棒材生產(chǎn)線倍尺剪的優(yōu)化控制

朱擁民

(山西太鋼不銹鋼股份有限公司，山西 太原 030003)

0 引言

倍尺剪作為棒材生產(chǎn)線的核心設(shè)備，其功能精度對定尺收得率、熱倍尺能否順利上冷床，特別是棒材成材率和軋制效率起著至關(guān)重要的作用。太鋼不銹線材廠共有高線、小棒和大棒三條生產(chǎn)線，以220 mm×220 mm×3 500 mm的初軋坯、連鑄坯為原料，能夠生產(chǎn)Φ5.5 mm～Φ20 mm的線材和Φ16 mm～Φ120 mm的棒材。因產(chǎn)品種類多、規(guī)格范圍廣，共有18條工藝路徑完成上述產(chǎn)品的軋制要求。其中，小棒生產(chǎn)線于2012年投產(chǎn)，2019年完成智能化升級改造，能夠滿足Φ16 mm～Φ80 mm的直條棒材和Φ6 mm～Φ50 mm的螺紋鋼的生產(chǎn)要求。

1 倍尺剪工藝概況

1.1 小棒工藝流程

小棒生產(chǎn)工藝流程為：加熱爐→高壓水除鱗→開坯機→粗軋機組→中軋機組→31H、32V短應(yīng)力軋機→KOCKS棒材減定徑→倍尺剪→裙板輥道→冷床→定尺鋸切→稱重→打包。在各機組之間均設(shè)有飛剪用于切頭尾、事故時進行碎斷。在軋線上設(shè)有水冷裝置，用于實現(xiàn)控溫軋制和熱機軋制，滿足所有品種的要求。在棒材減定徑機組出口設(shè)有測徑儀，對軋件進行在線測徑。

1.2 倍尺剪工藝參數(shù)

倍尺剪為啟停式飛剪，通過電氣控制完成每一次剪切，有切頭、切尾和事故時碎斷功能。飛剪有曲柄式和回轉(zhuǎn)式兩種模式[1]，當成品規(guī)格≤Φ35 mm時采用回轉(zhuǎn)式，Φ50 mm>成品規(guī)格>Φ35 mm時采用曲柄式，當成品規(guī)格≥Φ50 mm時采用曲柄式并增加一個飛輪, 以提高剪刃動作的平衡性。為便于棒材咬入，在其上游裝有剪前夾送輥。倍尺剪電機為上海電機廠生產(chǎn)的YSBPKK500-6交流電機，額定功率為650 kW，額定電壓為690 V，額定電流為685 A，額定轉(zhuǎn)速為980 r/min。軋線控制系統(tǒng)采用西門子PLC S7-1518-4PN/DP集中控制，西門子變頻器S120作為電機傳動控制裝置。倍尺剪硬件配置如圖1所示，成品機架編碼器將計數(shù)發(fā)送給PLC的TM Count 高速計數(shù)模塊和S120變頻器，用于鋼坯全長、軋件實際速度的計算以及倍尺優(yōu)化；倍尺剪電機端部編碼器將計數(shù)發(fā)送給S120用于速度調(diào)節(jié)時的速度反饋、計算剪刃位置和倍尺長度；剪刃旋轉(zhuǎn)軸上裝有接近開關(guān), 用于增量式編碼器清零及飛剪初始位校驗，飛剪設(shè)計最高速度為7 m/s。

圖1 倍尺剪硬件配置

1.3 倍尺剪工作原理

倍尺剪剪切過程分為加速階段、勻速剪切階段和減速歸零階段，倍尺剪剪刃運行軌跡如圖2所示。當接到剪切指令時，倍尺剪從初始位加速啟動，轉(zhuǎn)過α1角度達到設(shè)定剪切速度，并進入勻速運行階段，在α2角度內(nèi)完成剪切動作后將剪切速度切換到減速速度，通常為最大剪切速度的30%，剪刃運行α3角度回到初始位，由于慣性作用，剪刃仍要向前擺動，安裝在初始位的接近開關(guān)感應(yīng)后剪刃速度切換到反轉(zhuǎn)速度，該速度與剪刃偏離初始位的距離成正比，并且限幅為最大速度的1%，當剪刃再次運行至初始位時PLC中斷，封鎖S120輸出，剪刃精準停在初始位。通常設(shè)定α1=90°，α2=180°，α3=90°。

