棒材生產線倍尺剪的優化控制

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線的核心設備，其功能精度對定尺收得率、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線，以220 mm×220 mm×3 500 mm的初軋坯、連鑄坯為原料，能夠生產Φ5.5 mm～Φ20 mm的線材和Φ16 mm～Φ120 mm的棒材。因產品種類多、規格范圍廣，共有18條工藝路徑完成上述產品的軋制要求。其中，小棒生產線于2012年投產，2019年完成智能化升級改造，能夠滿足Φ16 mm～Φ80 mm的直條棒材和Φ6 mm～Φ50 mm的螺紋鋼的生產要求。

1 倍尺剪工藝概況

1.1 小棒工藝流程

小棒生產工藝流程為：加熱爐→高壓水除鱗→開坯機→粗軋機組→中軋機組→31H、32V短應力軋機→KOCKS棒材減定徑→倍尺剪→裙板輥道→冷床→定尺鋸切→稱重→打包。在各機組之間均設有飛剪用于切頭尾、事故時進行碎斷。在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。在棒材減定徑機組出口設有測徑儀，對軋件進行在線測徑。

1.2 倍尺剪工藝參數

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、切尾和事故時碎斷功能。飛剪有曲柄式和回轉式兩種模式[1]，當成品規格≤Φ35 mm時采用回轉式，Φ50 mm>成品規格>Φ35 mm時采用曲柄式，當成品規格≥Φ50 mm時采用曲柄式并增加一個飛輪, 以提高剪刃動作的平衡性。為便于棒材咬入，在其上游裝有剪前夾送輥。倍尺剪電機為上海電機廠生產的YSBPKK500-6交流電機，額定功率為650 kW，額定電壓為690 V，額定電流為685 A，額定轉速為980 r/min。軋線控制系統采用西門子PLC S7-1518-4PN/DP集中控制，西門子變頻器S120作為電機傳動控制裝置。倍尺剪硬件配置如圖1所示，成品機架編碼器將計數發送給PLC的TM Count 高速計數模塊和S120變頻器，用于鋼坯全長、軋件實際速度的計算以及倍尺優化；倍尺剪電機端部編碼器將計數發送給S120用于速度調節時的速度反饋、計算剪刃位置和倍尺長度；剪刃旋轉軸上裝有接近開關, 用于增量式編碼器清零及飛剪初始位校驗，飛剪設計最高速度為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，倍尺剪剪刃運行軌跡如圖2所示。當接到剪切指令時，倍尺剪從初始位加速啟動，轉過α1角度達到設定剪切速度，并進入勻速運行階段，在α2角度內完成剪切動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%，剪刃運行α3角度回到初始位，由于慣性作用，剪刃仍要向前擺動，安裝在初始位的接近開關感應后剪刃速度切換到反轉速度，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%，當剪刃再次運行至初始位時PLC中斷，封鎖S120輸出，剪刃精準停在初始位。通常設定α1=90°，α2=180°，α3=90°。

圖2 倍尺剪剪刃運行軌跡

2 倍尺剪常見問題分析及優化方案

2.1 倍尺剪剪刃速度的修正

倍尺剪的剪切速度是根據成品機架(即棒材減定徑機組末機架)的速度設定的，理想狀態下飛剪剪刃在軋件運動方向的速度應等于或稍大于軋件運動速度[2]。軋件溫度的中間高兩端低狀態、冷床輸送輥道表面產生的磨損、傳動設備的轉速控制精度等因素均會導致軋機速度波動，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，也給后續定尺鋸切帶來不便，影響生產節奏；當剪切速度偏小時，易導致下一倍尺在飛剪處堆鋼。因此，有必要對倍尺剪剪切速度進行校正。

圖3 倍尺剪區域設備布置

2.2 倍尺長度的計算和尾鋼倍尺優化

2.2.1 倍尺長度的測量

為此，采用調整倍尺長度計算起始點的方法，第二倍尺長度的計算從第一倍尺剪切時成品機架開始計數，當脈沖數累計達到N時，發出剪切信號。對于第一倍尺無法避免LS，根據經驗調整啟動時間和設定倍尺數，如Φ30 mm直條棒材，定尺長度4 m，倍尺長度24 m，當設定統一倍尺24 m時，第一倍尺實際剪切長度為25 m～27 m，通過一段時間觀察，將第一倍尺設定為22 m，第二倍尺及以后仍為24 m，這樣可以實現所有倍尺實際剪切在24.1 m～24.2 m，有效消除了飛剪啟動階段的干擾。

2.2.2 優化剪切

受原料尺寸規格不同和上游切頭尾長度不一等因素影響，倍尺剪切時棒材長度不可能正好是定尺長度的整數倍，末端倍尺長短不一，這一問題一直是困擾棒材生產的重點和難點，尾料過短上不了冷床，過長容易造成堆鋼事故，或者與整定尺混在一起需人工挑除，這樣都會影響軋制節奏。因此，固定倍尺數已不能滿足當前生產的要求，需要進行倍尺優化。

倍尺優化控制過程實際上就是對被測鋼坯總長進行線性規劃的過程，通常分為全長優化剪切、末刀優化剪切和尾鋼優化剪切[4]。全長優化剪切的起始點為粗軋機組，由于粗、中軋階段有切頭、切尾、碎斷等動作，使得鋼長度計算偏差較大。末刀優化起始點為成品機架，當軋件尾部離開成品機架軋機時，成品機架編碼器開始計算剩余長度，由于現場末機架與倍尺剪距離僅為十幾米，供優化的軋件距離較短，不具備尾部調整的條件。因此采用對尾鋼最后幾刀進行優化的方案。

圖4 尾鋼剪切示意圖

3 結論

倍尺剪的控制關鍵在于剪切速度、剪切時間以及剪切長度的控制。利用熱檢、成品機架編碼器等對倍尺剪剪刃速度進行每一倍尺的修正，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。采用剪切時刻作為倍尺長度的計數起始點，能夠避免飛剪從啟動到剪切的時間影響，確保從第二倍尺開始的長度準確性。尾鋼優化方式能夠克服末機架與倍尺剪距離過近不能及時調節的困難，根據尾鋼不同長度對最后2至3倍尺進行統一優化，有效避免了短料上冷床的情況，進一步提高了棒材生產的軋制效率和成材率，希望能給相關人員提供一定的借鑒。