成。其中绝缘环件16用于最大限度地隔离相邻组件的热量传递；多芯线缆17穿过线圈骨架18内孔，传递高能电流至电阻线圈19，同时采集温度传感器21的温度信号；电阻线圈19缠绕在线圈骨架18上，通电时电阻线圈19根据电流值产生相应的电阻热，并通过导热环20实现热量的快速导热，从而改变轧辊的瞬时温度和局部热膨胀。其中轴头组件14如图5所示，由滑环22、滑环架23和导电板卡24组成。其中滑环架23上固定滑环22和导电板卡24，多芯线缆17穿过内孔后通过滑环22与端盖组件15上的碳刷28相连接，用于传输电流信号序列和温度信号序列。

[0036] 该内嵌式轧辊2的工作过程如下：导电线缆27与碳刷28连接，碳刷28与滑环22连接，滑环22与多芯线缆17连接，实现高能电流的稳定传输。同时轴头组件14接收到端盖组件15传输的无线工控系统1的电热信号序列。然后根据无线工控系统1设定的电热信号序列，利用轴头组件14的导电板卡24即可在线调节沿轧辊横向均布导电组件10内的电流密度，使得各单元电阻线圈19瞬时获得不同幅值的电阻热，并通过导热环20实现热量的快速导热，从而改变轧辊的瞬时温度和局部热膨胀。同时每个导热组件10中的多芯线缆17采集温度传感器21的温度信号，实现实时监测各单元电阻线圈19的瞬时温度，通过轴头组件14传输给端盖组件15，端盖组件15的第四无线收发器26即时反馈给无线工控系统1，从而实现轧辊局部温度和热辊缝的闭环定量控制。

[0037] 本发明的工作过程如下：

[0038] 首先无线工控系统1接收轧辊温度信号，然后根据轧制规程和温控模型，获得一组电参数序列并通过第三无线收发器7将其发送至多功能装配体3。同时导电线缆27与碳刷28连接，碳刷28与滑环22连接，滑环22与多芯线缆17连接，对内嵌式轧辊2传输稳定的高能电流。根据当前接收的电热信号序列，导电板卡24即可在线调节沿内嵌式轧辊2横向均布导电组件10内的电流密度，使得各单元电阻线圈19瞬时获得不同幅值的电阻热，进而快速改变内嵌式轧辊2横向不同位置的局部热膨胀量，或者根据辊缝形状要求或轧制前后带材横向厚差变化，获得满足特定技术要求的在线热辊型曲线。

[0039] 在加热过程中，利用导热组件10内部镶嵌的温度传感器21，实时监测各单元电阻线圈19的瞬时温度，同时即时反馈给无线工控系统1。无线工控系统1再根据当前参数，重新计算当前工况的最优电热信号序列，并将最优电热信号序列再次回传至多功能装配体3。导电板卡24根据新的电参数变化，精细调整内嵌式轧辊2内部各单元电阻线圈19的电阻热，从而构成一个完整的闭环温控周期。

[0040] 最终实现内嵌式轧辊2横向温度及局部热膨胀的精细定量控制，获得不同曲线形式的热辊缝形状，显著提高带材轧制过程的热辊效率和辊缝稳定性。

[0041] 虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。