IMS多功能测厚仪高压控制发生器故障分析及改进措施

余荣超

(宝山钢铁股份有限公司宝钢湛江钢铁有限公司,广东 湛江 524072)

1 概述

多功能测厚仪作为热轧带钢质量监控和记录的大型测量仪表已广泛应用到各大冶金企业,宝钢湛江钢铁热轧厂引进了德国IMS多功能测厚仪(设备结构如图1所示),安装在F7精轧机后,可以测量热轧带钢的凸度、厚度、宽度、楔形、轮廓、温度等相关数据,直接参与精轧轧机AGC自动厚度控制,与生产和质量有密切的关系。

该测厚仪厚度测量基本原理为:

Im=I0e-μρt

(1)

式中:I0为当带钢厚度为0时的检测器接受的射线强度;Im为当带钢厚度为t时的检测器接受的射线强度;μ为被测带钢的吸收系数;ρ为被测带钢的密度;t为被测带钢的厚度。

多功能测厚仪通过高压控制发生器产生高达155 kV的高压电场,通过专用高压电缆与X射线光管相连接,为X射线光管产生X射线提供条件。X射线光管内的热电子在高压电场下加速定向移动轰击阳极靶材产生韧致辐射形成X射线,产生X射线的光管部分一般固定于多功能测厚仪C型架的上臂,带钢从上下臂之间通过,不与设备直接接触。下臂有大量的射线强度检测器,可以检测射线穿过带钢后的射线强度,如图2所示。对特定的带钢其μ、ρ都是恒值,I0也是定值,因此，理论上只要测出Im的变化就能知道带钢厚度t的变化,若检测器数量足够多则可以知道带钢横截面厚度的变化。其核心控制部件的控制流程为:高压控制发生器—高压电缆—X射线管—X射线—检测器(带高压单元)—模数转换和放大处理—图形化显示厚度。

自宝钢湛江钢铁热轧机组投产以来,多功能测厚仪测量状态始终牵动着公司生产节奏,尤其是IMS多功能测厚仪高压控制发生器灯丝电流出现持续升高的故障。从控制流程上可知,高压控制发生器故障会导致设备无法工作而停机,长时间故障停机对公司产品效益造成严重影响。因此,对该设备高压控制发生器的故障原因分析与处理办法的探究十分必要。

2 结构原理

2.1 高压控制发生器的硬件组成

高压控制发生器主要由高压发生器和高压控制器两部分组成。高压控制器是控制调节X射线管管电压和管电流的机构,高压发生器是管电压和管电流产生的执行机构,通过高压控制器对高压发生器进行控制调节,最终通过高压电缆将高压发生器与X射线管连接,输出稳定的目标值。高压控制发生器如图3所示。

2.2 工作原理

高压控制发生器的工作原理是管电压和管电流独立控制。高压部分通过对普通220 V电源进行滤波、斩波和逆变处理后变成PWM脉冲宽度调制控制信号,控制部分输出的控制高压信号进入发生器部分通过高压变压器升压处理,继续通过12倍压整流滤波处理,最终产生155 kV管电压,该部分是在充满高压变压器绝缘油的发生器进行。而管电流的大小与对灯丝电流的控制有密切关系,其主要是通过控制器内的灯丝电流控制板FIL2对灯丝电流进行控制,将得到的PWM脉冲宽度调制控制信号传输至发生器部分通过灯丝变压器降压处理,最终得到目标灯丝电流3.5 A,管电流3.0 mA,其结构如图4所示。

另外,为了确保实际值与设定目标值之间保持一致,控制电路必须包含反馈控制,对管电压、管电流和灯丝电流进行采样处理,使得物理量处于动态平衡调节之中。

3 故障分析

3.1 故障经过

2019年来,多功能测厚仪发生了连续3起高压控制发生器灯丝电流升高而引起的跳电停机故障。经过检测人员检查发现,高压控制器内灯丝电流控制板损坏,且灯丝高压变压器部分磁芯松动,重新更换部件后恢复正常。

