氣墊式爐輥、基于該爐輥的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)及其應(yīng)用
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種氣墊式爐輥，其包括：輥套，所述輥套內(nèi)設(shè)有四個(gè)形狀相同的弧形氣墊，四個(gè)所述的弧形氣墊組合成一個(gè)與輥套同心的圓形，所述弧形氣墊內(nèi)包括進(jìn)氣室，所述進(jìn)氣室由內(nèi)向外依次設(shè)置有進(jìn)氣室內(nèi)壁和進(jìn)氣室外壁，所述進(jìn)氣室內(nèi)壁上設(shè)有進(jìn)氣口，所述進(jìn)氣室外壁的外側(cè)均布有若干氣墊模塊，所述氣墊模塊包括兩個(gè)對(duì)稱(chēng)設(shè)置于進(jìn)氣室外壁外側(cè)的擋片，以及一個(gè)設(shè)置于兩個(gè)所述擋片之間的墊塊，所述擋片分別與輥套的內(nèi)壁留有相同的間距，兩個(gè)所述擋片之間的進(jìn)氣室外壁上設(shè)有一個(gè)氣孔。本發(fā)明利用氣墊產(chǎn)生的壓力來(lái)懸浮爐輥的輥套，減少了爐輥對(duì)帶鋼表面的劃傷?？蓱?yīng)用在熱鍍鋅和連續(xù)退火機(jī)組，來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)表面質(zhì)量越來(lái)越高的要求。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
氣墊式爐輥、基于該爐輥的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)及其應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)閹т撋a(chǎn)，特別是在熱鍍鋅和連續(xù)退火領(lǐng)域，有廣泛的應(yīng)用。 其技術(shù)主要運(yùn)用了帶鋼生產(chǎn)工藝、自動(dòng)控制、流體動(dòng)力學(xué)、材料科學(xué)等。
【背景技術(shù)】
[0002] 生產(chǎn)連續(xù)化在當(dāng)今冷乳帶鋼生產(chǎn)領(lǐng)域隨處可見(jiàn)。比如，連續(xù)式乳機(jī)、連續(xù)式酸洗、 連續(xù)式退火、連續(xù)式熱鍍鋅、連續(xù)式彩涂等等，以及它們之間的相互聯(lián)合。
[0003] 連續(xù)式生產(chǎn)具有生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好且穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。然而，帶鋼在連續(xù)運(yùn)行過(guò) 程中，由于受到多種因素影響，會(huì)出現(xiàn)許多問(wèn)題，比如，輥?zhàn)影惭b精度不好會(huì)使帶鋼跑偏、爐 內(nèi)熱瓢曲會(huì)使帶鋼斷帶、快速冷卻會(huì)使帶鋼劇烈振動(dòng)、帶鋼表面與輥?zhàn)咏佑|而產(chǎn)生的劃傷 等。
[0004] 特別是在連續(xù)退火機(jī)組，由于爐輥多、溫度高、張力小等特點(diǎn)，使得帶鋼與輥面因 相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生劃傷的幾率很高。這是一個(gè)難以解決的問(wèn)題。
[0005] 連續(xù)退火中的輥?zhàn)訐?jù)其功能不同有許多種類(lèi)，比如張力輥、穩(wěn)定輥、轉(zhuǎn)向輥等等， 但從其轉(zhuǎn)動(dòng)形式可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是主動(dòng)輥，另外一類(lèi)是被動(dòng)輥。對(duì)于前者，如果驅(qū)動(dòng)馬 達(dá)與帶鋼運(yùn)行不同步，表面就會(huì)產(chǎn)生擦傷；對(duì)于后者，如果張力小、輥?zhàn)討T性大，在機(jī)組加減 速時(shí)，也存在劃傷的可能。
[0006] 在連續(xù)退火爐中，現(xiàn)有解決帶鋼表面劃傷的方法是采用氣墊技術(shù)（氣墊爐），如圖 1所示。帶鋼上下表面分別布置上風(fēng)箱1和下風(fēng)箱2,由于上風(fēng)箱和下風(fēng)箱存在壓力差，抵 消了帶鋼的重力，從而使帶鋼懸浮而不與輥面接觸。但這種懸浮帶鋼的方法，存在許多局限 性，比如，帶速不高、只能水平（臥式）布置、帶材容易跑偏等。
