棒材生產(chǎn)線成品飛剪優(yōu)化剪切的研究

張軍保，趙鴻雁，關(guān)世才，李雨儒，劉莉

（1.天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所，天津300180；

2.天津科技大學(xué) 包裝與印刷工程學(xué)院，天津 300222；3.英納奔薩電氣及電子設(shè)備制造（天津）有限公司，天津 300457）

棒材生產(chǎn)線成品飛剪優(yōu)化剪切的研究

張軍保1，趙鴻雁2，關(guān)世才1，李雨儒1，劉莉3

（1.天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所，天津300180；

2.天津科技大學(xué) 包裝與印刷工程學(xué)院，天津 300222；3.英納奔薩電氣及電子設(shè)備制造（天津）有限公司，天津 300457）

分析了對高速成品飛剪定長倍尺剪切的影響因素及對成品棒材尾段的控制，并對成品飛剪系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行了實(shí)測和理論分析，提出了優(yōu)化倍尺剪切的控制方案，針對剪切的3個(gè)階段：第一刀優(yōu)化剪切、定尺優(yōu)化剪切和尾鋼優(yōu)化剪切采用不同的優(yōu)化方案，達(dá)到最好的優(yōu)化效果。通過實(shí)際應(yīng)用和理論校驗(yàn)，證明了該方案的正確性和可行性。

成品飛剪；優(yōu)化倍尺；尾鋼控制

1 引言

隨著棒材生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，棒材生產(chǎn)線的連續(xù)化、自動(dòng)化水平不斷提高，目前中國大多數(shù)棒材生產(chǎn)線，無論是全新引進(jìn)或建設(shè)，還是老車間改造，一般均使用長尺連鑄坯經(jīng)連續(xù)軋制，然后經(jīng)倍尺剪剪切成用戶要求的整倍尺成品，飛剪是整個(gè)生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備，對生產(chǎn)線的成材率、定尺率有較大的影響。一根鋼坯軋制出的合格鋼材經(jīng)熱倍尺剪剪切成熱倍尺棒材進(jìn)入冷床，若熱倍尺剪只以固定的熱倍尺長度剪切，對每一根鋼坯來說都有可能導(dǎo)致倍尺剪的最后一剪出現(xiàn)短尺材。且該短尺鋼往往具有若干個(gè)定尺長度，碎斷則影響成材率，而直接上冷床則會影響冷床的收集順序或影響冷床上的棒材齊頭。解決此問題的方法是對熱倍尺剪切長度進(jìn)行優(yōu)化，使上冷床的棒材滿足冷床收集要求。

2 飛剪性能和工藝布置

該條棒材生產(chǎn)線是一套18架軋機(jī)的連續(xù)棒材生產(chǎn)線，依次為 K1，K2，…，K18軋機(jī)。其中，前14架軋機(jī)以一平一立的方式交錯(cuò)分布，K15，…，K18為可平可立軋機(jī)，以便于適應(yīng)生產(chǎn)規(guī)格的變化，其設(shè)計(jì)最高成品速度為18m／s。本生產(chǎn)線共設(shè)計(jì)有3套飛剪：K6，K7之間為1＃飛剪；K12，K13之間為2＃飛剪；成品飛剪為3＃飛剪。成品飛剪采用某廠生產(chǎn)的 ZAFQZ-355／42型，315kW，Un為440V，In為795A，剪切最大線速度為18.3 m／s，每分鐘最大剪切次數(shù)為17次／min，剪切規(guī)格○／10～○／40mm，飛剪性能可以達(dá)到該生產(chǎn)線的工藝要求。其高速成品飛剪區(qū)域的工藝布置如圖1所示，生產(chǎn)工藝對3＃飛剪的要求為：1）倍尺剪切合理，自動(dòng)剪切，且可任意調(diào)整；2）冷床長120 m，用戶要求最高成品長度為108m，考慮熱縮因素，紅鋼長度在110m左右。3）尾鋼最小長度40 m，以保證尾鋼能夠正常上冷床。

圖1 成品區(qū)工藝布置圖Fig.1 The line of flying shear for finished-product

圖1中，精軋部分為K13～K18共6臺軋機(jī)，每2架軋機(jī)之間的距離長度3.5m，HMD1，HMD2，HMD3是3個(gè)熱金屬檢測器，負(fù)責(zé)紅鋼鋼頭鋼尾的檢測。

