余榮超

(寶山鋼鐵股份有限公司寶鋼湛江鋼鐵有限公司,廣東 湛江 524072)

1 概述

多功能測厚儀作為熱軋帶鋼質(zhì)量監(jiān)控和記錄的大型測量儀表已廣泛應(yīng)用到各大冶金企業(yè),寶鋼湛江鋼鐵熱軋廠引進(jìn)了德國IMS多功能測厚儀(設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示),安裝在F7精軋機(jī)后,可以測量熱軋帶鋼的凸度、厚度、寬度、楔形、輪廓、溫度等相關(guān)數(shù)據(jù),直接參與精軋軋機(jī)AGC自動(dòng)厚度控制,與生產(chǎn)和質(zhì)量有密切的關(guān)系。

該測厚儀厚度測量基本原理為:

Im=I0e-μρt

(1)

式中:I0為當(dāng)帶鋼厚度為0時(shí)的檢測器接受的射線強(qiáng)度;Im為當(dāng)帶鋼厚度為t時(shí)的檢測器接受的射線強(qiáng)度;μ為被測帶鋼的吸收系數(shù);ρ為被測帶鋼的密度;t為被測帶鋼的厚度。

多功能測厚儀通過高壓控制發(fā)生器產(chǎn)生高達(dá)155 kV的高壓電場,通過專用高壓電纜與X射線光管相連接,為X射線光管產(chǎn)生X射線提供條件。X射線光管內(nèi)的熱電子在高壓電場下加速定向移動(dòng)轟擊陽極靶材產(chǎn)生韌致輻射形成X射線,產(chǎn)生X射線的光管部分一般固定于多功能測厚儀C型架的上臂,帶鋼從上下臂之間通過,不與設(shè)備直接接觸。下臂有大量的射線強(qiáng)度檢測器,可以檢測射線穿過帶鋼后的射線強(qiáng)度,如圖2所示。對特定的帶鋼其μ、ρ都是恒值,I0也是定值,因此，理論上只要測出Im的變化就能知道帶鋼厚度t的變化,若檢測器數(shù)量足夠多則可以知道帶鋼橫截面厚度的變化。其核心控制部件的控制流程為:高壓控制發(fā)生器—高壓電纜—X射線管—X射線—檢測器(帶高壓單元)—模數(shù)轉(zhuǎn)換和放大處理—圖形化顯示厚度。

自寶鋼湛江鋼鐵熱軋機(jī)組投產(chǎn)以來,多功能測厚儀測量狀態(tài)始終牽動(dòng)著公司生產(chǎn)節(jié)奏,尤其是IMS多功能測厚儀高壓控制發(fā)生器燈絲電流出現(xiàn)持續(xù)升高的故障。從控制流程上可知,高壓控制發(fā)生器故障會(huì)導(dǎo)致設(shè)備無法工作而停機(jī),長時(shí)間故障停機(jī)對公司產(chǎn)品效益造成嚴(yán)重影響。因此,對該設(shè)備高壓控制發(fā)生器的故障原因分析與處理辦法的探究十分必要。

2 結(jié)構(gòu)原理

2.1 高壓控制發(fā)生器的硬件組成

高壓控制發(fā)生器主要由高壓發(fā)生器和高壓控制器兩部分組成。高壓控制器是控制調(diào)節(jié)X射線管管電壓和管電流的機(jī)構(gòu),高壓發(fā)生器是管電壓和管電流產(chǎn)生的執(zhí)行機(jī)構(gòu),通過高壓控制器對高壓發(fā)生器進(jìn)行控制調(diào)節(jié),最終通過高壓電纜將高壓發(fā)生器與X射線管連接,輸出穩(wěn)定的目標(biāo)值。高壓控制發(fā)生器如圖3所示。

2.2 工作原理

高壓控制發(fā)生器的工作原理是管電壓和管電流獨(dú)立控制。高壓部分通過對普通220 V電源進(jìn)行濾波、斬波和逆變處理后變成PWM脈沖寬度調(diào)制控制信號,控制部分輸出的控制高壓信號進(jìn)入發(fā)生器部分通過高壓變壓器升壓處理,繼續(xù)通過12倍壓整流濾波處理,最終產(chǎn)生155 kV管電壓,該部分是在充滿高壓變壓器絕緣油的發(fā)生器進(jìn)行。而管電流的大小與對燈絲電流的控制有密切關(guān)系,其主要是通過控制器內(nèi)的燈絲電流控制板FIL2對燈絲電流進(jìn)行控制,將得到的PWM脈沖寬度調(diào)制控制信號傳輸至發(fā)生器部分通過燈絲變壓器降壓處理,最終得到目標(biāo)燈絲電流3.5 A,管電流3.0 mA,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

另外,為了確保實(shí)際值與設(shè)定目標(biāo)值之間保持一致,控制電路必須包含反饋控制,對管電壓、管電流和燈絲電流進(jìn)行采樣處理,使得物理量處于動(dòng)態(tài)平衡調(diào)節(jié)之中。

3 故障分析

3.1 故障經(jīng)過

2019年來,多功能測厚儀發(fā)生了連續(xù)3起高壓控制發(fā)生器燈絲電流升高而引起的跳電停機(jī)故障。經(jīng)過檢測人員檢查發(fā)現(xiàn),高壓控制器內(nèi)燈絲電流控制板損壞,且燈絲高壓變壓器部分磁芯松動(dòng),重新更換部件后恢復(fù)正常。

