輥底爐生產(chǎn)線上料設(shè)備的設(shè)計(jì)

姜 山，邱淑建， 李正濤

(1.中國聯(lián)合工程有限公司，浙江 杭州 310052；2.湖南華凌漣源鋼鐵有限公司，湖南 婁底 417000)

1 工藝流程

在日常生產(chǎn)中，輥底爐生產(chǎn)線的來料信息通過L2分配到L1，然后鋼板運(yùn)輸機(jī)將鋼板放到爐前上料輥道，輥道啟動(dòng)將鋼板輸送到爐前待料，并在此過程中完成鋼板的對中、測寬和測長，流程如下：L1收到L2來料信息→鋼板上料(由鋼板運(yùn)輸機(jī)吊裝到爐前輥道)→輥道啟動(dòng)，鋼板往爐門口輸送→鋼板對中、測寬、測長→輥道減速至停止，鋼板輸送到爐口待料。因此，爐前設(shè)備主要組成包括如下幾部分：

(1)鋼板上料裝置，即鋼板運(yùn)輸機(jī)；

(2)爐前輥道；

(3)鋼板對中機(jī)構(gòu)；

(4)鋼板測長及配套電氣設(shè)備。

2 鋼板運(yùn)輸機(jī)

上料鋼板一般以板垛形式放在爐前輥道旁邊，需要鋼板運(yùn)輸機(jī)，將其逐塊放到爐前輥道上。鋼板運(yùn)輸機(jī)主要包括兩部分：行車行走裝置和鋼板取放裝置。行車行走裝置類似于車間行車，在兩側(cè)的軌道上行走，用以將鋼板輸送到指定位置；鋼板取放裝置，則負(fù)責(zé)鋼板的取、放，主要有電磁吊和真空吸盤兩種形式。由于鋼板重量隨著長度、寬度和厚度不同而變化，如果電磁吊的吸力調(diào)整不合適，容易造成鋼板無法起吊、起吊后中途脫落(吸力太小)，或者一下子吊起2塊甚至多塊鋼板(吸力過大)。由于薄板生產(chǎn)的上料節(jié)奏連續(xù)緊湊，上述故障會(huì)干擾正常的生產(chǎn)節(jié)奏，影響產(chǎn)量，而且鋼板掉落可能砸壞其他設(shè)備或者造成生產(chǎn)安全事故。因此，薄規(guī)格鋼板生產(chǎn)線爐前鋼板運(yùn)輸機(jī)的鋼板取放裝置多以真空吸盤為主。

3 爐前輥道

爐前輥道的作用是將鋼板輸送到爐門前待料，并在爐內(nèi)發(fā)出鋼板入爐指令后，實(shí)現(xiàn)鋼板的快速入爐。

下面簡單分析爐前輥道尺寸及間距、輥道總長度和輥道電機(jī)的選型。

3.1 輥道尺寸和間距

輥道主要尺寸為輥道直徑、壁厚和輥道長度。輥道的長度，由鋼板的最大寬度確定，一般比鋼板最寬尺寸略寬即可；輥道的直徑和壁厚，則需要根據(jù)鋼板的最大寬度和厚度，計(jì)算輥道撓度，確保其在合理范圍之內(nèi)。

輥道間距，需考慮最薄鋼板的板頭的允許撓度和對輥道的允許切入角，保證鋼板在輸送過程中，板頭和輥道的沖擊盡量小。

3.2 輥道總長度

爐前輥道總長度，工藝上取決于兩個(gè)條件：

(1)滿足最長鋼板的測長輸送要求；

(2)輸送鋼板到爐前待料時(shí)，需要預(yù)留的鋼板停止距離。

鋼板輸送到爐前經(jīng)過對中后在爐門口停止待料，等待爐內(nèi)的允許入爐信號，因此從鋼板完成的位置到輥底爐爐門之間需要預(yù)留一定的鋼板減速停止距離，該距離和鋼板的輸送速度密切相關(guān)。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，該距離在2～3 m即可。

3.3 輥道電機(jī)的選型

正常生產(chǎn)時(shí)，鋼板入爐和出爐采用快進(jìn)快出方式，在爐內(nèi)為勻速運(yùn)動(dòng)。鋼板在爐內(nèi)的工藝時(shí)間一般按照式(1)計(jì)算：

T=V×δ+△t

(1)

式中：T為鋼板在爐工藝時(shí)間，min；V為鋼板加熱速度，跟材質(zhì)相關(guān),mm/min；δ為鋼板厚度,min；△t為保溫時(shí)間,min。

由于鋼板進(jìn)、出爐為快進(jìn)快出，鋼板在爐內(nèi)運(yùn)行距離為入爐完成到準(zhǔn)備出爐的距離，即爐內(nèi)裝、出料線距離(有效爐長)減去鋼板長度：

L=L1-L2

(2)

式中：L1為有效爐長,mm；L2為鋼板長度,mm。

可以計(jì)算出鋼板在輥底爐內(nèi)的工藝速度:

