磁致伸缩位移传感器在轧机HGC应用研究

　　一、概述

　　磁栅检测技术通常应用在轧机的液压辊缝高精度测量系统中，是专门针对冶金行业轧机所设计、研制的高精度辊缝位移传感器，凭借其高度稳定性，在国内外市场占有非常重要的地位，在各个国家的冶金制造业中得到了广泛的应用，比如在中国的大中型钢铁联合企业里都有使用。磁栅检测技术也是国内用户和大部分设计单位的首选产品。随着市场的不断开放，在国家重点项目引进的设备，以及国内自行开发和改造的新旧轧制设备中，大量应用了辊缝位移传感器，比较典型的如磁致伸缩位移传感器。磁致伸缩位移传感器能够在极端恶劣的工况下，为现场用户提供实时、稳定、准确、连续的直线位移信号，广泛应用于冶金装置、风电设备、工程机械、橡胶机械、港口码头机械、各种矿山机械、能源及其他工业自动化领域。

　　磁栅传感器是利用磁栅与磁头的磁作用进行测量的位移传感器。它是一种新型的数字式传感器，成本较低且便于安装和使用。当需要时，可将原来的磁信号（磁栅）抹去，重新录制。还可以安装在机床上后再录制磁信号，这对于消除安装误差和机床本身的几何误差，以及提高测量精度都是十分有利的。并且可以采用激光定位录磁，而不需要采用感光、腐蚀等工艺，因而精度较高，可达±0.01mm/m，分辨率为1~5μm。

　　磁致伸缩位移传感器，是利用磁致伸缩原理，通过两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号来准确地测量位置。测量元件是一根波导管，波导管内的敏感元件由特殊的磁致伸缩材料制成。测量过程是由传感器电子室内产生的电流脉冲在波导管内传输，从而在波导管外产生一个圆周磁场，当该磁场和套在波导管上作为位置变化的活动磁环产生的磁场相交时，由于磁致伸缩的作用，波导管内会产生一个应变机械波脉冲信号，该信号以固定的声音速度传输，并很快被电子室检测到。

　　4200mm厚板厂轧机的液压辊缝检测也是采用磁栅检测技术，但是在使用过程中却出现了较多问题。为此，研究磁致伸缩位移传感器在该领域的应用具有重要意义。

　　二、轧机HGC磁栅传感器应用介绍

　　4200mm厚板厂共有两台轧机，轧机的辊缝控制分为机械压下辊缝和液压压下辊缝，其中液压压下的辊缝检测采用的是磁栅传感器。每台轧机有8个传感器，传感器的信号通过索尼专用的电缆传回索尼磁栅处理器，再到TDC系统的SM500模块，通过TDC系统比较实际辊缝和设定辊缝的偏差，经过模型计算后得到一个理想的给定值，控制伺服阀输出，从而使得辊缝的实际位置与设定位置保持一致，其流程见下图。

　　HGC磁栅传感器在现场的使用情况如下图所示。

　　从上图中可以看出，磁栅传感器由磁栅尺、读数头、弹簧、橡胶保护套组成。左侧传感器的状态表示传感器的上端受到了压力，弹簧收缩；右侧的状态表示传感器上端压力释放，由于弹簧的弹力，

　　传感器上端伸出。传感器安装在油缸的侧边，每个油缸安装4个传感器，分别位于油缸的对角线处。当HGC辊缝需要增大时，油缸往下收缩，传感器上端也跟着收缩；当HGC辊缝需要减小时，油缸往上抬升，传感器上端也跟着往上抬升。在生产轧制过程中，由于辊缝始终在调整，传感器一直处于伸缩变化状态。

　　三、存在的问题及原因分析

　　经过3年的使用，采用这种磁栅传感器主要存在的问题有：

　　（1）故障率高，停机时间和异常材多。粗轧精轧两台轧机基本每两个月就会出现一次因为磁栅传感器故障导致轧制异常，造成停机和产生异常材，另外，在轧制过程中若发生磁栅传感器故障还会导致检测的辊缝实际位置失真，造成辊缝与实际不准，最终导致卡钢、断辊、主轴窜动量过大等问题，严重危及设备安全。