[0007] 為了將氣墊技術(shù)應(yīng)用到立式連續(xù)退火爐，日本專(zhuān)利"Floating Supporting Device For Changing Over Direction Of Traveling Steel Strip (PN 62-139832)"提出 了一種漂浮轉(zhuǎn)向器，帶鋼受到三個(gè)氣墊共同支撐，每個(gè)氣墊的氣壓分別通過(guò)進(jìn)氣孔控制，只 要?dú)鈮号c帶鋼張力匹配，就能將帶鋼轉(zhuǎn)向180度。該方法雖然取消了轉(zhuǎn)向輥，從而避免了接 觸，但工業(yè)上很難實(shí)現(xiàn)：一是帶鋼本身并不理想，它有板形等問(wèn)題，這使得氣墊壓力非常不 穩(wěn)定，如果板形不好時(shí)，很容易擦傷帶鋼；二是為了避免擦傷帶鋼，氣墊厚度不能太小，這樣 風(fēng)量就需要非常大，造成效率不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于提供一種氣墊式爐輥、基于該爐輥的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)及其應(yīng) 用，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題。
[0009] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0010] -種氣墊式爐輥，包括：輥套，所述輥套內(nèi)設(shè)有四個(gè)形狀相同的弧形氣墊，四個(gè)所 述的弧形氣墊組合成一個(gè)與輥套同心的圓形，所述弧形氣墊內(nèi)包括進(jìn)氣室，所述進(jìn)氣室由 內(nèi)向外依次設(shè)置有進(jìn)氣室內(nèi)壁和進(jìn)氣室外壁，所述進(jìn)氣室內(nèi)壁上設(shè)有進(jìn)氣口，所述進(jìn)氣室 外壁的外側(cè)均布有若干氣墊模塊，所述氣墊模塊包括兩個(gè)對(duì)稱(chēng)設(shè)置于進(jìn)氣室外壁外側(cè)的擋 片，以及一個(gè)設(shè)置于兩個(gè)所述擋片之間的墊塊，所述擋片分別與輥套的內(nèi)壁留有相同的間 距，兩個(gè)所述擋片之間的進(jìn)氣室外壁上設(shè)有一個(gè)氣孔。
[0011] 作為優(yōu)選方案，所述氣墊模塊的數(shù)量為四個(gè)或五個(gè)。
[0012] 作為優(yōu)選方案，所述擋片均為折線(xiàn)形，且兩個(gè)擋片互呈鏡像對(duì)稱(chēng)。
[0013] -種基于本發(fā)明所述氣墊式爐輥的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，其包括：
[0014] 氣墊式爐輥，
[0015] 懸掛在所述氣墊式爐輥的正上方或正下方，用于監(jiān)測(cè)氣墊式爐輥位移的位移傳感 器，
[0016] 為所述氣墊式爐輥進(jìn)行充氣的氣墊風(fēng)機(jī)；
[0017] 以及用于控制所述氣墊風(fēng)機(jī)的控制器。
[0018] 作為優(yōu)選方案，所述位移傳感器為遮光式光柵傳感器。
[0019] -種如本發(fā)明所述的閉環(huán)控制系統(tǒng)在帶鋼生產(chǎn)的加熱段、均熱段和冷卻段中的用 途。
[0020] 作為優(yōu)選方案，所述氣墊式爐輥半封閉地包纏在帶鋼之間。
[0021] 作為優(yōu)選方案，在所述加熱段設(shè)置1個(gè)氣墊式爐輥、所述均熱段設(shè)置7個(gè)氣墊式爐 輥，所述冷卻段設(shè)置1個(gè)氣墊式爐輥。
[0022] 作為進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述均熱段的7個(gè)氣墊式爐輥中，上部為3個(gè)、下部為4個(gè)。
[0023] 本發(fā)明是通過(guò)降低輥?zhàn)討T量和阻尼來(lái)減少機(jī)組在加減速時(shí)劃傷帶鋼表面的可能 性。
[0024] 本發(fā)明的有益效果主要體現(xiàn)在：本發(fā)明利用氣墊產(chǎn)生的壓力來(lái)懸浮爐輥的輥套， 由于大幅度降低了爐輥的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼，從而減少了爐輥對(duì)帶鋼表面的劃傷?？蓱?yīng)用在 熱鍍鋅和連續(xù)退火機(jī)組，來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)表面質(zhì)量越來(lái)越高的要求。
