棒材生產線倍尺剪及冷床區控制方法

任樹朋

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司，山西 太原 030003）

0 引言

棒線混合生產線以220 mm×220 mm×3 500 mm的模鑄坯、連鑄坯為原料，能夠生產Φ5～Φ25 mm 的線材和Φ16～Φ120 mm 的棒材。其中，棒材生產線于2012 年投產，能夠滿足Φ16～Φ80 mm 直條和螺紋棒材的生產要求。倍尺剪和冷床區是棒材熱軋后續冷卻工藝的關鍵環節，倍尺剪通過變頻控制完成切頭、倍尺剪切、切尾以及事故碎斷等功能，冷床區用于將切后的倍尺鋼減速停止后通過升降運動運送至冷床動齒上，冷床動齒接鋼后在電機驅動下完成周期運動，在其前行下降過程中將軋件放在靜齒上，如此往復實現將倍尺鋼依次排布在冷床靜齒上，并隨著動齒周期性運動，整體向運輸鏈方向行進。倍尺剪、裙板及冷床間的緊密有序配合對軋線穩定生產和成材率的提升起了至關重要的作用。

1 棒材生產線工藝概況

1.1 棒材生產工藝流程

棒材生產工藝流程為：加熱爐→開坯機→1 號停剪→粗軋機組→1 號飛剪→中軋機組→棒材減定徑機組→倍尺剪→冷床輸入輥道→冷床→倍尺冷卻運輸收集→定尺鋸切→定尺冷卻運輸收集→打包→稱重。各機組之間均設有飛剪用于切頭尾、事故時的碎斷。軋線上設有水冷裝置，用于實現控溫軋制和熱機軋制，滿足所有品種的要求。在減定徑機組出口設有測徑儀，對軋件進行在線測徑。

1.2 工作原理

1.2.1 倍尺剪

倍尺剪采用啟停式飛剪，有回轉式和曲柄式兩種模式[1]，其中回轉式用于35 mm 及以下的規格棒材剪切，曲柄式用于35 mm 以上的規格剪切。剪刃運行一周完成一倍尺剪切，整個周期由加速、勻速剪切、減速及制動四個階段組成。當系統接到倍尺剪切指令時，倍尺剪從零位啟動加速運行轉過85°達到設定剪切速度，同時保持勻速運行195°，在這一階段完成倍尺剪切動作，后按照剪切速度的25%開始減速運行80°至零位制動，同時投入反向轉矩來牽制剪刃制動過程中的慣性，使其最終停在初始位上。

倍尺剪剪切命令主要是依靠編碼器對倍尺長度的測算結果得來的。棒材工藝布置如圖1 所示，紅鋼頭部出了棒材減定徑機組，成品機架到達HMD2 這段行進距離和時間已知，可以測算出脈沖當量，即安裝于末機架端部的編碼器一個脈沖代表行進距離，進而可以得到設定倍尺長度下所對應的脈沖數N，當軋件頭部通過倍尺剪時，編碼器開始記錄脈沖值，累計達到N 時，表示已有倍尺長度的紅鋼通過倍尺剪，則系統觸發剪切命令，倍尺剪動作，從而完成一個倍尺的剪切，同時編碼器計數清零，開始下一次倍尺脈沖累計?？紤]到倍尺剪從啟動到剪切位的動作時間（約為0.2～0.4 s），系統中增設了超前系數，即脈沖數到達N前剪刃提前啟動，剪刃運轉到剪切位時正好到達倍尺長度脈沖數，有效地消除了剪刃啟動時間帶來的倍尺誤差。

圖1 棒材工藝布置圖

1.2.2 冷床區

冷床區由冷床輸入輥道和冷床兩部分組成。冷床輸入輥道的主要作用是負責把上游倍尺剪剪切后的棒材輸送至冷床上，分為輸入輥道和裙板輥道兩部分，輸入輥道位于倍尺剪下游，為了拉開剪切后棒材尾部與下一支棒材頭部的距離，輸入輥道的運行速度會高于末機架速度，將剪切后的棒材提速運行。冷床輸入輥道從入口至約1/3 長度范圍內輥道平面由0°逐漸傾斜至15°，后部2/3 輥道及裙板輥道均保持15°傾斜，從而確保剪切過的棒材能夠向冷床側傾斜，順利下滑至裙板上。為滿足裙板頻繁啟停、快速精準的動作特點，系統采用液壓驅動，在垂直方向上共有低位、中位和高位三個位置，每個位置裝有接近開關向PLC 反饋位置信號[2]。如圖2 所示，設計裙板和過渡板的接鋼表面與平面夾角為35°，便于棒材沿斜面下滑至冷床動齒上。裙板的動作周期為高→高位等待→低→低位等待→中→中位等待→高，高位為等待位，現場采用尾部對齊方式，當棒材通過HMD3 時延遲一定時間（輸入輥道長度/輸入輥道速度）后，裙板提前從高位下降至低位完成輥道內接鋼動作，裙板在下位接鋼等待時間tdwait是裙板控制的關鍵因素，計算公式為：tdwait=（L0-LΔ）/v-tumac-tuwait.式中：L0為HMD3 至倍尺剪的實際距離；LΔ為棒材尾部到達HMD3 時后滑行距離；v 為輸入輥道的運行速度；tumac為裙板從低位運行至高位的機械時間；tuwait為裙板在高位的等待時間。