為了保證飛剪的穩(wěn)定運(yùn)行，我們在PLC硬件方面設(shè)計(jì)一套315-2負(fù)責(zé)3＃飛剪的控制，以保證飛剪程序掃描周期的穩(wěn)定。

3 倍尺優(yōu)化剪切

倍尺優(yōu)化剪切包括第一刀優(yōu)化剪切、定尺優(yōu)化剪切和尾鋼優(yōu)化剪切2部分。其中第一刀的判斷是根據(jù)時(shí)間來定的，從第一刀之后可按定長判斷下一刀，其目的是保證每一刀的長度是12m的整倍數(shù)，且盡可能增加成品長度，成品長度越長就會更多減少成品切頭的浪費(fèi)。鋼尾優(yōu)化剪切是為了保證尾鋼能正常上冷床，且保證尾鋼的前一根鋼是12m的整倍數(shù)。

3.1 第一刀優(yōu)化剪切

定尺剪切的第一刀長度是由成品紅鋼出鋼速度v0和定尺長L0確定的。當(dāng)紅鋼通過熱金屬檢測器HMD1時(shí)，PLC檢測到高電平計(jì)時(shí)開始，當(dāng)紅鋼通過熱金屬檢測器HMD2時(shí)，得到紅鋼成品出鋼的速度v0，L0由HMD1到HMD2之間的距離再加上生產(chǎn)要求的定尺長的距離確定：

通過式（1）和式（2）可以計(jì)算得到從HMD1檢測到紅鋼到3＃飛剪動(dòng)作開始的延時(shí)T0，這樣從HMD1檢測到啟動(dòng)定時(shí)器到T0控制3＃飛剪動(dòng)作。

第一刀需要時(shí)間的計(jì)算中，L0是2個(gè)固定值，可以確定無偏差，而v0是每根紅鋼都要計(jì)算的，考慮到熱金屬檢測器的穩(wěn)定性因素以及每一根紅鋼的溫度、材質(zhì)、延伸率等的變化，需要對每一次的v0的計(jì)算值做一個(gè)判斷。首先確定末架軋機(jī)的速度vA，通常情況下，vA等于vK18的編碼器反饋速度，如果K18甩機(jī)架，則vA等于vK17的編碼器反饋速度，以此順延。紅鋼出口會有延伸，所以v0一定是大于vA的，且延伸率通常不會大于1.1倍的末架軋機(jī)速度。流程如圖2所示。

圖2 判斷v0的流程圖Fig.2 The flow chart for adjust v0

圖2中首先對末架軋機(jī)做了判斷，判斷出末架軋機(jī)的速度vA，再對vA的準(zhǔn)確性進(jìn)行判斷，確定vA沒有問題則把vA等賦給當(dāng)前使用的速度v0，否則則使用上一次的出口速度。

3.2 定尺優(yōu)化剪切

定尺優(yōu)化剪切也就是式（2）中的ΔL，為了精確控制定尺長度ΔL，首先分析一下飛剪在整個(gè)剪切過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖3所示。

圖3 剪刃運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.3 The chart of flying shear track

剪刃接到剪切命令從停止位置開始啟動(dòng)經(jīng)過4個(gè)階段：加速階段α1；勻速階段α2；減速階段α3；反向階段α4。剪刃閉合的剪切是在勻速階段α2完成的，而當(dāng)生產(chǎn)速度有變化的時(shí)候，3＃飛剪從剪刃停止位置到剪刃閉合位置的行程時(shí)間是不一樣的，以飛剪線速度8m／s和12m／s為例比較一下到達(dá)剪刃閉合位置需要的時(shí)間，如圖4所示。

圖4 飛剪行程時(shí)間比較Fig.4 The route time of flying shear

飛剪加速時(shí)間和裝置本身（6RA70）性能以及機(jī)械性能有關(guān)，因此采用實(shí)驗(yàn)方式得到最佳啟動(dòng)時(shí)間。生產(chǎn)線要求飛剪的速度在［5m／s，18m／s］之間，我們分別設(shè)定飛剪速度為5m／s，6m／s，…，18m／s，得到飛剪從停止位置到剪刃閉合的時(shí)間t5，t6，…，t18，生產(chǎn)時(shí)根據(jù)飛剪的設(shè)定速度判斷使用哪一個(gè)啟動(dòng)時(shí)間。

