尺寸智能控制系統(tǒng)在優(yōu)質(zhì)合金棒材生產(chǎn)線上的應(yīng)用

胡寅峰，蘇 煒，丁 敬，方 強(qiáng)

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽馬鞍山 243000）

引言

尺寸精度是棒材產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，為保證產(chǎn)品尺寸滿(mǎn)足客戶(hù)要求，棒材生產(chǎn)線通常采取的做法是對(duì)熱軋棒材進(jìn)行人工取樣，根據(jù)尺寸測(cè)量結(jié)果手動(dòng)調(diào)整若干軋機(jī)的輥縫值，開(kāi)始下一次軋制和取樣，不斷重復(fù)這一過(guò)程，直至產(chǎn)品尺寸精度達(dá)到理想值并保持穩(wěn)定。在這種手動(dòng)尺寸控制下，尺寸精度取決于尺寸測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性以及軋機(jī)調(diào)整工的經(jīng)驗(yàn)和技能水平。

伴隨鋼鐵產(chǎn)業(yè)升級(jí)腳步不斷加快和智能制造的蓬勃興起，利用機(jī)器智能取代人工經(jīng)驗(yàn)成為大勢(shì)所趨，馬鋼特鋼優(yōu)質(zhì)合金棒材生產(chǎn)線就在尺寸智能控制上進(jìn)行了率先嘗試，并取得了良好的效果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該尺寸智能控制系統(tǒng)以SCS（Size Control System）為核心控制單元，以熱金屬檢測(cè)儀和4D Eagle輪廓儀為檢測(cè)單元，以RSB 370++三輥減定徑機(jī)組（配備RC 遠(yuǎn)程控制功能）為執(zhí)行單元，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 尺寸智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 SCS

SCS是尺寸智能控制系統(tǒng)的大腦，集成了Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)、BAMICON 軟件和IBA 數(shù)據(jù)采集和分析軟件，與軋線PLC、RC 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和4D Eagle 輪廓儀進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，利用實(shí)時(shí)棒材尺寸數(shù)據(jù)，對(duì)減定徑機(jī)組的速度和輥縫進(jìn)行控制。

1.2 4D Eagle

4D Eagle 輪廓儀屬于光柵測(cè)量?jī)x表，由BVPC、DBPC、高精度攝像頭和水冷系統(tǒng)組成。4 個(gè)高精度攝像頭互呈90°圍繞棒材軸向布置，利用計(jì)算機(jī)3D重建技術(shù)對(duì)棒材表面輪廓進(jìn)行高精度逐點(diǎn)測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)棒材尺寸的實(shí)時(shí)在線測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果傳輸給SCS。

1.3 RSB370++

三輥減定徑軋機(jī)是1954 年由德國(guó)KOCKS 公司推出，在國(guó)內(nèi)棒線、管材加工中廣泛應(yīng)用[1]。減定徑機(jī)組通常由4～5 架三輥機(jī)架組成，主要對(duì)預(yù)精軋機(jī)組的圓形軋件進(jìn)行減徑、定徑[2]，能可靠穩(wěn)定地生產(chǎn)尺寸公差小、表面質(zhì)量好、冶金質(zhì)量好的高檔次鋼材，并具有良好的生產(chǎn)柔性，可縮短交貨周期，提高成材率，提高軋機(jī)利用率，降低生產(chǎn)成本[3]。

RSB 370++三輥減定徑機(jī)組采用最新一代三輥傳動(dòng)系統(tǒng)，三輥軋機(jī)放置在一個(gè)共同的支撐框架，通過(guò)電動(dòng)鏈條系統(tǒng)，每個(gè)機(jī)架可以單獨(dú)地移進(jìn)和移出。通過(guò)RC 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可以快速對(duì)軋輥和導(dǎo)衛(wèi)輥縫位置進(jìn)行調(diào)整。

圖2 RC遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

2 工作原理

棒材尺寸精度的影響因素主要是孔型調(diào)整以及機(jī)架間張力。孔型調(diào)整即三輥軋機(jī)軋輥和導(dǎo)衛(wèi)輥縫位置調(diào)整，通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，伺服電機(jī)變頻器由RC 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)PLC 進(jìn)行控制。機(jī)架間張力由軋機(jī)速度決定，通過(guò)改變主電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以實(shí)現(xiàn)棒材軋制張力的調(diào)節(jié)。RSB軋機(jī)由主電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，主電機(jī)變頻器由軋線PLC進(jìn)行控制。

借助熱金屬檢測(cè)儀和4D Eagle 輪廓儀，SCS 可以得的棒材尺寸的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并顯示在HMI 上。通過(guò)對(duì)尺寸設(shè)定值與實(shí)際值的偏差進(jìn)行運(yùn)算和分析，SCS會(huì)發(fā)送張力系數(shù)修正值給軋線PLC，由軋線PLC對(duì)主電機(jī)速度在軋制期間進(jìn)行適時(shí)調(diào)整；同時(shí)SCS會(huì)在本根棒材軋制結(jié)束后，向RC 遠(yuǎn)程控制PLC 發(fā)送軋輥和導(dǎo)衛(wèi)輥縫位置修正值，利用軋制間隙快速調(diào)整輥縫值。

