气垫式炉辊、基于该炉辊的位置闭环控制系统及其应用
【专利摘要】本发明公开了一种气垫式炉辊，其包括：辊套，所述辊套内设有四个形状相同的弧形气垫，四个所述的弧形气垫组合成一个与辊套同心的圆形，所述弧形气垫内包括进气室，所述进气室由内向外依次设置有进气室内壁和进气室外壁，所述进气室内壁上设有进气口，所述进气室外壁的外侧均布有若干气垫模块，所述气垫模块包括两个对称设置于进气室外壁外侧的挡片，以及一个设置于两个所述挡片之间的垫块，所述挡片分别与辊套的内壁留有相同的间距，两个所述挡片之间的进气室外壁上设有一个气孔。本发明利用气垫产生的压力来悬浮炉辊的辊套，减少了炉辊对带钢表面的划伤。可应用在热镀锌和连续退火机组，来满足用户对表面质量越来越高的要求。
【专利说明】
气垫式炉辊、基于该炉辊的位置闭环控制系统及其应用
技术领域
[0001] 本发明的应用领域为带钢生产，特别是在热镀锌和连续退火领域，有广泛的应用。 其技术主要运用了带钢生产工艺、自动控制、流体动力学、材料科学等。
【背景技术】
[0002] 生产连续化在当今冷乳带钢生产领域随处可见。比如，连续式乳机、连续式酸洗、 连续式退火、连续式热镀锌、连续式彩涂等等，以及它们之间的相互联合。
[0003] 连续式生产具有生产效率高、产品质量好且稳定等优点。然而，带钢在连续运行过 程中，由于受到多种因素影响，会出现许多问题，比如，辊子安装精度不好会使带钢跑偏、炉 内热瓢曲会使带钢断带、快速冷却会使带钢剧烈振动、带钢表面与辊子接触而产生的划伤 等。
[0004] 特别是在连续退火机组，由于炉辊多、温度高、张力小等特点，使得带钢与辊面因 相对运动而产生划伤的几率很高。这是一个难以解决的问题。
[0005] 连续退火中的辊子据其功能不同有许多种类，比如张力辊、稳定辊、转向辊等等， 但从其转动形式可以分为两类：一类是主动辊，另外一类是被动辊。对于前者，如果驱动马 达与带钢运行不同步，表面就会产生擦伤；对于后者，如果张力小、辊子惯性大，在机组加减 速时，也存在划伤的可能。
[0006] 在连续退火炉中，现有解决带钢表面划伤的方法是采用气垫技术（气垫炉），如图 1所示。带钢上下表面分别布置上风箱1和下风箱2,由于上风箱和下风箱存在压力差，抵 消了带钢的重力，从而使带钢悬浮而不与辊面接触。但这种悬浮带钢的方法，存在许多局限 性，比如，带速不高、只能水平（卧式）布置、带材容易跑偏等。
[0007] 为了将气垫技术应用到立式连续退火炉，日本专利"Floating Supporting Device For Changing Over Direction Of Traveling Steel Strip (PN 62-139832)"提出 了一种漂浮转向器，带钢受到三个气垫共同支撑，每个气垫的气压分别通过进气孔控制，只 要气压与带钢张力匹配，就能将带钢转向180度。该方法虽然取消了转向辊，从而避免了接 触，但工业上很难实现：一是带钢本身并不理想，它有板形等问题，这使得气垫压力非常不 稳定，如果板形不好时，很容易擦伤带钢；二是为了避免擦伤带钢，气垫厚度不能太小，这样 风量就需要非常大，造成效率不高。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供一种气垫式炉辊、基于该炉辊的位置闭环控制系统及其应 用，以解决现有技术中存在的上述问题。
[0009] 为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0010] -种气垫式炉辊，包括：辊套，所述辊套内设有四个形状相同的弧形气垫，四个所 述的弧形气垫组合成一个与辊套同心的圆形，所述弧形气垫内包括进气室，所述进气室由 内向外依次设置有进气室内壁和进气室外壁，所述进气室内壁上设有进气口，所述进气室 外壁的外侧均布有若干气垫模块，所述气垫模块包括两个对称设置于进气室外壁外侧的挡 片，以及一个设置于两个所述挡片之间的垫块，所述挡片分别与辊套的内壁留有相同的间 距，两个所述挡片之间的进气室外壁上设有一个气孔。
[0011] 作为优选方案，所述气垫模块的数量为四个或五个。
[0012] 作为优选方案，所述挡片均为折线形，且两个挡片互呈镜像对称。
[0013] -种基于本发明所述气垫式炉辊的位置闭环控制系统，其包括：
[0014] 气垫式炉辊，
[0015] 悬挂在所述气垫式炉辊的正上方或正下方，用于监测气垫式炉辊位移的位移传感 器，
[0016] 为所述气垫式炉辊进行充气的气垫风机；
[0017] 以及用于控制所述气垫风机的控制器。
[0018] 作为优选方案，所述位移传感器为遮光式光栅传感器。
[0019] -种如本发明所述的闭环控制系统在带钢生产的加热段、均热段和冷却段中的用 途。