　　（2）备件成本高。2017年至2019年生产期间，仅该传感器的备件成本高达49.65万元，年平均备件成本为16.55万元。

　　（3）传感器安装和维护难度大，作业人员存在较大的安全隐患。

　　以上问题产生的原因是HGC传感器安装在轧机机架内部，长期受除鳞水、轧辊冷却水、辊道冷却水的冲洗，且空间较密闭，高温钢板将水分汽化为蒸汽，空气不流通，长期闷在机架里。

　　传感器损坏原因具体分析如下：①磁栅传感器的读数头经常受水汽的影响导致检测不准确或者报错。②磁栅传感器保护罩内部的弹簧容易卡死变形。③弹簧在使用一段时间后弹力下降，无法跟随油缸的动作，导致检测不准。④橡胶保护套破裂，导致传感器内部进水。⑤磁尺弯曲变形。

　　橡胶保护套破裂次数最多，保护套破裂后就会导致传感器内部进入水汽和杂质，最终造成读数头损坏和内部磁栅尺卡阻后弯曲，归根结底为防水不好。

　　另外，由于传感器安装位置空间有限，且存在临边作业，传感器质量大约20kg，安装时必须将传感器压缩至完全收回状态才能将传感器安装到位，且需要两人配合同时作业，安装维护工作难度大。

　　四、解决措施

　　1、可行性分析

　　分析磁致伸缩位移传感器替代磁栅位移传感器的可行性，分别比较这两种传感器的性能参数（表1）和响应速度（下图），主要是检测磁致伸缩位移传感器能否满足现场实时准确检测辊缝的要求。从性能参数看，两种类型的技术参数相差不大，但磁致伸缩位移传感器的防护等级可灵活加工。

　　表1性能参数比较

类别	测量范围/mm	分辨率/（mm·s-1）	重复精度/μm	迟滞/μm	工作温度/℃	防护等级
磁栅位移传感器	50~1000	无限	80.00	250.00	-30~100	IP67
磁致伸缩位移传感器	50~8000	0.1	3.00	4.00	-40~85	可定制IP67/IP68

　　从上图4看，磁致伸缩位移传感器的平滑度更好，更能及时反映现场的实际位置，响应更快；理论上讲，替换具有可行性。

　　2、具体对策

　　根据以上分析，现场传感器主要由于防护等级不够导致传感器内部进入水汽而频繁出现故障，为此从如何做好防水的角度出发，利用磁致伸缩位移传感器，根据现场实际情况对其设计一款专用的外层防水罩，如下图所示。

　　其主要特征是：①整个外壳采用不锈钢材质做成圆柱形空心壳，其中末端为全封闭，侧边带电缆出线孔，前端采用可灵活拆装的锁紧螺栓进行密封；②传感器装入防水罩以后，防水罩内部采用硅胶填满，然后采用锁紧螺栓固定。

　　由于在西门子TDC程序中对磁栅传感器和磁致伸缩位移传感器的数据处理方法不一样，为此需要建立新的数据换算模型，将传感器数据转换成实际位置数据。

　　五、实现效果

　　（1）在技术上，磁致伸缩位移传感器可以完全替换磁栅传感器。轧制过程中，辊缝可以得到有效控制，轧制板形良好，伺服阀的输出与原来相比基本相同。

　　（2）结合2020年和2021年的使用情况，备件成本相比之前每年下降了14.5万元。

　　（3）新型传感器体积更小，质量更轻，安装和维护更方便。

　　（4）将与磁栅传感器配套使用的磁栅处理器替换为SU13模块，SU13成本仅占索尼磁栅处理器的百分之一。

　　六、结论

　　磁致伸缩位移传感器优化改良防护等级后，使用在轧机HGC领域。经过几年的使用验证，证明了在厚板产线，磁致伸缩位移传感器的技术性能完全满足轧制生产需求，打开了磁致伸缩位移传感器在轧机HGC应用的大门。其稳定性相对于索尼磁栅传感器更高，维护和安装方式更加方便简洁，在价格方面更占有绝对性优势，磁致伸缩位移传感器价格只占索尼磁栅传感器的1/8.

　　此外还省去了昂贵的索尼磁栅传感器的配套检测器MD50-2N。只有大胆地尝试运用各种技术，结合现场实际情况，敢于发散思维去创新，才能找到最适合现场的生产应用技术和产品，为稳定生产提供更加安全的保障。