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(duì)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(jí)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(jī)→粗軋機(jī)組→中軋機(jī)組→31H、32V短應(yīng)力軋機(jī)→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(jī)組之間均設(shè)有飛剪用于切頭尾、事故時(shí)進(jìn)行碎斷。在軋線上設(shè)有水冷裝置，用于實(shí)現(xiàn)控溫軋制和熱機(jī)軋制，滿足所有品種的要求。在棒材減定徑機(jī)組出口設(shè)有測(cè)徑儀，對(duì)軋件進(jìn)行在線測(cè)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(shí)碎斷功能。飛剪有曲柄式和回轉(zhuǎn)式兩種模式[1]，當(dāng)成品規(guī)格≤Φ35 mm時(shí)采用回轉(zhuǎn)式，Φ50 mm>成品規(guī)格>Φ35 mm時(shí)采用曲柄式，當(dāng)成品規(guī)格≥Φ50 mm時(shí)采用曲柄式并增加一個(gè)飛輪, 以提高剪刃動(dòng)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(jī)為上海電機(jī)廠生產(chǎn)的YSBPKK500-6交流電機(jī)，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(jī)傳動(dòng)控制裝置。倍尺剪硬件配置如圖1所示，成品機(jī)架編碼器將計(jì)數(shù)發(fā)送給PLC的TM Count 高速計(jì)數(shù)模塊和S120變頻器，用于鋼坯全長(zhǎng)、軋件實(shí)際速度的計(jì)算以及倍尺優(yōu)化；倍尺剪電機(jī)端部編碼器將計(jì)數(shù)發(fā)送給S120用于速度調(diào)節(jié)時(shí)的速度反饋、計(jì)算剪刃位置和倍尺長(zhǎng)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(yàn)，飛剪設(shè)計(jì)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(yùn)行軌跡如圖2所示。當(dāng)接到剪切指令時(shí)，倍尺剪從初始位加速啟動(dòng)，轉(zhuǎn)過α1角度達(dá)到設(shè)定剪切速度，并進(jìn)入勻速運(yùn)行階段，在α2角度內(nèi)完成剪切動(dòng)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(yùn)行α3角度回到初始位，由于慣性作用，剪刃仍要向前擺動(dòng)，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(dāng)剪刃再次運(yùn)行至初始位時(shí)PLC中斷，封鎖S120輸出，剪刃精準(zhǔn)停在初始位。通常設(shè)定α1=90°，α2=180°，α3=90°。

圖2 倍尺剪剪刃運(yùn)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(jī)架(即棒材減定徑機(jī)組末機(jī)架)的速度設(shè)定的，理想狀態(tài)下飛剪剪刃在軋件運(yùn)動(dòng)方向的速度應(yīng)等于或稍大于軋件運(yùn)動(dòng)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(dòng)設(shè)備的轉(zhuǎn)速控制精度等因素均會(huì)導(dǎo)致軋機(jī)速度波動(dòng)，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(dāng)剪切速度偏小時(shí)，易導(dǎo)致下一倍尺在飛剪處堆鋼。因此，有必要對(duì)倍尺剪剪切速度進(jìn)行校正。

圖3 倍尺剪區(qū)域設(shè)備布置

2.2 倍尺長(zhǎng)度的計(jì)算和尾鋼倍尺優(yōu)化

2.2.1 倍尺長(zhǎng)度的測(cè)量

為此，采用調(diào)整倍尺長(zhǎng)度計(jì)算起始點(diǎn)的方法，第二倍尺長(zhǎng)度的計(jì)算從第一倍尺剪切時(shí)成品機(jī)架開始計(jì)數(shù)，當(dāng)脈沖數(shù)累計(jì)達(dá)到N時(shí)，發(fā)出剪切信號(hào)。對(duì)于第一倍尺無法避免LS，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整啟動(dòng)時(shí)間和設(shè)定倍尺數(shù)，如Φ30 mm直條棒材，定尺長(zhǎng)度4 m，倍尺長(zhǎng)度24 m，當(dāng)設(shè)定統(tǒng)一倍尺24 m時(shí)，第一倍尺實(shí)際剪切長(zhǎng)度為25 m～27 m，通過一段時(shí)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(shí)現(xiàn)所有倍尺實(shí)際剪切在24.1 m～24.2 m，有效消除了飛剪啟動(dòng)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(zhǎng)度不一等因素影響，倍尺剪切時(shí)棒材長(zhǎng)度不可能正好是定尺長(zhǎng)度的整數(shù)倍，末端倍尺長(zhǎng)短不一，這一問題一直是困擾棒材生產(chǎn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，尾料過短上不了冷床，過長(zhǎng)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(huì)影響軋制節(jié)奏。因此，固定倍尺數(shù)已不能滿足當(dāng)前生產(chǎn)的要求，需要進(jìn)行倍尺優(yōu)化。

倍尺優(yōu)化控制過程實(shí)際上就是對(duì)被測(cè)鋼坯總長(zhǎng)進(jìn)行線性規(guī)劃的過程，通常分為全長(zhǎng)優(yōu)化剪切、末刀優(yōu)化剪切和尾鋼優(yōu)化剪切[4]。全長(zhǎng)優(yōu)化剪切的起始點(diǎn)為粗軋機(jī)組，由于粗、中軋階段有切頭、切尾、碎斷等動(dòng)作，使得鋼長(zhǎng)度計(jì)算偏差較大。末刀優(yōu)化起始點(diǎn)為成品機(jī)架，當(dāng)軋件尾部離開成品機(jī)架軋機(jī)時(shí)，成品機(jī)架編碼器開始計(jì)算剩余長(zhǎng)度，由于現(xiàn)場(chǎng)末機(jī)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(duì)尾鋼最后幾刀進(jìn)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(shí)間以及剪切長(zhǎng)度的控制。利用熱檢、成品機(jī)架編碼器等對(duì)倍尺剪剪刃速度進(jìn)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(shí)刻作為倍尺長(zhǎng)度的計(jì)數(shù)起始點(diǎn)，能夠避免飛剪從啟動(dòng)到剪切的時(shí)間影響，確保從第二倍尺開始的長(zhǎng)度準(zhǔn)確性。尾鋼優(yōu)化方式能夠克服末機(jī)架與倍尺剪距離過近不能及時(shí)調(diào)節(jié)的困難，根據(jù)尾鋼不同長(zhǎng)度對(duì)最后2至3倍尺進(jìn)行統(tǒng)一優(yōu)化，有效避免了短料上冷床的情況，進(jìn)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。