圖2 倍尺剪剪刃運行軌跡

2 倍尺剪常見問題分析及優(yōu)化方案

2.1 倍尺剪剪刃速度的修正

倍尺剪的剪切速度是根據(jù)成品機架(即棒材減定徑機組末機架)的速度設(shè)定的，理想狀態(tài)下飛剪剪刃在軋件運動方向的速度應(yīng)等于或稍大于軋件運動速度[2]。軋件溫度的中間高兩端低狀態(tài)、冷床輸送輥道表面產(chǎn)生的磨損、傳動設(shè)備的轉(zhuǎn)速控制精度等因素均會導(dǎo)致軋機速度波動，如果剪切速度與軋件速度偏差過大，一方面影響上一倍尺尾部和下一倍尺頭部的斷面形狀，剪刃也易受損傷[3]；另一方面，如果剪切速度偏大，上一倍尺尾部容易被剪彎，造成冷床輸入輥道或裙板輥道跑鋼、彎鋼過多，也給后續(xù)定尺鋸切帶來不便，影響生產(chǎn)節(jié)奏；當剪切速度偏小時，易導(dǎo)致下一倍尺在飛剪處堆鋼。因此，有必要對倍尺剪剪切速度進行校正。

圖3 倍尺剪區(qū)域設(shè)備布置

2.2 倍尺長度的計算和尾鋼倍尺優(yōu)化

2.2.1 倍尺長度的測量

為此，采用調(diào)整倍尺長度計算起始點的方法，第二倍尺長度的計算從第一倍尺剪切時成品機架開始計數(shù)，當脈沖數(shù)累計達到N時，發(fā)出剪切信號。對于第一倍尺無法避免LS，根據(jù)經(jīng)驗調(diào)整啟動時間和設(shè)定倍尺數(shù)，如Φ30 mm直條棒材，定尺長度4 m，倍尺長度24 m，當設(shè)定統(tǒng)一倍尺24 m時，第一倍尺實際剪切長度為25 m～27 m，通過一段時間觀察，將第一倍尺設(shè)定為22 m，第二倍尺及以后仍為24 m，這樣可以實現(xiàn)所有倍尺實際剪切在24.1 m～24.2 m，有效消除了飛剪啟動階段的干擾。

2.2.2 優(yōu)化剪切

受原料尺寸規(guī)格不同和上游切頭尾長度不一等因素影響，倍尺剪切時棒材長度不可能正好是定尺長度的整數(shù)倍，末端倍尺長短不一，這一問題一直是困擾棒材生產(chǎn)的重點和難點，尾料過短上不了冷床，過長容易造成堆鋼事故，或者與整定尺混在一起需人工挑除，這樣都會影響軋制節(jié)奏。因此，固定倍尺數(shù)已不能滿足當前生產(chǎn)的要求，需要進行倍尺優(yōu)化。

倍尺優(yōu)化控制過程實際上就是對被測鋼坯總長進行線性規(guī)劃的過程，通常分為全長優(yōu)化剪切、末刀優(yōu)化剪切和尾鋼優(yōu)化剪切[4]。全長優(yōu)化剪切的起始點為粗軋機組，由于粗、中軋階段有切頭、切尾、碎斷等動作，使得鋼長度計算偏差較大。末刀優(yōu)化起始點為成品機架，當軋件尾部離開成品機架軋機時，成品機架編碼器開始計算剩余長度，由于現(xiàn)場末機架與倍尺剪距離僅為十幾米，供優(yōu)化的軋件距離較短，不具備尾部調(diào)整的條件。因此采用對尾鋼最后幾刀進行優(yōu)化的方案。

圖4 尾鋼剪切示意圖

3 結(jié)論

倍尺剪的控制關(guān)鍵在于剪切速度、剪切時間以及剪切長度的控制。利用熱檢、成品機架編碼器等對倍尺剪剪刃速度進行每一倍尺的修正，使剪切速度稍大于或等于軋件速度，以確保剪切斷面形狀齊整，減少彎鋼的出現(xiàn)。采用剪切時刻作為倍尺長度的計數(shù)起始點，能夠避免飛剪從啟動到剪切的時間影響，確保從第二倍尺開始的長度準確性。尾鋼優(yōu)化方式能夠克服末機架與倍尺剪距離過近不能及時調(diào)節(jié)的困難，根據(jù)尾鋼不同長度對最后2至3倍尺進行統(tǒng)一優(yōu)化，有效避免了短料上冷床的情況，進一步提高了棒材生產(chǎn)的軋制效率和成材率，希望能給相關(guān)人員提供一定的借鑒。