3.2 原因分析

为了分析IMS多功能测厚仪高压控制发生器故障原因,分别检查高压发生器和高压控制器状态,并分析其他影响因素。高压控制器内部结构如图5所示,包括灯丝电流控制板FiL2、电源滤波模块、CON B/03 控制板、POS2底板、斩波及驱动模块等。高压发生器内部结构如图6所示,主要由灯丝变压器、高压变压器、 12倍压整流模组、高压采样模块、高压变压器绝缘油等组成。

3.2.1 高压控制器检查

(1) 外部检查。部件整体外观无磕碰破损痕迹,设备供电及通讯接口检查功能正常。

(2) 工况检查。控制器部分在正常工作时电子器件周围温度为50 ℃左右,属于比较高的温度,主要原因是热轧带钢的辐射热使得电子器件产生的热量散热效果降低。

(3) 内部检查。对控制器内部进行解体检查,发现其中灯丝电流控制板卡FiL2电容明显损坏,如图7所示。通过更换新灯丝电流控制板卡FiL2后,故障再次出现,因此判断故障点可能在发生器部分,电流控制板卡FiL2烧坏是故障的直接原因而不是根本原因。

3.2.2 高压发生器检测

(1) 外部检查。部件整体外观无磕碰破损痕迹,未见高压绝缘油渗出,密闭性良好。

(2) 工况检查。对发生器部分在正常工作后立即用点温仪测量其中间温度,为55 ℃左右。由于发生器内充满着高压绝缘油,虽有冷却水冷却,但实际散热效果有限,外部流动压缩空气较少,进一步导致温度升高,温度过高影响内部器件的工作性能和寿命,需要进行改进。

(3) 内部检查。为了进一步找到故障点,拆解检查了发生器。在排查灯丝电流变压器时发现了异常。灯丝电流变压器共分三级,如图8所示,每一级变压器又分为主级和次级,检测到第三级变压器主级线圈电感7.774 mH,次级只有18.237 μH,检测如图9所示。实际主级电感量应该为46 mH,次级为90 μH,因此灯丝变压器的第三级为故障点。在更换第三级灯丝变压器过程中发现该变压器存在磁芯松动,这是故障的根本原因,更换并固定第三级灯丝变压器后设备恢复正常。

3.3 分析结果

综上分析,造成高压控制发生器故障的原因如下:

(1) 灯丝变压器故障。发生器部分灯丝电流变压器故障,控制部分电路需要确保管电流值恒定,当管电流值达不到目标值时需要持续性升高灯丝电流，导致灯丝电流控制采样值一直升高,最终灯丝电流控制板卡烧坏,灯丝电流值超限高压跳电。

(2) 工况温度过高。高压控制发生器的工作环境通常温度比较高,当部件产生的热量得不到有效降低时,严重影响电子部件的工作性能和寿命。该灯丝变压器的磁芯松动主要是磁芯固定胶的开胶所致,与部件长时间在高温工况下工作有密切联系。

4 改进措施及效果

4.1 改进对策

(1) 增加散热装置。在原有的冷却水和压缩空气的基础上,根据实际情况,增加一路压缩空气进入高压控制发生器固定腔体,该路压缩空气外面连接涡流冷却管,提升冷却效果。

(2) 降低热量产生。高压控制发生器与高压电缆的高压绝缘维护不良会产生持续性的高压打火,导致部件产热量增加,随着使用部件的老化,高压电缆头与发生器之间的距离需要参考指导手册进行调整,确保高压发生控制器正常稳定工作。

(3) 加强日常管理。根据天气变化适时检查压缩气和冷却水的冷却效果,调整流量和压力,增加对关键部位的状态点检频次。

4.2 效果检验

2019年来,多功能测厚仪发生了连续3起高压控制发生器灯丝电流升高而引起的跳电停机故障,自6月起对高压控制发生器增加散热和减少产热等措施以后,高压控制发生器工况温度下降5 K,多功能测厚仪工作稳定,再无故障出现。

5 结语

多功能测厚仪作为热轧带钢生产的“眼睛”,可以测量热轧带钢的凸度、厚度、宽度、楔形、轮廓等相关数据,与生产和质量有密切的关系。通过对本次异常原因的深入剖析,结合优化措施,从根本上解决了灯丝电流升高的故障,为设备顺行、产品持续生产提供了强有力的保障。