【附圖說(shuō)明】
[0025] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)中氣墊爐的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖2為本發(fā)明中氣墊式爐輥的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖3為本發(fā)明中弧形氣墊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖4為本發(fā)明中氣墊模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029] 圖5為本發(fā)明中氣墊式爐輥與位移傳感器相結(jié)合的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030] 圖6為本發(fā)明中位置閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理框圖；
[0031] 圖7為應(yīng)用了本發(fā)明中位置閉環(huán)控制系統(tǒng)的熱處理機(jī)組的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032] 圖8為圖7中所使用的氣墊式爐輥與位移傳感器的組合示意圖；
[0033] 圖9為圖7中所使用的氣墊式爐輥中的氣墊模塊的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖；
[0034] 圖中：1、上風(fēng)箱；2、下風(fēng)箱；3、氣墊式爐輥；31、輥套；32、弧形氣墊；321、進(jìn)氣室； 322、進(jìn)氣口；323、氣墊模塊；3231、氣孔；3232、擋片；3233、墊塊；4、帶鋼；5、位移傳感器； 61、入口段；62、加熱段；63、均熱段；64、冷卻段；65、出口段；71、頂部爐輥組；72、底部爐輥 組。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 本發(fā)明所提供的一種氣墊式爐輥3的結(jié)構(gòu)如圖2~4所示，輥套31內(nèi)設(shè)有四個(gè)形 狀相同的弧形氣墊32,四個(gè)弧形氣墊32組合成一個(gè)與輥套31同心的圓形，兩個(gè)弧形氣墊 32在上，兩個(gè)弧形氣墊32在下，每個(gè)弧形氣墊的進(jìn)氣壓力可以分別控制，弧形氣墊32內(nèi)包 括進(jìn)氣室321，進(jìn)氣室321由內(nèi)向外依次設(shè)置有進(jìn)氣室內(nèi)壁和進(jìn)氣室外壁，進(jìn)氣室內(nèi)壁上設(shè) 有進(jìn)氣口 322,進(jìn)氣室外壁的外側(cè)均布有四個(gè)氣墊模塊323,當(dāng)然，還可根據(jù)具體需要增加 或減少氣墊模模塊323的數(shù)量，氣墊模塊323包括兩個(gè)對(duì)稱(chēng)設(shè)置于進(jìn)氣室外壁外側(cè)的擋片 3232,以及一個(gè)設(shè)置于兩個(gè)擋片3232之間的墊塊3233,擋片3232分別與輥套31的內(nèi)壁留 有相同的間距，兩個(gè)擋片3232之間的進(jìn)氣室外壁上設(shè)有一個(gè)氣孔3231，擋片3232與輥套 31內(nèi)壁之間的間距作為一個(gè)噴嘴，可以一定角度對(duì)著輥套31噴氣，從而在兩個(gè)噴嘴與輥套 31之間形成一個(gè)有一定壓力的氣腔。當(dāng)擋片3232厚度、噴嘴角度、氣腔寬度等結(jié)構(gòu)參數(shù)確 定后，該氣腔壓強(qiáng)的大小取決于進(jìn)氣壓強(qiáng)和氣墊厚度。當(dāng)進(jìn)氣壓強(qiáng)一定時(shí)，氣墊壓強(qiáng)與氣墊 厚度成反比關(guān)系。由于上方的弧形氣墊與下方的弧形氣墊對(duì)稱(chēng)布置，當(dāng)上方的弧形氣墊厚 度減小時(shí)，下方的弧形氣墊厚度必然增大，反之亦然，因此，輥套在上下弧形氣墊壓力的作 用下始終處于自穩(wěn)定狀態(tài)。
[0036] 在本發(fā)明中，輥套在上氣墊壓力和下氣墊壓力的共同作用下受一合力F，其大小滿(mǎn) 足：
[0037] F = 2T±G
[0038] 其中，T為帶鋼張力，G為輥套重量（頂輥取正，底輥取負(fù)）。
