宝钢厚板轧机厚度及凸度测量技术
时间：2012-07-04 阅读：899
1、厚度及凸度测量系统构成
宝钢厚板厂轧机测厚仪和凸度仪是从德国IMS公司引进的放射性同位素厚度测量系统。与其它公司以及宝钢以前使用的测厚仪相比较，IMS公司新的设备采用了Interbus总线、测量信号数字化和计算机网络以及测量通道冗余技术，整个系统的架构清晰、紧凑，简单而又，代表了测厚仪及其它特殊仪表发展方向。
1.1厚度及凸度测量原理
放射性同位素（137Cs）核衰变产生的γ射线穿透被测物时，由于散射和吸收而产生强度的衰减，衰减的程度与被测物种类、厚度等因素有关，关系如公式1：
式中：I表示射线穿过被测物时的强度；I0表示射线未穿过被测物时的强度；μ表示被测物的质量吸收系数；ρ表示被测物的密度；dh表示被测物的厚度。
在实际应用过程中，钢种的不同会导致其密度（ρ）不同，相应的质量吸收系数（μ）也会发生改变，对于一种具体的钢种，只要知道其中的化学成分含量，可以利用式（4）进行计算得到合金补偿系数。
式中：Ai为钢种合金补偿系数；Ai（ρ）为钢种密度的补偿系数；Ai（Z）为钢种质量吸收系数的补偿系数；ρFe=7.8538g/cm3，为铁的标准密度；ρx为元素X的密度；μx为X元素的质量吸收系数；μFe为铁元素的质量吸收系数；G%（x）为X元素在带钢中的含量。
在厚板轧制过程中，被测的厚板实际上是处于高温状态下，产品厚度需要测厚仪输出的是冷态时的厚度，因此需要将热态厚度根据式（5）转换成冷态厚度。
（5）
式中：dh为温度为t时厚板的厚度（热态厚度）；d0为温度为t0时厚板的温度（通常为常温，冷态厚度）；α：厚板的线性膨胀系数。
综合式（1）、式（4）、式（5），经过补偿后的钢板冷态厚度为：
1.2系统的构成
整个厚度及凸度测量系统由两台设备构成，分别是单点测厚仪和凸度仪。每台设备主要部件有安装在现场的检测单元包括50居里137Cs放射源、电离室、驱动装置等以及中央控制系统组成。测厚仪和凸度仪共用1套中央控制系统包括中央处理单元、Interbus总线模块等。此外还有一些辅助设备，如冷却水控制单元、鼓风机、压缩空气过滤装置。单点测厚仪现场检测单元直接安装在轧机轧辊和立辊之间，由于安装空间的限制，采用固定安装方式；凸度仪现场检测单元集中于可驱动的C型架内安装在轧机出口，离轧机机架约10m远，采用三组放射源和探测器，如图1所示，分别定义为CS侧、CL侧和DS侧，其中CL探测器固定测量厚板中心，CS侧和DS侧探测器既可以设定要求测量厚板的边部厚度，也可以采用连续扫描方式测量厚板边部到中心的厚度，根据3组探测器的测量结果形成厚板的凸度、楔度。
单点测厚仪1组探测器共有8个测量通道（电离室），凸度仪每组探测器有4个测量通道，共12个测量通道。当射线穿过厚板进入电离室时产生的微电流信号在测量头内部进行两级放大处理，并转换成数字电压信号。
测厚仪和凸度仪系统内各部分之间通过网络方式连接。为了保证系统的独立性和完整性，测厚仪和凸度仪构建了内部的独立网络，系统内部各部分之间通过内部Switch进行通信，与外部之间只有服务器与用户Switch进行连接。服务器的主要功能是接收来自L2的设定数据并路由给客户端、收集测厚仪和凸度仪的凸度数据并发送给L2、存贮客户端运行时所需的各类变量和参数、对厚板轧制厚度数据进行长期保存和分析、系统诊断、为操作站和工程师站提供各类数据。
图2测厚仪和凸度仪网络结构
客户端是整个测量系统中处理和控制的核心单元，测厚仪和凸度仪的控制逻辑、数学处理都由客户端来完成。它采用WIindowCE操作系统，通过TCP/IP方式与服务器进行通信，通过总线控制器实现对总线模块的控制，通过UDP报文的方式接收来自L1的控制命令并将系统的状态和实时测量数据发送给L1，参与闭环控制。
图3Interbus模块方块图
安装在客户端内的总线控制器负责实现对测厚仪和凸度仪各部分总线模块的控制、状态采集和诊断等。Interbus总线是德国PhoenixContact公司研究和开发的现场总线，2000年成为IEC61158标准。Interbus总线系统是一个数据环结构。此数据环由一个总线控制板和带有Interbus总线接口的I/O设备所组成。总线控制器是数据环控制的中央设备，实现控制数据与外设之间的交互。
IMS公司使用LogiCAD软件作为测厚仪和凸度仪的编程和控制软件。LogiCAD软件是一种图形化编程软件，可以为用户提供友好的界面，能很方便地对系统的功能模块（包括Interbus模块）进行组态、监控和诊断。利用该软件可以方便地设计出一个测量系统的完整结构，配置连接到其上的所有设备。在系统运行过程中，相连设备的过程数据可以在软件或控制器显示屏上显示出来，可以实时读取和干预现场的过程数据。它既能识别出系统发生的故障，并可对故障类型，出错位置及出错原因进行定位，通过功能的扩展就可以提供相应的解决措施。
2、系统性能指标
测量范围：5-125mm
重复性：≤±0.1%目标厚度（厚度范围：5~80mm）
≤±0.2%目标厚度（厚度范围：80~125mm）
线性：≤±0.1%目标厚度（厚度范围：5~80mm）
≤±0.2%目标厚度（厚度范围：80~125mm）
漂移：≤±0.1%/8小时
统计噪声：
板厚：噪声值：
5mm≤±0.015mm
10mm≤±0.018mm
20mm≤±0.024mm
30mm≤±0.033mm
50mm≤±0.060mm
60mm≤±0.082mm
80mm≤±0.117mm
100mm≤±0.231mm
125mm≤±0.655mm
3、结束语
宝钢5m宽厚板轧机是我国厚板领域首套特宽幅现代化厚板轧机[1]。测厚仪和凸度仪对板厚及板凸度控制起着非常重要的作用。由于轧制现场特殊的环境，测厚仪和凸度仪的测量仍需要进行改进和提高。比如轧机的震动对测量产生的影响会产生随机误差；其次厚板的厚度范围在5～150mm之间，钢板在厚度方向上存在温度分布，尽管测厚仪配置了高温辐射计，测量的是钢板的表面温度，不能真实反映实际的温度分布，将影响厚度测量的精度；其它如水份、粉尘、高温辐射对测量通道的影响等也会影响测量精度，这些将通过适当的维护来减少其影响。