用于熱態無縫鋼管的分體式表面質量檢測系統

彭鐵根,何永輝,蘇惠超

(寶山鋼鐵股份有限公司1.中央研究院,上海 201999; 2.鋼管條鋼事業部,上海 201900)

1 概述

寶鋼無縫鋼管φ140 mm機組于1985年11月投產。在1993年達產的基礎上,產量步步攀升,2002年產量達到80萬t,最高年產量達到84.5萬t,創國際同類連軋管機組最高水平[1]。通過多年來的生產以及攻關、改造與更新,對工藝裝備的持續改進和更新,連軋管機組達到同類機組國際先進水平,油井管加工和高壓鍋爐管精整的工藝裝備達到國際領先水平。

與生產工藝技術提升相矛盾的是,國內大多數廠家的無縫鋼管廠在熱軋線軋制后外表檢測方面還停留在僅依靠人工取樣和人工目測巡檢等傳統模式,缺陷檢測技術能力得不到有效提升。傳統的檢測手段受限于人工取樣頻度,勞動強度大,加之外表巡檢目測所在的冷床位置溫度很高,具有較大的安全隱患。另外,無縫鋼管外表缺陷發生后,當班生產時經常不能及時發現軋制批量缺陷,更不能發現零星軋制缺陷,給生產廠造成較大的經濟損失,因此迫切需要具備實時進行熱態鋼管表面質量檢測的手段。在熱態棒、線材表面缺陷視覺檢測方面,國際上目前只有較少的幾家單位進行這類產品的研發,如OG公司、達涅利公司等,但相關技術還不成熟。

從1998年開始,寶鋼股份中央研究院BaoVision項目組就開始從事鋼鐵產品表面質量在線檢測技術的研究與應用,目前已開發冷軋、涂鍍、熱軋、硅鋼、厚板、高線等多個系列的在線檢測裝備[2-4]。2015年,BaoVision項目組聯合寶鋼無縫鋼管廠進行了熱態無縫鋼管表面質量在線檢測系統項目的立項,開始研究開發一種分體式架構的熱態無縫鋼管表面質量在線檢測系統,該設備于2018年10月正式上線運行,系統性能具有國際先進水平。

圖1為熱態無縫鋼管表面質量在線檢測系統架構示意圖。

圖1 熱態無縫鋼管表面質量在線檢測系統架構

2 自動對焦成像模型

為了實現熱態無縫鋼管表面質量在線檢測,在熱態鋼管進入冷床拋料之前的位置設置檢測點。為了將檢測設備嵌入輸送輥道,對現場輸送輥道進行了改造。檢測設備采用分體式結構,在輸送輥道兩側錯位布置,以便于日常檢修和維護。圖2為設備安裝示意圖。

圖2 檢測設備安裝示意圖

針對不同管徑的鋼管,需要自動進行對焦調整。該檢測系統針對無縫熱軋鋼管表面檢測提出的一種表面檢測裝置自動對中對焦調整方法,根據鋼管直徑規格自動實現成像系統的調整,實現無縫鋼管在運動過程中的實時檢測。與變焦成像系統不同,該對中對焦調整方法不改變成像系統的分辨率。

基于分體式視覺檢測架構,根據鋼管直徑分別計算對中和對焦調整參數,應用PLC對伺服電機進行控制,自動完成對中調整和對焦調整。鋼管在斜輥道上運行時,因鋼管自重的影響,鋼管將落在斜輥道斜面和輥面之間。當鋼管直徑規格變化時,鋼管中心將沿斜輥道斜面和輥面之間的角平分線進行變化,如圖3所示。

圖3 對中對焦示意圖

分體式檢測裝置1內含3組成像單元,3組成像單元的移動軌道通過同一圓心,相互夾角60°,完成鋼管3一半表面的檢測,另外一半由交錯布置的另一分體式檢測裝置完成。下面將以分體式檢測裝置1的對中對焦調整為例進行說明,另一分體式檢測裝置與此類同。假設成像距離(成像單元的CCD靶面至被測對象表面)為R,以斜輥道4的輥面5斜面6之間的交點O為圓心,以半徑R畫圓,若分體式檢測裝置1與該圓的距離為D(中間相機CCD靶面到該圓距離),則可將分體式檢測裝置1沿水平方向移動距離D,并在高度方向上進行調整,最終使3組成像單元的中心與O點重合,到達基準位置,效果如圖4所示。分體式檢測裝置1與斜輥道之間的高度可在設備安裝前調整到位。當生產不同管徑的鋼管時,均以基準位置為起點進行對中對焦調整。

圖4 分體式檢測裝置與斜輥道之間的位置關系

當鋼管直徑變化時,分體式檢測裝置1沿鋼管中心線方向進行調整,設鋼管半徑為r,斜輥道輥面與斜面之間的夾角為α,則分體式檢測裝置1沿鋼管中心線方向調整的距離為r/sin(α/2),中間成像單元從C1點移動到C2點,C1C2O1O為平行四邊形,如圖5所示。

圖5 對中對焦調整示意圖

為保證成像距離為R,對于直徑為2r的鋼管,各成像單元需沿各自的滑動軌道向外側移動r的距離,以完成對焦調整,如圖5(c)所示。

3 現場應用

2016年底,基于分體式的熱態無縫鋼管表面質量在線檢測系統上線安裝,圖6為現場安裝情況。

圖6 設備現場安裝

設備上線后,項目組進行了較長時間的熱防護改進及軟件功能完善,最終得到了滿意的檢測效果。圖7為熱態鋼管表面成像效果,圖8和圖9為兩個應用案例。

圖7 熱態無縫鋼管表面質量在線系統成像效果

圖8 輥面出現異常磨損

圖9 A輥倒角損壞

案例1:2018年8月8日夜丁班,φ139.7 mm×9.4 mm套管張減機開軋300支左右,5#機架輥面出現異常磨損,并逐漸加深,管子外表呈波浪狀“壓痕”。該架機架下線后報廢停用。

案例2:2018年9月27日早乙班,批量生產φ52.4 mm×6.5 mm鉆探管,爐號18326336,操作工通過檢測畫面發現,開軋30支后管子外表有規律性間距800 mm的“壓痕”缺陷,停機后檢查發現φ52.4 mm張減輥成品倒數第二架A輥倒角壞,及時更換后管子質量正常。

4 結論

由寶鋼BaoVision項目團隊自主研發的一種分體式熱態無縫鋼管表面質量在線檢測系統在寶鋼無縫廠φ140 mm機組得到成功應用,該系統基于輥道參數建立的自動對中對焦模型,可實現不同規格熱態鋼管的清晰成像。該系統在現場應用兩年多來,通過缺陷檢測報警、在線缺陷處理,不僅大幅減少了外表缺陷批量廢次發生次數、降低了外表缺陷廢發生率,而且減少了外表質量缺陷處理的停機時間,為軋管線外表質量控制提供了強有力支撐。