輥底爐生產線上料設備的設計

姜 山，邱淑建， 李正濤

(1.中國聯合工程有限公司，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

在日常生產中，輥底爐生產線的來料信息通過L2分配到L1，然后鋼板運輸機將鋼板放到爐前上料輥道，輥道啟動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(由鋼板運輸機吊裝到爐前輥道)→輥道啟動，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，爐前設備主要組成包括如下幾部分：

(1)鋼板上料裝置，即鋼板運輸機；

(2)爐前輥道；

(3)鋼板對中機構；

(4)鋼板測長及配套電氣設備。

2 鋼板運輸機

上料鋼板一般以板垛形式放在爐前輥道旁邊，需要鋼板運輸機，將其逐塊放到爐前輥道上。鋼板運輸機主要包括兩部分：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，則負責鋼板的取、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)。由于薄板生產的上料節奏連續緊湊，上述故障會干擾正常的生產節奏，影響產量，而且鋼板掉落可能砸壞其他設備或者造成生產安全事故。因此，薄規格鋼板生產線爐前鋼板運輸機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，并在爐內發出鋼板入爐指令后，實現鋼板的快速入爐。

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，則需要根據鋼板的最大寬度和厚度，計算輥道撓度，確保其在合理范圍之內。

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，需要預留的鋼板停止距離。

鋼板輸送到爐前經過對中后在爐門口停止待料，等待爐內的允許入爐信號，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。根據實際經驗，該距離在2～3 m即可。

3.3 輥道電機的選型

正常生產時，鋼板入爐和出爐采用快進快出方式，在爐內為勻速運動。鋼板在爐內的工藝時間一般按照式(1)計算：

T=V×δ+△t

(1)

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

由于鋼板進、出爐為快進快出，鋼板在爐內運行距離為入爐完成到準備出爐的距離，即爐內裝、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。

可以計算出鋼板在輥底爐內的工藝速度:

V=(L1-L2)/T

(3)

爐內相鄰鋼板需保持一定的板間距，以防止疊板，當板間距最小時，生產效率最高，此時相鄰鋼板的時間間隔為

(4)

式中：△L為爐內相鄰鋼板的最小板間距，mm；△T為爐內相鄰鋼板的最小時間間隔，也叫最快生產節拍，此時輥底爐生產效率最高，min。此時鋼板的入爐間隔、出爐間隔都為最小時間間隔△T。

由式(4)可知，由于V(鋼板加熱速度)>0，△t、L1和△L為定值，對于同種材質的鋼板，最快生產節拍△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間間隔較長，短鋼板和薄鋼板的入爐時間間隔較短。另外，隨著鋼板厚度的增加，所需要的扭矩也會增加。

綜上，需要根據輥道直徑選擇合適的減速機，其扭矩和速度，可以滿足不同規格的鋼板達到最高的生產效率。

4 鋼板對中裝置

鋼板運輸機將鋼板放到爐前輥道時，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。鋼板在爐內輸送時，從入爐到出爐，存在一定程度的跑偏(一般要求不超過20 mm)；發生突發情況時，比如鋼板的擺動，鋼板在爐內的跑偏會加劇。如果鋼板未經過對中就入爐，在爐內運行時，可能會撞到爐墻耐材，造成生產事故，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

為了達到對中的效果，一般需至少設置兩組對中裝置，如圖1所示。此處兩組對中機構分別編為1#對中機構和2#對中機構，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

對于薄規格鋼板，由于兩塊鋼板之間入爐的時間間隔較短，生產節奏較快，需要盡量縮短鋼板在爐前的動作周期。目前采取的方式是，鋼板在爐前輥道輸送時進行對中，這不僅節省了時間(節約了單獨對中所需時間)，而且使整個生產節奏更加緊湊高效，進一步提高了生產效率。

為了實現上述工藝，在1#對中裝置的前方，設置一個光電管(BE102)，當板頭經過此處，對中機構開始動作；當板頭越過2#對中裝置，鋼板的對中完成，對中機構自動恢復到初始位置。

4.2 鋼板測寬

除了完成對中，對中機構還對鋼板進行測寬。鋼板的測寬需要借助位移傳感器：對中機構初始位置時兩邊夾臂的間距B1，該尺寸現場可直接測得；鋼板對中時，通過位移傳感器測得液壓推桿行進距離為B2，則測得鋼板寬度為

B=B1-2×B2

(5)

鋼板測寬時，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。在調試時，會對夾臂的液壓進行調試，以不夾傷鋼板為準。

系統自動將鋼板的測寬結果，和物料信息中的鋼板寬度進行對比，若差距過大，則鋼板停止入爐，系統自動報警，要求人工確認。

5 鋼板測長及配套電氣設備

鋼板輸送到爐前待料時，必須經過測長，才可入爐。

5.1 測長的重要性

鋼板測長的作用主要有兩個：

(1)和L2分配的物料信息進行比對，確保實際鋼板和物料信息一致。

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

5.2 測長的原理

鋼板測長是一個動態的測量，結合光電管和其他電氣設備，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)鋼板運輸機將鋼板放到爐前輥道上，光電管BE101檢測到鋼板上料。

(2)爐前輥道電機上裝有增量編碼器(PLG)，現場控制柜中配有高速計數器，輥道轉動時，增量編碼器持續將脈沖信號發送給高速計數器。

(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PLC讀取高速計數器數據，開始鋼板測長。

(4)板頭經過光電管BE103上方時，該光電管信號觸發，PLC再次讀取高速計數器數據，兩次數據差值N，即為增量編碼器脈沖信號數量；同時，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，不參與測長，待料時板頭不允許越過此處。

(6)根據高速計數器的計數值N和增量編碼器每圈對應脈沖數(一般選1 024)，以及輥道直徑D，可以計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，可計算得出鋼板長度

L=S-S1=S-3.14×D×N/1 024

(7)

實際生產中，因為多種因素，導致測得的鋼板長度和實際長度存在一定的誤差。

(1)光電管檢測鋼板位置時，存在著一定的漫反射角度，鋼板未必會在板頭或者板尾處于光電管正上方時被檢測到，光電管的安裝角度和安裝高度都會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。在調試中可以通過多次測量同一塊鋼板，將測量值和鋼板實際長度比較，大致確定該誤差值，并在程序中將其抵消。

(2)信號延遲。整個測量系統，大約會有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，長板因為其輸送距離短、速度慢，板長的測量偏差??；短板因為其輸送距離長、速度快，板長的測量偏差大。以短板為例，當輸送速度達到40 m/min時，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，因為輸送速度較快，在輸送過程中鋼板和輥道可能產生滑移，導致板長測量誤差。

(4)爐前輥道一般采用一個變頻器帶動多個電機，各個電機的啟動不完全一致，這也會導致板長的測量誤差。

在以上因素共同作用下，鋼板測長數值和實際長度存在約10 cm左右的偏差，但是鋼板測長的主要作用是用于爐內鋼板模型，爐內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。當鋼板測長結果和來料信息中的板長偏差過大時，此鋼板不允許入爐，系統發出報警，需人工介入處理。

6 結 語

近年來，隨著高強板和耐磨板在工程機械行業的應用越來越廣泛，輥底爐生產線也越來越普遍。作為整條生產線的開端，應該根據板材的工藝特性和廠房空間布局，合理的布置爐前設備，不僅滿足產品的品質要求，也使整線的生產效率達到最優化，為企業創造更大的效益。