2.1 速度控制策略

軋線PLC 從BAMICON 數(shù)據(jù)庫(kù)讀取減定徑機(jī)組軋制表中各機(jī)架主電機(jī)參考轉(zhuǎn)速，結(jié)合HMI 上各機(jī)架間張力系數(shù)值和整體張力系數(shù)值，計(jì)算出各主電機(jī)最終設(shè)定轉(zhuǎn)速。以4機(jī)架為減定徑機(jī)組末機(jī)架為例，該電機(jī)轉(zhuǎn)速為n4=n4-ref×MS/100；3 機(jī)架電機(jī)轉(zhuǎn)速為：

n3=n3-ref×(1-(tf+tf34)/100)×MS/100。

式中：MS——速度比例系數(shù)（0-100%）；

tf——整體張力系數(shù)值；

tf34——3架和4架之間張力系數(shù)值；

n3-ref和n4-ref——3架和4架的軋制表參考轉(zhuǎn)速。

在尺寸智能控制投入使用的情況下，SCS 會(huì)根據(jù)棒材斷面尺寸實(shí)時(shí)測(cè)量值，發(fā)送整體張力系數(shù)值給軋線PLC，從而改變減定徑機(jī)組各機(jī)架主電機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)通過(guò)張力的變化來(lái)調(diào)整棒材尺寸。

2.2 位置控制策略

減定徑機(jī)組每個(gè)機(jī)架的三個(gè)輥環(huán)形成了近似圓形的孔型，棒材中心與軋輥表面接觸部位處的距離稱(chēng)為DT，棒材中心與各輥環(huán)空隙處的距離稱(chēng)為GT。在軋制過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)孔型未充滿(mǎn)和過(guò)充的情況,見(jiàn)圖3。

圖3 未充滿(mǎn)和過(guò)充孔型

出現(xiàn)未充滿(mǎn)情況時(shí)，4D Eagle 輪廓儀檢測(cè)出的棒材尺寸DT 和GT 值會(huì)偏小，SCS 會(huì)在本支軋件軋制完成后給RC 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)發(fā)送縮小機(jī)架輥縫的修正值。出現(xiàn)過(guò)充情況時(shí)，4D Eagle 輪廓儀檢測(cè)出的棒材尺寸GT 值會(huì)偏大，SCS 會(huì)在本支軋件軋制完成后給RC 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)發(fā)送擴(kuò)大機(jī)架輥縫的修正值。操作人員只需在BAMICON HMI 上點(diǎn)擊Adjust即可快速完成輥縫調(diào)整。相應(yīng)的調(diào)整可以在坯料間隙最長(zhǎng)1 min之內(nèi)完成,且調(diào)整精度的最大誤差為0.02 mm。[4]

3 應(yīng)用情況

馬鞍山鋼鐵股份有限公司特鋼公司于2018年9月投產(chǎn)一條優(yōu)質(zhì)合金棒材生產(chǎn)線，生產(chǎn)規(guī)格Φ16～90 mm 熱軋圓鋼，品種有合金結(jié)構(gòu)鋼、軸承鋼、彈簧鋼、齒輪鋼等，定尺長(zhǎng)度4～12 m。軋鋼原料為250 mm 連鑄方坯和Φ280 mm 連鑄圓坯[5]。該生產(chǎn)線設(shè)計(jì)年產(chǎn)量40 萬(wàn)t，軋線配置一座加熱能力120 t/h 的步進(jìn)式加熱爐，26 架軋機(jī)（粗軋機(jī)組4 架、中軋機(jī)組2+6 架、預(yù)精軋機(jī)組6 架、精軋機(jī)組4 架、RSB370++減定徑機(jī)組4 架）。采用連續(xù)軋制工藝，粗、中、預(yù)精、精軋機(jī)組全部采用平立交替布置，實(shí)現(xiàn)全線無(wú)扭軋制。采取單一孔型系統(tǒng)軋制，共用性高，產(chǎn)品尺寸控制靈活自由，精度高，可實(shí)現(xiàn)熱機(jī)軋制，改善產(chǎn)品表面質(zhì)量，提高產(chǎn)品內(nèi)部性能。

生產(chǎn)線自2018 年投產(chǎn)以來(lái)，已實(shí)現(xiàn)16～90 mm任意尺寸軋制。選取45、GCr15、60Si7 和42CrMo 四個(gè)代表鋼種，分別對(duì)16 mm、34 mm 和90 mm 三種尺寸進(jìn)行了尺寸精度測(cè)試統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表1。

表1 尺寸精度統(tǒng)計(jì)

投用尺寸智能控制系統(tǒng)后，尺寸精度得到明顯提高，均可達(dá)到1/6 DIN 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，并具備如下優(yōu)點(diǎn)。

（1）尺寸一次命中率大幅度提高，減少試軋坯投入量。

（2）軋制過(guò)程中通過(guò)減定徑機(jī)組內(nèi)張力的調(diào)整及消化，確保了整支圓棒的尺寸精度。

（3）大大降低因人工調(diào)整失誤導(dǎo)致減定徑機(jī)組內(nèi)張力不穩(wěn)定的堆鋼事故發(fā)生，提高了生產(chǎn)效率。

4 結(jié)論

尺寸智能控制系統(tǒng)在馬鋼特鋼優(yōu)質(zhì)合金棒材生產(chǎn)線的應(yīng)用實(shí)踐表明該系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，相較于人工尺寸調(diào)整，具有顯著優(yōu)勢(shì)。

(1)4D Eagle 輪廓儀高精度的檢測(cè)，保證了系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)跟蹤整支軋件的斷面輪廓，減少了紅檢取樣頻率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和成本，提高了生產(chǎn)效率；

(2)避免了因量具不準(zhǔn)或卡量失誤，造成的成品尺寸調(diào)整不達(dá)標(biāo)的事故；

(3)尺寸智能控制保證了產(chǎn)品尺寸的高精度，由于成品精度不依賴(lài)于操作者個(gè)人水平，從而保證了產(chǎn)品質(zhì)量的可持續(xù)性和重復(fù)性。