[0039] 輥套（空心）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J表達(dá)式如下：
[0041] 其中，M為重量,DjPD2分別是軸套的內(nèi)、外直徑。由于輥套重量比常規(guī)爐輥（含 輥身和軸頸）的重量小很多，因此氣墊爐輥轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大幅降低。另外，由于輥套完全懸浮， 幾乎沒(méi)有阻力。
[0042] 本發(fā)明的氣墊式爐輥的使用狀態(tài)圖如圖5和圖6所示，將帶鋼4半封閉地包纏在 氣墊式爐輥3外側(cè)，在氣墊式爐輥3的內(nèi)側(cè)懸掛一個(gè)位移傳感器5,在張力T的作用下，氣墊 式爐輥3和帶鋼4 一起運(yùn)動(dòng)或靜止，在上方的弧形氣墊以及下方的弧形氣墊的共同作用下， 氣墊式爐輥3受到一個(gè)浮力，當(dāng)該浮力與張力T (重力忽略）平衡時(shí)，氣墊式爐輥3保持懸 浮狀態(tài)。當(dāng)張力T發(fā)生變化時(shí)，原來(lái)的平衡狀態(tài)被破壞，氣墊式爐輥3會(huì)發(fā)生位移，此時(shí)位 移傳感器5會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)到氣墊式爐輥3的位移，并發(fā)出控制信號(hào)，而位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，如 圖6所示，氣墊風(fēng)機(jī)（圖中未示）按照該控制信號(hào)分別調(diào)節(jié)上方的弧形氣墊和下方的弧形 氣墊的氣壓，使其壓力差能夠抵消張力T的改變量，從而使得氣墊式爐輥3重新恢復(fù)平衡， 并保持懸浮狀態(tài)。
[0043] 在將本發(fā)明的基于氣墊式爐輥的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)用于熱處理機(jī)組時(shí)，其結(jié)構(gòu) 示意圖如圖7所示，本機(jī)組由入口段61、爐子段和出口段65組成，其中爐子段又分成加熱 段62、均熱段63和冷卻段64。從爐子長(zhǎng)度方向看，加熱段1個(gè)PASS，均熱段8個(gè)PASS，冷 卻段1個(gè)PASS，均熱段63中的7個(gè)爐輥采用本發(fā)明的氣墊式爐輥（在圖7中虛線(xiàn)表示）， 分為由三個(gè)氣墊式爐輥組成的頂部爐輥組71和由四個(gè)底部氣墊式爐輥組成的底部爐輥組 72〇
[0044] 用于上述熱處理機(jī)組的氣墊式爐輯3外徑D2= 1000mm，軸套內(nèi)徑D i= 960mm，車(chē)?yán)?內(nèi)徑D3= 200mm，輯身長(zhǎng)L = 1500mm，材料為耐高溫的鈦合金；如圖8所示，每個(gè)弧形氣墊 由五個(gè)氣墊模塊組成；位移傳感器5選用遮光式光柵傳感器，量程為0~60_。
[0045] 其中的氣墊模塊結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖9所示，噴嘴嘴唇厚度b、噴嘴角度β、氣腔寬度w 等結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，該氣腔壓強(qiáng)Pc的大小取決于進(jìn)氣壓強(qiáng)P i和氣腔厚度h。當(dāng)進(jìn)氣壓強(qiáng)P i 一定時(shí)，氣腔壓強(qiáng)P。與氣腔厚度h成反比關(guān)系。其中h = 5mm，b = 3.5mm，β =40°時(shí)，w =120謹(jǐn)。此時(shí)氣腔壓強(qiáng)P。= I. 2Ρ 1〇
[0046] 輥套的有效承載面積為（有效系數(shù)取0. 8):
[0047] S = 0· 8 X π X 960 X 1500 = 3617280mm2
[0048] 輥套重量為：G = π X (5002-4802) X 1500X4. 5X 10 5= 4154N
[0049] 由于爐內(nèi)溫度高達(dá)850°C，帶鋼處于微張力，一般取8N/mnT2。當(dāng)帶鋼厚0.8mm、寬 1200mm時(shí)，帶鋼張力為：
[0050] T = 0· 8X1200X8 = 7680N
[0051] 頂部爐輥承受的力，以及上下氣墊需要提供的氣壓壓差：
[0052] Ftop= 2T+G = 2X7680+4154 = 19514N
[0054] 底部爐輥承受的力，以及上下氣墊需要提供的氣壓壓差：