V=(L1-L2)/T

(3)

爐內(nèi)相鄰鋼板需保持一定的板間距，以防止疊板，當(dāng)板間距最小時(shí)，生產(chǎn)效率最高，此時(shí)相鄰鋼板的時(shí)間間隔為

(4)

式中：△L為爐內(nèi)相鄰鋼板的最小板間距，mm；△T為爐內(nèi)相鄰鋼板的最小時(shí)間間隔，也叫最快生產(chǎn)節(jié)拍，此時(shí)輥底爐生產(chǎn)效率最高，min。此時(shí)鋼板的入爐間隔、出爐間隔都為最小時(shí)間間隔△T。

由式(4)可知，由于V(鋼板加熱速度)>0，△t、L1和△L為定值，對于同種材質(zhì)的鋼板，最快生產(chǎn)節(jié)拍△T隨著厚度δ和長度L2的增大而增加，即長鋼板和厚鋼板入爐時(shí)間間隔較長，短鋼板和薄鋼板的入爐時(shí)間間隔較短。另外，隨著鋼板厚度的增加，所需要的扭矩也會(huì)增加。

綜上，需要根據(jù)輥道直徑選擇合適的減速機(jī)，其扭矩和速度，可以滿足不同規(guī)格的鋼板達(dá)到最高的生產(chǎn)效率。

4 鋼板對中裝置

鋼板運(yùn)輸機(jī)將鋼板放到爐前輥道時(shí)，鋼板的中心線和輥道中心線(也是爐子中心線)通常存在較大的偏差。鋼板在爐內(nèi)輸送時(shí)，從入爐到出爐，存在一定程度的跑偏(一般要求不超過20 mm)；發(fā)生突發(fā)情況時(shí)，比如鋼板的擺動(dòng)，鋼板在爐內(nèi)的跑偏會(huì)加劇。如果鋼板未經(jīng)過對中就入爐，在爐內(nèi)運(yùn)行時(shí)，可能會(huì)撞到爐墻耐材，造成生產(chǎn)事故，甚至損壞爐體或爐輥，影響其正常使用。因此在鋼板入爐之前，必須先進(jìn)行對中，使鋼板中心線和輥道(及輥底爐)中心線盡量一致。

4.1 鋼板對中

為了達(dá)到對中的效果，一般需至少設(shè)置兩組對中裝置，如圖1所示。此處兩組對中機(jī)構(gòu)分別編為1#對中機(jī)構(gòu)和2#對中機(jī)構(gòu)，兩者之間的距離一般不大于最短鋼板長度。

圖1 鋼板對中裝置

對于薄規(guī)格鋼板，由于兩塊鋼板之間入爐的時(shí)間間隔較短，生產(chǎn)節(jié)奏較快，需要盡量縮短鋼板在爐前的動(dòng)作周期。目前采取的方式是，鋼板在爐前輥道輸送時(shí)進(jìn)行對中，這不僅節(jié)省了時(shí)間(節(jié)約了單獨(dú)對中所需時(shí)間)，而且使整個(gè)生產(chǎn)節(jié)奏更加緊湊高效，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率。

為了實(shí)現(xiàn)上述工藝，在1#對中裝置的前方，設(shè)置一個(gè)光電管(BE102)，當(dāng)板頭經(jīng)過此處，對中機(jī)構(gòu)開始動(dòng)作；當(dāng)板頭越過2#對中裝置，鋼板的對中完成，對中機(jī)構(gòu)自動(dòng)恢復(fù)到初始位置。

4.2 鋼板測寬

除了完成對中，對中機(jī)構(gòu)還對鋼板進(jìn)行測寬。鋼板的測寬需要借助位移傳感器：對中機(jī)構(gòu)初始位置時(shí)兩邊夾臂的間距B1，該尺寸現(xiàn)場可直接測得；鋼板對中時(shí)，通過位移傳感器測得液壓推桿行進(jìn)距離為B2，則測得鋼板寬度為

B=B1-2×B2

(5)

鋼板測寬時(shí)，兩邊夾臂不允許夾緊鋼板，夾臂和鋼板之間必須保持一定的距離，以防止夾傷鋼板。在調(diào)試時(shí)，會(huì)對夾臂的液壓進(jìn)行調(diào)試，以不夾傷鋼板為準(zhǔn)。

系統(tǒng)自動(dòng)將鋼板的測寬結(jié)果，和物料信息中的鋼板寬度進(jìn)行對比，若差距過大，則鋼板停止入爐，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，要求人工確認(rèn)。