[0020] 作为优选方案，所述气垫式炉辊半封闭地包缠在带钢之间。
[0021] 作为优选方案，在所述加热段设置1个气垫式炉辊、所述均热段设置7个气垫式炉 辊，所述冷却段设置1个气垫式炉辊。
[0022] 作为进一步优选方案，所述均热段的7个气垫式炉辊中，上部为3个、下部为4个。
[0023] 本发明是通过降低辊子惯量和阻尼来减少机组在加减速时划伤带钢表面的可能 性。
[0024] 本发明的有益效果主要体现在：本发明利用气垫产生的压力来悬浮炉辊的辊套， 由于大幅度降低了炉辊的转动惯量和阻尼，从而减少了炉辊对带钢表面的划伤。可应用在 热镀锌和连续退火机组，来满足用户对表面质量越来越高的要求。
【附图说明】
[0025] 图1为现有技术中气垫炉的结构示意图；
[0026] 图2为本发明中气垫式炉辊的结构示意图；
[0027] 图3为本发明中弧形气垫的结构示意图；
[0028] 图4为本发明中气垫模块的结构示意图；
[0029] 图5为本发明中气垫式炉辊与位移传感器相结合的结构示意图；
[0030] 图6为本发明中位置闭环控制系统的原理框图；
[0031] 图7为应用了本发明中位置闭环控制系统的热处理机组的结构示意图；
[0032] 图8为图7中所使用的气垫式炉辊与位移传感器的组合示意图；
[0033] 图9为图7中所使用的气垫式炉辊中的气垫模块的结构参数示意图；
[0034] 图中：1、上风箱；2、下风箱；3、气垫式炉辊；31、辊套；32、弧形气垫；321、进气室； 322、进气口；323、气垫模块；3231、气孔；3232、挡片；3233、垫块；4、带钢；5、位移传感器； 61、入口段；62、加热段；63、均热段；64、冷却段；65、出口段；71、顶部炉辊组；72、底部炉辊 组。
【具体实施方式】
[0035] 本发明所提供的一种气垫式炉辊3的结构如图2~4所示，辊套31内设有四个形 状相同的弧形气垫32,四个弧形气垫32组合成一个与辊套31同心的圆形，两个弧形气垫 32在上，两个弧形气垫32在下，每个弧形气垫的进气压力可以分别控制，弧形气垫32内包 括进气室321，进气室321由内向外依次设置有进气室内壁和进气室外壁，进气室内壁上设 有进气口 322,进气室外壁的外侧均布有四个气垫模块323,当然，还可根据具体需要增加 或减少气垫模模块323的数量，气垫模块323包括两个对称设置于进气室外壁外侧的挡片 3232,以及一个设置于两个挡片3232之间的垫块3233,挡片3232分别与辊套31的内壁留 有相同的间距，两个挡片3232之间的进气室外壁上设有一个气孔3231，挡片3232与辊套 31内壁之间的间距作为一个喷嘴，可以一定角度对着辊套31喷气，从而在两个喷嘴与辊套 31之间形成一个有一定压力的气腔。当挡片3232厚度、喷嘴角度、气腔宽度等结构参数确 定后，该气腔压强的大小取决于进气压强和气垫厚度。当进气压强一定时，气垫压强与气垫 厚度成反比关系。由于上方的弧形气垫与下方的弧形气垫对称布置，当上方的弧形气垫厚 度减小时，下方的弧形气垫厚度必然增大，反之亦然，因此，辊套在上下弧形气垫压力的作 用下始终处于自稳定状态。
[0036] 在本发明中，辊套在上气垫压力和下气垫压力的共同作用下受一合力F，其大小满 足：
[0037] F = 2T±G
[0038] 其中，T为带钢张力，G为辊套重量（顶辊取正，底辊取负）。
[0039] 辊套（空心）转动惯量J表达式如下：
[0041] 其中，M为重量,DjPD2分别是轴套的内、外直径。由于辊套重量比常规炉辊（含 辊身和轴颈）的重量小很多，因此气垫炉辊转动惯量大幅降低。另外，由于辊套完全悬浮， 几乎没有阻力。
[0042] 本发明的气垫式炉辊的使用状态图如图5和图6所示，将带钢4半封闭地包缠在 气垫式炉辊3外侧，在气垫式炉辊3的内侧悬挂一个位移传感器5,在张力T的作用下，气垫 式炉辊3和带钢4 一起运动或静止，在上方的弧形气垫以及下方的弧形气垫的共同作用下， 气垫式炉辊3受到一个浮力，当该浮力与张力T (重力忽略）平衡时，气垫式炉辊3保持悬 浮状态。当张力T发生变化时，原来的平衡状态被破坏，气垫式炉辊3会发生位移，此时位 移传感器5会实时检测到气垫式炉辊3的位移，并发出控制信号，而位置闭环控制系统，如 图6所示，气垫风机（图中未示）按照该控制信号分别调节上方的弧形气垫和下方的弧形 气垫的气压，使其压力差能够抵消张力T的改变量，从而使得气垫式炉辊3重新恢复平衡， 并保持悬浮状态。
