IMS多功能測厚儀高壓控制發生器故障分析及改進措施

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量監控和記錄的大型測量儀表已廣泛應用到各大冶金企業,寶鋼湛江鋼鐵熱軋廠引進了德國IMS多功能測厚儀(設備結構如圖1所示),安裝在F7精軋機后,可以測量熱軋帶鋼的凸度、厚度、寬度、楔形、輪廓、溫度等相關數據,直接參與精軋軋機AGC自動厚度控制,與生產和質量有密切的關系。

該測厚儀厚度測量基本原理為:

Im=I0e-μρt

(1)

式中:I0為當帶鋼厚度為0時的檢測器接受的射線強度;Im為當帶鋼厚度為t時的檢測器接受的射線強度;μ為被測帶鋼的吸收系數;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生器產生高達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射線光管產生X射線提供條件。X射線光管內的熱電子在高壓電場下加速定向移動轟擊陽極靶材產生韌致輻射形成X射線,產生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,不與設備直接接觸。下臂有大量的射線強度檢測器,可以檢測射線穿過帶鋼后的射線強度,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:高壓控制發生器—高壓電纜—X射線管—X射線—檢測器(帶高壓單元)—模數轉換和放大處理—圖形化顯示厚度。

自寶鋼湛江鋼鐵熱軋機組投產以來,多功能測厚儀測量狀態始終牽動著公司生產節奏,尤其是IMS多功能測厚儀高壓控制發生器燈絲電流出現持續升高的故障。從控制流程上可知,高壓控制發生器故障會導致設備無法工作而停機,長時間故障停機對公司產品效益造成嚴重影響。因此,對該設備高壓控制發生器的故障原因分析與處理辦法的探究十分必要。

2 結構原理

2.1 高壓控制發生器的硬件組成

高壓控制發生器主要由高壓發生器和高壓控制器兩部分組成。高壓控制器是控制調節X射線管管電壓和管電流的機構,高壓發生器是管電壓和管電流產生的執行機構,通過高壓控制器對高壓發生器進行控制調節,最終通過高壓電纜將高壓發生器與X射線管連接,輸出穩定的目標值。高壓控制發生器如圖3所示。

2.2 工作原理

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

另外,為了確保實際值與設定目標值之間保持一致,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行采樣處理,使得物理量處于動態平衡調節之中。

3 故障分析

3.1 故障經過

2019年來,多功能測厚儀發生了連續3起高壓控制發生器燈絲電流升高而引起的跳電停機故障。經過檢測人員檢查發現,高壓控制器內燈絲電流控制板損壞,且燈絲高壓變壓器部分磁芯松動,重新更換部件后恢復正常。

3.2 原因分析

為了分析IMS多功能測厚儀高壓控制發生器故障原因,分別檢查高壓發生器和高壓控制器狀態,并分析其他影響因素。高壓控制器內部結構如圖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、斬波及驅動模塊等。高壓發生器內部結構如圖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,設備供電及通訊接口檢查功能正常。

(2) 工況檢查。控制器部分在正常工作時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生的熱量散熱效果降低。

(3) 內部檢查。對控制器內部進行解體檢查,發現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,因此判斷故障點可能在發生器部分,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。對發生器部分在正常工作后立即用點溫儀測量其中間溫度,為55 ℃左右。由于發生器內充滿著高壓絕緣油,雖有冷卻水冷卻,但實際散熱效果有限,外部流動壓縮空氣較少,進一步導致溫度升高,溫度過高影響內部器件的工作性能和壽命,需要進行改進。

(3) 內部檢查。為了進一步找到故障點,拆解檢查了發生器。在排查燈絲電流變壓器時發現了異常。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。實際主級電感量應該為46 mH,次級為90 μH,因此燈絲變壓器的第三級為故障點。在更換第三級燈絲變壓器過程中發現該變壓器存在磁芯松動,這是故障的根本原因,更換并固定第三級燈絲變壓器后設備恢復正常。

3.3 分析結果

綜上分析,造成高壓控制發生器故障的原因如下:

(1) 燈絲變壓器故障。發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,當管電流值達不到目標值時需要持續性升高燈絲電流，導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。高壓控制發生器的工作環境通常溫度比較高,當部件產生的熱量得不到有效降低時,嚴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主要是磁芯固定膠的開膠所致,與部件長時間在高溫工況下工作有密切聯系。

4 改進措施及效果

4.1 改進對策

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

(2) 降低熱量產生。高壓控制發生器與高壓電纜的高壓絕緣維護不良會產生持續性的高壓打火,導致部件產熱量增加,隨著使用部件的老化,高壓電纜頭與發生器之間的距離需要參考指導手冊進行調整,確保高壓發生控制器正常穩定工作。

(3) 加強日常管理。根據天氣變化適時檢查壓縮氣和冷卻水的冷卻效果,調整流量和壓力,增加對關鍵部位的狀態點檢頻次。

4.2 效果檢驗

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

5 結語

多功能測厚儀作為熱軋帶鋼生產的“眼睛”,可以測量熱軋帶鋼的凸度、厚度、寬度、楔形、輪廓等相關數據,與生產和質量有密切的關系。通過對本次異常原因的深入剖析,結合優化措施,從根本上解決了燈絲電流升高的故障,為設備順行、產品持續生產提供了強有力的保障。