3.2 原因分析

為了分析IMS多功能測厚儀高壓控制發(fā)生器故障原因,分別檢查高壓發(fā)生器和高壓控制器狀態(tài),并分析其他影響因素。高壓控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示,包括燈絲電流控制板FiL2、電源濾波模塊、CON B/03 控制板、POS2底板、斬波及驅(qū)動(dòng)模塊等。高壓發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示,主要由燈絲變壓器、高壓變壓器、 12倍壓整流模組、高壓采樣模塊、高壓變壓器絕緣油等組成。

3.2.1 高壓控制器檢查

(1) 外部檢查。部件整體外觀無磕碰破損痕跡,設(shè)備供電及通訊接口檢查功能正常。

(2) 工況檢查?？刂破鞑糠衷谡９ぷ鲿r(shí)電子器件周圍溫度為50 ℃左右,屬于比較高的溫度,主要原因是熱軋帶鋼的輻射熱使得電子器件產(chǎn)生的熱量散熱效果降低。

(3) 內(nèi)部檢查。對控制器內(nèi)部進(jìn)行解體檢查,發(fā)現(xiàn)其中燈絲電流控制板卡FiL2電容明顯損壞,如圖7所示。通過更換新燈絲電流控制板卡FiL2后,故障再次出現(xiàn),因此判斷故障點(diǎn)可能在發(fā)生器部分,電流控制板卡FiL2燒壞是故障的直接原因而不是根本原因。

3.2.2 高壓發(fā)生器檢測

(1) 外部檢查。部件整體外觀無磕碰破損痕跡,未見高壓絕緣油滲出,密閉性良好。

(2) 工況檢查。對發(fā)生器部分在正常工作后立即用點(diǎn)溫儀測量其中間溫度,為55 ℃左右。由于發(fā)生器內(nèi)充滿著高壓絕緣油,雖有冷卻水冷卻,但實(shí)際散熱效果有限,外部流動(dòng)壓縮空氣較少,進(jìn)一步導(dǎo)致溫度升高,溫度過高影響內(nèi)部器件的工作性能和壽命,需要進(jìn)行改進(jìn)。

(3) 內(nèi)部檢查。為了進(jìn)一步找到故障點(diǎn),拆解檢查了發(fā)生器。在排查燈絲電流變壓器時(shí)發(fā)現(xiàn)了異常。燈絲電流變壓器共分三級,如圖8所示,每一級變壓器又分為主級和次級,檢測到第三級變壓器主級線圈電感7.774 mH,次級只有18.237 μH,檢測如圖9所示。實(shí)際主級電感量應(yīng)該為46 mH,次級為90 μH,因此燈絲變壓器的第三級為故障點(diǎn)。在更換第三級燈絲變壓器過程中發(fā)現(xiàn)該變壓器存在磁芯松動(dòng),這是故障的根本原因,更換并固定第三級燈絲變壓器后設(shè)備恢復(fù)正常。

3.3 分析結(jié)果

綜上分析,造成高壓控制發(fā)生器故障的原因如下:

(1) 燈絲變壓器故障。發(fā)生器部分燈絲電流變壓器故障,控制部分電路需要確保管電流值恒定,當(dāng)管電流值達(dá)不到目標(biāo)值時(shí)需要持續(xù)性升高燈絲電流，導(dǎo)致燈絲電流控制采樣值一直升高,最終燈絲電流控制板卡燒壞,燈絲電流值超限高壓跳電。

(2) 工況溫度過高。高壓控制發(fā)生器的工作環(huán)境通常溫度比較高,當(dāng)部件產(chǎn)生的熱量得不到有效降低時(shí),嚴(yán)重影響電子部件的工作性能和壽命。該燈絲變壓器的磁芯松動(dòng)主要是磁芯固定膠的開膠所致,與部件長時(shí)間在高溫工況下工作有密切聯(lián)系。

4 改進(jìn)措施及效果

4.1 改進(jìn)對策

(1) 增加散熱裝置。在原有的冷卻水和壓縮空氣的基礎(chǔ)上,根據(jù)實(shí)際情況,增加一路壓縮空氣進(jìn)入高壓控制發(fā)生器固定腔體,該路壓縮空氣外面連接渦流冷卻管,提升冷卻效果。

(2) 降低熱量產(chǎn)生。高壓控制發(fā)生器與高壓電纜的高壓絕緣維護(hù)不良會(huì)產(chǎn)生持續(xù)性的高壓打火,導(dǎo)致部件產(chǎn)熱量增加,隨著使用部件的老化,高壓電纜頭與發(fā)生器之間的距離需要參考指導(dǎo)手冊進(jìn)行調(diào)整,確保高壓發(fā)生控制器正常穩(wěn)定工作。

(3) 加強(qiáng)日常管理。根據(jù)天氣變化適時(shí)檢查壓縮氣和冷卻水的冷卻效果,調(diào)整流量和壓力,增加對關(guān)鍵部位的狀態(tài)點(diǎn)檢頻次。

4.2 效果檢驗(yàn)

2019年來,多功能測厚儀發(fā)生了連續(xù)3起高壓控制發(fā)生器燈絲電流升高而引起的跳電停機(jī)故障,自6月起對高壓控制發(fā)生器增加散熱和減少產(chǎn)熱等措施以后,高壓控制發(fā)生器工況溫度下降5 K,多功能測厚儀工作穩(wěn)定,再無故障出現(xiàn)。

5 結(jié)語

多功能測厚儀作為熱軋帶鋼生產(chǎn)的“眼睛”,可以測量熱軋帶鋼的凸度、厚度、寬度、楔形、輪廓等相關(guān)數(shù)據(jù),與生產(chǎn)和質(zhì)量有密切的關(guān)系。通過對本次異常原因的深入剖析,結(jié)合優(yōu)化措施,從根本上解決了燈絲電流升高的故障,為設(shè)備順行、產(chǎn)品持續(xù)生產(chǎn)提供了強(qiáng)有力的保障。