在線機械性能檢測系統在冷軋帶鋼生產中的應用

徐衛國，鄧冬梅

(山東鋼鐵集團日照有限公司，山東 日照 276800)

0 引言

在當今的冷軋帶鋼市場中，保證成品帶鋼的特定機械性能是提高競爭力的前提。傳統的冷軋帶鋼加工線進行的破壞性材料測試方法，需要時間延遲和間歇性的試驗室測試。這些測試不提供關于產品質量工藝參數的連續性及在線檢測數據。

在線機械性能檢測系統克服了這些限制。它在整個帶材長度上，提供拉伸強度和屈服點的連續和可靠值的測量[1]。只有通過該系統，用戶才能直接在生產過程中進行改變或者優化后續的處理步驟。

1 系統結構

1.1 工作原理

在線機械性能檢測系統是一種基于電磁感應原理的測量系統，用于對鐵磁性鋼帶的機械特性進行自動、無損檢測[2]。基于對帶鋼的周期性磁化，以及在帶鋼兩側剩余磁場強度梯度，分析得出測量結果。通過使用該系統，對鋼卷的機械性能質量進行了完全的記錄。

每個傳感器構成一個磁化線圈。為了冷卻，線圈浸沒在變壓器油中，所產生的熱量經由冷卻單元散發到大氣中。

發電機通過發射線圈將帶鋼磁化。在每個傳感器中都有一個接收線圈，用于檢測剩余磁場強度[3]。系統工作原理如圖1所示。

圖1 系統工作原理圖

兩個磁體周期性地在移動的鋼片上產生磁場，在兩個接收線圈之間移動的局部磁化帶將產生一個信號。該信號與帶鋼表面的剩余磁場強度成正比。處理單元用于計算帶鋼每個表面的剩余磁場強度的梯度，并通過對兩個信號的平均值進行求和，得到對帶鋼振蕩的補償。

系統由三個單元組成:傳感器、數據處理單元(data processing unit,DPU)以及服務器。

1.2 傳感器

為了自動、無損、在線測試鋼卷的機械特性，帶鋼機械性能測量系統主要檢測帶鋼(厚度為0.15～3 mm)的抗拉強度、屈服點。它由一組對鋼板磁化的激磁線圈、一組測量線圈組成。根據F?rster傳感器原理測量剩余磁場強度的梯度變化，并通過線性回歸模型計算帶鋼的機械性能[4]。為了使帶鋼進行充分磁化，要求在帶鋼的兩面都安裝傳感器。該測量方法可在帶鋼運行速度為6～900 m/min的條件下進行測量，剩余磁場強度的梯度變化測量的檢測誤差最大為5%。附加誤差是帶鋼測頭在感應范圍內的抖動所引起的，帶鋼在±5 mm內抖動而產生的最大誤差為2%。

測量剩余磁場強度的梯度變化誤差，只會部分影響線性回歸模型計算機械性能的準確性。

這種傳感器的緊湊設計可以方便、快捷地集成到現有的生產線中，它使傳感頭鎖定在維護位置和測量位置。其他非磁性零件的最小距離(500 mm)由剛性墊片保持。根據帶鋼(水平或垂直)傳輸通道的不同，機械力度也不同。

1.3 數據處理單元

數據處理單元的主要功能是給激磁線圈供電、采集并處理。它由振蕩器、數據采集單元、標定裝置和可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)組成。

振蕩器為激磁線圈提供一個激磁電流，它產生的脈沖磁場最大頻率為7.5 Hz。數據采集單元同步采集已被磁化帶鋼的磁場梯度測量值。這些信號被傳輸到服務器中處理后，顯示為機械性能參數[5]。標定裝置用來標定探測頭和數據采集裝置，可在傳感器頭中間位置安裝一個額外的標定測頭，用一個可控的脈沖以模擬帶鋼磁場進行標定。PLC單元可以對帶鋼速度、長度和磁化等數據進行同步采樣。PLC單元還采集其他輔助的外部信號(如壓下量、延展率和焊接信號)。

1.4 服務器

服務器是整個系統的控制和分析單元。通過服務器，可實現往返于主從網絡的數據交換。其主要通過雙向Profibus-DP或以太網接口(TCP/IP協議)來實現[6]。

以下數據為強制性給定:帶鋼名稱、鋼種級別、帶鋼厚度、延展率、帶鋼寬度。

2 軟件系統

系統功能通過軟件實現，基于LabVIEW軟件的幾個應用程序軟件包可用于該系統，計算并顯示機械性能的抗拉強度和屈服點。

軟件提供以下功能。

①在線顯示鋼級強度的拉伸強度和線圈長度的屈服點。

根據鋼級的具體模型，對所測數據進行在線計算并顯示力學性能、抗拉強度和屈服點。

②可獲得的重要鋼材等級的預定義回歸模型。

基于各種裝置的已有數據，建立了回歸模型的數據庫。這些預定義的模型存儲在系統中，只需對其進行驗證，該系統即可在短時間內啟動[7]。

③符合用戶定義的鋼材等級的回歸模型。

初始參數并未預先定義，而是要匹配鋼鐵等級要求的模型。新的參數是根據統計模型(多重回歸)計算得到的。

拉伸強度的測量模型精度為±5%，鋼級的屈服點為±10%。規定每年對回歸模型的系數進行一次檢驗和優化。

④鋼種等級的定義-特殊警告-操作限制。

對于不同等級的鋼材，用戶要有明確的警告和行為限制[8]。在這些范圍內，機械材料性能必須符合要求。通過對拉伸強度和屈服點的圖形，以及在線顯示的警告和動作限制的觀察，系統操作員可以對該過程進行控制。

⑤顯示質量比(Cp，Cpk)。

在對質量進行控制和分析的情況下，可以確定一定的質量比率。

在計算臨界過程能力指標Cpk時，在上、下過程能力指數之間進行最小選擇:

(1)

式中：UG為上限值；OG為下限值；χ為平均值；σ為標準差。

3 數據分析

測量數據保存在一個微型數據庫中，進行網絡連接的測量數據可以隨時訪問該數據庫[9]。計算機的報警信息、故障發生或操作上的錯誤，每天通過在線應用程序存儲在日志文件中，并可以在任何時間、任何情況下對其進行可視化。

拉伸強度與表面通過率及帶鋼長度的屈服度有關[10]。離線數據曲線如圖2所示。

圖2 離線數據曲線

在線機械性能檢測系統軟件為回歸分析和過程優化提供幫助?；谛碌幕颥F有的鋼材等級，通過統計程序(多元回歸分析)計算未預先定義或優化現有模型系數[11]。

通過與破壞性材料試驗中產生的機械特性進行對比，計算測量的機械性能值的抗拉強度和屈服點。為了獲得準確的統計量，查閱了500多份資料記錄，抗拉強度回歸分析如圖3所示。驗證得出結論：當抗拉強度的回歸程度達到70%以上時，該模型為最優模型。

圖3 抗拉強度回歸分析圖

4 結束語

山鋼日照鋼鐵精品基地冷軋產線是山鋼產品結構轉型升級的重要一步，也是日照公司技術的制高點和運營的盈利點。主導產品為高級汽車面板、高檔汽車結構鋼及高級家電板等高附加值的精品板材。在熱鍍鋅和連退產線中，本文開發、使用了該帶鋼機械特性在線測量系統，并對其工藝性能進行了優化。該系統大大提高了帶鋼機械性能質量和材料的屈服強度，為提供優質的汽車板奠定了良好基礎。