5 鋼板測長及配套電氣設(shè)備

鋼板輸送到爐前待料時(shí)，必須經(jīng)過測長，才可入爐。

5.1 測長的重要性

鋼板測長的作用主要有兩個(gè)：

(1)和L2分配的物料信息進(jìn)行比對，確保實(shí)際鋼板和物料信息一致。

(2)鋼板在輥底爐內(nèi)的跟蹤，是以鋼板模型模擬為主，并輔以光電管修正來實(shí)現(xiàn)的，而鋼板模型的尺寸取自于物料信息(對于爐內(nèi)跟蹤主要是長度尺寸)，一旦模型和鋼板的實(shí)際長度差距較大，就會(huì)導(dǎo)致爐內(nèi)跟蹤出錯(cuò)，影響鋼板的正常入爐、出爐以及在爐內(nèi)的輸送，甚至引起疊板等生產(chǎn)事故。為了保證模型和實(shí)際鋼板長度一致，鋼板入爐前的測長流程是必不可少的。

5.2 測長的原理

鋼板測長是一個(gè)動(dòng)態(tài)的測量，結(jié)合光電管和其他電氣設(shè)備，在鋼板的輸送過程中完成。

由圖1可以看到，在爐前輥道上共布置了4組光電管，分別編號為BE101～ BE104，鋼板測長主要依靠BE101和BE103，過程如下：

(1)鋼板運(yùn)輸機(jī)將鋼板放到爐前輥道上，光電管BE101檢測到鋼板上料。

(2)爐前輥道電機(jī)上裝有增量編碼器(PLG)，現(xiàn)場控制柜中配有高速計(jì)數(shù)器，輥道轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，增量編碼器持續(xù)將脈沖信號發(fā)送給高速計(jì)數(shù)器。

(3)鋼板往爐前輸送，板尾脫離光電管BE101上方，鋼板檢測信號消失，此時(shí)PLC讀取高速計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)，開始鋼板測長。

(4)板頭經(jīng)過光電管BE103上方時(shí)，該光電管信號觸發(fā)，PLC再次讀取高速計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)，兩次數(shù)據(jù)差值N，即為增量編碼器脈沖信號數(shù)量；同時(shí)，輥道迅速減速，直至停止，鋼板輸送至爐前待料。

(5)光電管BE104作為極限位保護(hù)，不參與測長，待料時(shí)板頭不允許越過此處。

(6)根據(jù)高速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值N和增量編碼器每圈對應(yīng)脈沖數(shù)(一般選1 024)，以及輥道直徑D，可以計(jì)算出鋼板通過距離為

S1=3.14×D×N/1 024

(6)

(7)光電管BE101和BE103間距S，可通過測量得到。

(8)因此，可計(jì)算得出鋼板長度

L=S-S1=S-3.14×D×N/1 024

(7)

實(shí)際生產(chǎn)中，因?yàn)槎喾N因素，導(dǎo)致測得的鋼板長度和實(shí)際長度存在一定的誤差。

(1)光電管檢測鋼板位置時(shí)，存在著一定的漫反射角度，鋼板未必會(huì)在板頭或者板尾處于光電管正上方時(shí)被檢測到，光電管的安裝角度和安裝高度都會(huì)影響鋼板檢測到的位置。但是一旦光電管安裝位置固定后，此偏差也確定了。在調(diào)試中可以通過多次測量同一塊鋼板，將測量值和鋼板實(shí)際長度比較，大致確定該誤差值，并在程序中將其抵消。

(2)信號延遲。整個(gè)測量系統(tǒng)，大約會(huì)有0.1 s左右的信號延遲，隨輥道輸送速度的不同，造成的測量偏差也不同，總的來說，長板因?yàn)槠漭斔途嚯x短、速度慢，板長的測量偏差??；短板因?yàn)槠漭斔途嚯x長、速度快，板長的測量偏差大。以短板為例，當(dāng)輸送速度達(dá)到40 m/min時(shí)，0.1的信號延遲，造成的板長誤差為67 mm。

(3)鋼板滑移。對于短板，因?yàn)檩斔退俣容^快，在輸送過程中鋼板和輥道可能產(chǎn)生滑移，導(dǎo)致板長測量誤差。

(4)爐前輥道一般采用一個(gè)變頻器帶動(dòng)多個(gè)電機(jī)，各個(gè)電機(jī)的啟動(dòng)不完全一致，這也會(huì)導(dǎo)致板長的測量誤差。

在以上因素共同作用下，鋼板測長數(shù)值和實(shí)際長度存在約10 cm左右的偏差，但是鋼板測長的主要作用是用于爐內(nèi)鋼板模型，爐內(nèi)的板間距最小控制在600 cm左右，10 cm的偏差在可以接受的范圍之內(nèi)。當(dāng)鋼板測長結(jié)果和來料信息中的板長偏差過大時(shí)，此鋼板不允許入爐，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，需人工介入處理。

6 結(jié) 語

近年來，隨著高強(qiáng)板和耐磨板在工程機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，輥底爐生產(chǎn)線也越來越普遍。作為整條生產(chǎn)線的開端，應(yīng)該根據(jù)板材的工藝特性和廠房空間布局，合理的布置爐前設(shè)備，不僅滿足產(chǎn)品的品質(zhì)要求，也使整線的生產(chǎn)效率達(dá)到最優(yōu)化，為企業(yè)創(chuàng)造更大的效益。