3.3 尾鋼優(yōu)化剪切

尾鋼優(yōu)化剪切的目的有2個(gè)：1）保證尾鋼正常上冷床，針對本條棒材生產(chǎn)線則要保證L尾鋼∈［40m，115m］范圍之內(nèi)；2）保證尾鋼的前1根鋼是整倍尺長度，L次尾鋼＝12n，（n＝4，5，6，7，8，9）。為了達(dá)到以上2個(gè)目的，首先要知道尾鋼還有多長，也就是尾鋼長度預(yù)報(bào)。

當(dāng)2＃飛剪的熱金屬檢測器失去紅鋼信號到低電平，我們認(rèn)為進(jìn)入到尾鋼階段。這時(shí)就要計(jì)算還在軋機(jī)中的紅鋼等效成品長度L等效長，軋機(jī)和飛剪之間的長度（固定長）L1，以及已有倍尺長度ΔL1，有了這3個(gè)長度，也就得到了尾鋼和次尾鋼的長度之和L：

L等效長根據(jù)生產(chǎn)工藝要求不同實(shí)時(shí)調(diào)整，比如K18甩機(jī)架，則成品等效長度是K13到K17等效長度加上K18實(shí)際長度，以此類推。如果生產(chǎn)規(guī)格沒有變化，也可以通過等效時(shí)間計(jì)算等效長度，也就是從2＃飛剪熱金屬檢測器失去紅鋼信號到HMD1失去紅鋼信號的實(shí)測時(shí)間和出口紅鋼速度的乘積得到等效長度。尾鋼的剪切要根據(jù)L判斷最后一刀的剪切長度，流程圖如圖5所示。

圖5 尾鋼剪切判斷的流程圖Fig.5 The flow chart for adjust steels end

當(dāng)進(jìn)入尾鋼階段后，啟動(dòng)尾鋼剪切判斷程序，如果尾鋼長度還足夠長（L＞ΔL＋40m），可以先讓成品飛剪正常剪切1刀，然后繼續(xù)判斷尾鋼是否可以直接上冷床（L＜ΔL＋5m），需要優(yōu)化的長度L∈［ΔL＋5m，ΔL＋40m］，優(yōu)化方法就是在尾鋼長度上減去36m的倍尺長度。這樣既能保證尾鋼正常上冷床，又保證次尾鋼是倍尺長度。

4 結(jié)論

根據(jù)以上控制方案，在不同線速度，不同輥徑以及甩機(jī)架的情況下分別軋制驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如下：1）第一刀定時(shí)長度和定尺長度偏差在±6cm之內(nèi)；2）定尺長度之間長度偏差在±4cm之內(nèi)；3）次尾鋼都是倍尺長度；4）尾鋼全部能上冷床。

目前，該生產(chǎn)線已經(jīng)連續(xù)生產(chǎn)2a多，平均日生產(chǎn)量達(dá)3 000t，每天能減少廢料幾十t。事實(shí)證明，實(shí)時(shí)優(yōu)化剪切減少了成品的浪費(fèi)，提高了生產(chǎn)效率，是棒材生產(chǎn)線中切實(shí)可行的方案。

［1］ 李建設(shè).中小型材成品倍尺剪優(yōu)化配尺剪切的研究［J］.軋鋼，1999，16（4）：34-36.

［2］ 王琳.連軋棒材倍尺剪的優(yōu)化［J］.軋鋼，2000，17（1）：31-33.

［3］ 楊尚灼.軋鋼機(jī)械設(shè)備［M］.西安：西安冶金出版社，1978.

［4］ 傅德武.軋鋼學(xué)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1983.

Research on Shearing Optimization of Flying Shear for Mediumand Small Section Product for the Bar Rolling Line

ZHANG Jun-bao1，ZHAO Hong-yan2，GUAN Shi-cai1，LI Yu-ru1，LIU Li3

（1.TianjinDesignandResearchInstituteofElectricDrive，Tianjin300180，China；2.CollegeofPackaging＆PrintingEngineering，TianjinUniversityofScience＆Technology，Tianjin300222，China；3.InabensaElectrical＆ElectronicManufactory（Tianjin）Co.Ltd，Tianjin300457，China）

The influence factors on shearing to length and match shearing and the control method for product tail end were analyzed.The scheme of match shearing optimization was put forward based on testing and theoretical analyzing the paramezters of flying shear system.For the three stage of flying shear for finished-product-the first cutter，the middle cutter，the last cutter-the different optimization schemes were used.The rectitude and practicability of the scheme are verified by practical production and theoretical calculation.

flying shear for finished-product；match shearing optimization；steels end control

TM502

A

張軍保（1980-），男，碩士，工程師，Email：zhjbok＠163.com

2012-01-17