[0043] 在将本发明的基于气垫式炉辊的位置闭环控制系统应用于热处理机组时，其结构 示意图如图7所示，本机组由入口段61、炉子段和出口段65组成，其中炉子段又分成加热 段62、均热段63和冷却段64。从炉子长度方向看，加热段1个PASS，均热段8个PASS，冷 却段1个PASS，均热段63中的7个炉辊采用本发明的气垫式炉辊（在图7中虚线表示）， 分为由三个气垫式炉辊组成的顶部炉辊组71和由四个底部气垫式炉辊组成的底部炉辊组 72〇
[0044] 用于上述热处理机组的气垫式炉辑3外径D2= 1000mm，轴套内径D i= 960mm，车昆 内径D3= 200mm，辑身长L = 1500mm，材料为耐高温的钛合金；如图8所示，每个弧形气垫 由五个气垫模块组成；位移传感器5选用遮光式光栅传感器，量程为0~60_。
[0045] 其中的气垫模块结构参数如图9所示，喷嘴嘴唇厚度b、喷嘴角度β、气腔宽度w 等结构参数确定后，该气腔压强Pc的大小取决于进气压强P i和气腔厚度h。当进气压强P i 一定时，气腔压强P。与气腔厚度h成反比关系。其中h = 5mm，b = 3.5mm，β =40°时，w =120謹。此时气腔压强P。= I. 2Ρ 1〇
[0046] 辊套的有效承载面积为（有效系数取0. 8):
[0047] S = 0· 8 X π X 960 X 1500 = 3617280mm2
[0048] 辊套重量为：G = π X (5002-4802) X 1500X4. 5X 10 5= 4154N
[0049] 由于炉内温度高达850°C，带钢处于微张力，一般取8N/mnT2。当带钢厚0.8mm、宽 1200mm时，带钢张力为：
[0050] T = 0· 8X1200X8 = 7680N
[0051] 顶部炉辊承受的力，以及上下气垫需要提供的气压压差：
[0052] Ftop= 2T+G = 2X7680+4154 = 19514N
[0054] 底部炉辊承受的力，以及上下气垫需要提供的气压压差：
[0055] Fbtn= 2T-G = 2X7680-4154 = 11206N
[0057] 因此，对顶部炉辊，其气垫风机的风压选15Kpa ;对底部炉辊，其气垫风机的风压 选 lOKpa。
[0058] 本发明综合应用流体力学、检测技术、自动控制等理论，解决带钢生产过程中带钢 划伤问题。
[0059] 由于所用技术都是成熟技术，成本可以控制，推广应用是完全可行的。另一方面， 随着用户对带钢表面质量要求的提高，特别是具有高附加值的汽车外板需求的大幅增加， 解决由带钢划伤从而影响表面质量的现状急需改变，因此，本发明在冷乳、热镀、连续退火 等领域具有广泛的应用前景。
[0060] 综上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依 本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本 发明的权利要求范围内。
【主权项】
1. 一种气垫式炉辊，其特征在于，包括：辊套，所述辊套内设有四个形状相同的弧形气 垫，四个所述的弧形气垫组合成一个与辊套同心的圆形，所述弧形气垫内包括进气室，所述 进气室由内向外依次设置有进气室内壁和进气室外壁，所述进气室内壁上设有进气口，所 述进气室外壁的外侧均布有若干气垫模块，所述气垫模块包括两个对称设置于进气室外壁 外侧的挡片，以及一个设置于两个所述挡片之间的垫块，所述挡片分别与辊套的内壁留有 相同的间距，两个所述挡片之间的进气室外壁上设有一个气孔。2. 如权利要求1所述的气垫式炉辊，其特征在于，所述气垫模块的数量为四个或五个。3. 如权利要求1所述的气垫式炉辊，其特征在于，所述挡片均为折线形，且两个挡片互 呈镜像对称。4. 一种基于权利要求1所述气垫式炉辊的位置闭环控制系统，其特征在于，包括： 气垫式炉辊， 悬挂在所述气垫式炉辊的正上方或正下方，用于监测气垫式炉辊位移的位移传感器， 为所述气垫式炉辊进行充气的气垫风机； 以及用于控制所述气垫风机的控制器。5. 如权利要求4所述的位置闭环控制系统，其特征在于，所述位移传感器为遮光式光 栅传感器。6. -种如权利要求4或5所述的闭环控制系统在带钢生产的加热段、均热段和冷却段 中的用途。7. 如权利要求6所述的用途，其特征在于，所述气垫式炉辊半封闭地包缠在带钢之间。8. 如权利要求6所述的用途，其特征在于，在所述加热段设置1个气垫式炉辊、所述均 热段设置8个气垫式炉辊，所述冷却段设置1个气垫式炉辊。9. 如权利要求7所述的用途，其特征在于，所述均热段的8个气垫式炉辊中，上部和下 部各设置4个。
【文档编号】F27D3/00GK105987607SQ201510064068
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月6日
【发明人】陈培林, 刘益民, 李俊
【申请人】宝山钢铁股份有限公司