圖2 裙板位置示意圖

下一倍尺頭部到達裙板輥道時快速起升至中位，防止其滑到裙板內造成堆鋼。中位等待環節是一個制動過程，該過程借助與裙板間的摩擦力，以穩定滑行中的棒材，確保其在之后的高位拋鋼時處于靜止狀態。最后，裙板升至高位與過渡板組成同一平面，棒材順傾斜面滑下至冷床。

冷床是連接軋制區和精軋區的過渡階段，其可靠穩定地接收軋制區來料對生產安全和保證產品產量有著至關重要的作用。冷床控制的關鍵在于控制裙板高位上料和冷床前進的時序配合。冷床的運行周期必須小于冷床輸入輥道向冷床送鋼的周期，避免出現同一動齒接兩個倍尺的現象。當裙板到達高位延遲一段時間后，這個時間滿足棒材從裙板向冷床跌落的時間，冷床動齒從低位啟動，前循環動作將接到的倍尺送至靜梁第一個齒，后回到初始低位，等待下一次移送操作。

2 棒材倍尺冷卻區常見問題分析及優化方案

2.1 倍尺剪

由于軋件的長度不會正好是倍尺或定尺的整數倍，且上游飛剪切頭尾實際長度及原料尺寸會使每一支物料的尾尺長度不盡相同，尾尺過短會卡在倍尺剪和冷床輸入輥道間，造成下支來料堆鋼事故，尾料過長超過冷床長度會造成成品彎曲、堆鋼事故，如果短尺與倍尺混合在一起又會給后續對齊鋸切工序帶來不便，需要進行人工剔除，進而影響軋制節奏，因此需要對倍尺進行優化。

我們采用全長優化剪切方式，當軋件尾部過了粗軋機組3 架軋機H3 時，系統測算出從倍尺剪到H3架的剩余長度L，以6 m 定尺、24 m 倍尺為例，L尾=L-「L/24」×24，L尾首先向倒數第一倍尺借一個定尺成為L'尾'，如果滿足18＜L’尾'＜24，則完成優化，如果不滿足則向倒數第二倍尺再借用一個定尺，以此類推，直到尾尺長度滿足18＜L'尾'＜24。通過全長倍尺優化的方法有效提升了軋制效率，避免了短料的浪費，使成材率由98.1%提升至98.5%。

2.2 冷床區

裙板有6 組液壓閥臺、共12 個電磁閥驅動油缸動作。油缸動作的一致性在快節奏的生產中顯得尤為重要。在生產過程中，曾多次出現裙板下降不到位或者上升不到位的現象，經現場檢查設備動作正常，然而繼續生產仍有動作不到位的情況。最終多次測試后發現現場個別電磁閥不得電，造成單個油缸不動作，最終導致裙板動作不到位。經過排查確定是某個PLC 繼電器出現了功能失效，更換后恢復正常。繼電器采用的是菲尼克斯2961341，該繼電器自身穩定性有一定的保障。但由于裙板動作次數多，每天能達到幾萬次，繼電器失效后憑借外觀并不能直接作出判定，因此故障排查起來比較困難。為了解決這一問題，研究了多種方案，最終制定了以下措施：增加繼電器動作次數記錄功能，待動作次數到達繼電器的出廠測試試驗次數后，進行更換；在各個電磁閥的通道內增加電流表，并將電流信號采集到模板，由PDA 實時監控，可以快速判斷出有問題的繼電器或通道。這一改進措施避免了裙板動作不到位的現象，有效提升了設備功能精度。

3 結論

1）倍尺剪和冷床區是棒材熱軋后續冷卻工藝的關鍵設備，設備間緊密有序配合對軋線穩定生產有著至關重要的作用。

2）采用全長倍尺優化的方法，有效提升了軋制效率，避免了短料的浪費，使軋件成材率由98.1%提升至98.5%。

3）針對繼電器故障排查困難的問題，采取相關措施：增加繼電器動作次數記錄功能，待動作次數到達繼電器的出廠測試試驗次數后，進行更換；在各個電磁閥的通道內增加電流表，并將電流信號采集到模板，由PDA 實時監控，可以快速判斷出有問題的繼電器或通道。這一改進措施避免了裙板動作不到位的現象，有效提升了設備功能精度。