淺談冷軋機邊部電磁感應加熱系統

黃基彬，盧 杰

（中鋁瑞閩股份有限公司，福建福州 350000）

0 引言

隨著科技發展，電磁感應加熱技術越來越成熟，邊部電磁感應加熱系統應運而生，利用電磁感應對冷軋機的工作輥邊部進行加熱成了現代企業的首選。該系統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。電磁感應加熱技術的應用，提高了冷軋機生產速度同時降低了生產成本，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1850 mm冷軋機邊部加熱系統技術改造為例，闡述了各部分組成及控制原理。

1 電磁感應加熱原理介紹

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

2 邊部電磁感應加熱系統組成

由于冷軋機生產存在以下特點：①生產時需要經常換輥，且每對輥的輥徑是變化的；②冷軋機生產的帶材寬度不是固定的，不同產品寬度不一樣。要實現對工作輥與帶材邊部接觸的區域進行加熱，邊部電磁感應加熱系統必須是位置可控的，因此邊部電磁感應加熱系統主要由感應加熱系統及移位系統構成。

加熱系統主要功能就是對工作輥進行加熱，加熱系統由冷軋機的MCC 柜提供三相380 V 電源，系統安裝有容量為45 kVA的變壓器，該變壓器將輸入的三相380 V 電壓轉化為三相220 V的電壓。為加熱柜提供工作電源。加熱系統主要由控制器、電源模塊、加熱頭、利茲電纜及冷卻系統構成（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功能，其功率最大為12 kW，可在0～100%之間調節。加熱頭是由特殊線圈構成，通過交變電流后會產生磁場，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。冷卻系統包含電源模塊冷卻及加熱頭內部冷卻，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，冷油機溫度設定約20 ℃，工作時電源模塊發熱量大，經過冷卻后的溫度仍可達到45～50 ℃。加熱頭內部直接采用溫度約35 ℃的軋制油進行冷卻，其內部安裝有溫度開關，當溫度達到限定值時溫度開關自動斷開停止加熱以保護加熱頭。由于需要對軋輥兩側同時進行加熱，因此加熱系統含有兩套電源模塊及加熱頭。

圖1 感應加熱系統示意

移位系統主要用于控制加熱頭位置，將加熱頭移動到需要加熱的區域進行加熱。主要由安裝基座、防爆伺服電機及伺服控制系統構成（圖2）。基座安裝于冷軋機下出口側，固定于冷軋機牌坊上，主要作為兩套加熱頭和移位系統的承載體。伺服電機用于驅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，分別控制兩側加熱頭的位置。伺服控制系統用于控制4臺伺服電機的運動，控制精度可達到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 移位系統示意

3 邊部電磁感應加熱控制方法

電磁感應加熱需要對工作輥邊部區域進行加熱，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軋制帶材的板形情況調整功率，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、判斷不準等問題。因此邊部電磁感應加熱系統必須全自動控制。

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動，由零位F（F′）移動到目標位置G（G′）。根據圖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距離，范圍為3～5 mm 時電磁感應加熱效果最佳；X 為加熱頭徑向給定目標位置，將加熱頭由位置H 沿徑向移動到H′，實現加熱頭與工作輥輥面距離為3～5 mm。根據圖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

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

加熱頭功率控制原理如圖5 所示，根據帶材寬度可計算出軋制時帶材兩側邊部壓在板形輥的最邊區以及相鄰區，通過PLC 可在程序中采集到最邊區和相鄰區的板型單位應力值P、Q、R、T，則兩側帶材的緊邊系數分別為。圖2 中的兩側加熱頭的初始功率設定為50%，當加熱頭投入使用后分別根據帶材的緊邊系數進行自動調節，當帶材的緊邊系數連續10 s 大于1.2 時，加熱頭的功率在原基礎上自動增加10%；當帶材的緊邊系數連續10 s 小于1.0 時，加熱頭的功率在原基礎上自動減小10%，加熱頭的功率范圍為0～100%。根據使用經驗，為將帶材的緊邊系數控制在1.0～1.2，加熱頭功率基本上穩定在30%～90%，有效改善帶材緊邊問題。

圖5 加熱功率控制原理

4 結論

電磁感應加熱是現今工業領域和民用設備中最廣泛的加熱方式之一，電磁感應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保加熱方案。通過介紹1850 mm 冷軋機邊部電磁感應加熱系統的硬件組成以及移位系統、加熱系統的自動控制原理，生產時可實現全自動控制，無需操作工干預，為其他企業提供借鑒。