[0055] Fbtn= 2T-G = 2X7680-4154 = 11206N
[0057] 因此，對(duì)頂部爐輥，其氣墊風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓選15Kpa ;對(duì)底部爐輥，其氣墊風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓 選 lOKpa。
[0058] 本發(fā)明綜合應(yīng)用流體力學(xué)、檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)控制等理論，解決帶鋼生產(chǎn)過(guò)程中帶鋼 劃傷問(wèn)題。
[0059] 由于所用技術(shù)都是成熟技術(shù)，成本可以控制，推廣應(yīng)用是完全可行的。另一方面， 隨著用戶(hù)對(duì)帶鋼表面質(zhì)量要求的提高，特別是具有高附加值的汽車(chē)外板需求的大幅增加， 解決由帶鋼劃傷從而影響表面質(zhì)量的現(xiàn)狀急需改變，因此，本發(fā)明在冷乳、熱鍍、連續(xù)退火 等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0060] 綜上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用來(lái)限定本發(fā)明實(shí)施的范圍，凡依 本發(fā)明權(quán)利要求范圍所述的形狀、構(gòu)造、特征及精神所為的均等變化與修飾，均應(yīng)包括于本 發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種氣墊式爐輥，其特征在于，包括：輥套，所述輥套內(nèi)設(shè)有四個(gè)形狀相同的弧形氣 墊，四個(gè)所述的弧形氣墊組合成一個(gè)與輥套同心的圓形，所述弧形氣墊內(nèi)包括進(jìn)氣室，所述 進(jìn)氣室由內(nèi)向外依次設(shè)置有進(jìn)氣室內(nèi)壁和進(jìn)氣室外壁，所述進(jìn)氣室內(nèi)壁上設(shè)有進(jìn)氣口，所 述進(jìn)氣室外壁的外側(cè)均布有若干氣墊模塊，所述氣墊模塊包括兩個(gè)對(duì)稱(chēng)設(shè)置于進(jìn)氣室外壁 外側(cè)的擋片，以及一個(gè)設(shè)置于兩個(gè)所述擋片之間的墊塊，所述擋片分別與輥套的內(nèi)壁留有 相同的間距，兩個(gè)所述擋片之間的進(jìn)氣室外壁上設(shè)有一個(gè)氣孔。2. 如權(quán)利要求1所述的氣墊式爐輥，其特征在于，所述氣墊模塊的數(shù)量為四個(gè)或五個(gè)。3. 如權(quán)利要求1所述的氣墊式爐輥，其特征在于，所述擋片均為折線(xiàn)形，且兩個(gè)擋片互 呈鏡像對(duì)稱(chēng)。4. 一種基于權(quán)利要求1所述氣墊式爐輥的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于，包括： 氣墊式爐輥， 懸掛在所述氣墊式爐輥的正上方或正下方，用于監(jiān)測(cè)氣墊式爐輥位移的位移傳感器， 為所述氣墊式爐輥進(jìn)行充氣的氣墊風(fēng)機(jī)； 以及用于控制所述氣墊風(fēng)機(jī)的控制器。5. 如權(quán)利要求4所述的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述位移傳感器為遮光式光 柵傳感器。6. -種如權(quán)利要求4或5所述的閉環(huán)控制系統(tǒng)在帶鋼生產(chǎn)的加熱段、均熱段和冷卻段 中的用途。7. 如權(quán)利要求6所述的用途，其特征在于，所述氣墊式爐輥半封閉地包纏在帶鋼之間。8. 如權(quán)利要求6所述的用途，其特征在于，在所述加熱段設(shè)置1個(gè)氣墊式爐輥、所述均 熱段設(shè)置8個(gè)氣墊式爐輥，所述冷卻段設(shè)置1個(gè)氣墊式爐輥。9. 如權(quán)利要求7所述的用途，其特征在于，所述均熱段的8個(gè)氣墊式爐輥中，上部和下 部各設(shè)置4個(gè)。
【文檔編號(hào)】F27D3/00GK105987607SQ201510064068
【公開(kāi)日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2015年2月6日
【發(fā)明人】陳培林, 劉益民, 李俊
【申請(qǐng)人】寶山鋼鐵股份有限公司