1 引言
近年来,随着我国经济的迅猛发展,各行各业对成品钢材的质量和品种要求愈来愈高,而钢铁企业本身也面临降低成本,提高效率的巨大挑战。然而,大多数钢铁企业相对较重视轧机、加热炉、控制冷却装置等主轧线工艺和装备,而对后部精整工序的工艺、装备、工具以及钢材包装加工配送等问题考虑相对较少。随着市场经济的发展,后部精整及包装加工和物流配送等对钢材产品的最终交货质量愈来愈重要。尤其特钢产品,主要应用石油管用钢、轴承齿轮用钢和机械耐磨用钢,对其产品质量和技术水平提高更为重要。
就目前了解情况来看,国际精整工艺设备和技术水平比较成熟,全线的控制模型还未形成,国内精整线为单体、分区域操控,未形成全线成套精整设备和工艺控制。随着对钢材后步精整处理要求越来越高,对成套工艺精整线装备,全线自动控制及控制模型研究和应用,数据物流跟踪日益迫切。本课题针对优钢棒材精整包括矫直、倒棱、抛丸、探伤和收集等工序,对其工艺全线自动化控制模型进行研究,具有实效性和前瞻性。
2 工艺描述
山东钢铁莱钢特殊钢厂于2009年建成此条自动化流水作业的精整探伤线,该线年产能20万吨t/a,主要以Φ(40～160)mm×(4～12)m规格棒材为主。棒材精整全线采取自动化控制操作系统,实现矫直、倒棱、抛丸、联合探伤分选、打捆包装、称重等多道工序全部在线自动完成将从根本上消除目前人工手动操作在安全生产、探伤效果、生产效率上的局限,真正实现精整作业的安全、优质、高效运作,从而满足精整探伤产能释放的需要。传统的人工肉眼表面检查和人工超声波探伤,工作效率低,容易出现疏漏,影响产品质量的提升,无法满足许多高附加值产品生产的需要。棒材无损探伤自动控制系统的投入将更加符合汽车用钢(包括齿轮钢、前桥用钢、曲轴钢等)、石油管线用钢(钻杆、连接套)等一系列高精度、高质量要求、高附加值产品生产的需要,对提高莱钢特钢产品的整体质量,切实推进“精品战略”具有现实意义。
该棒材精整线包括抛丸机、两辊矫直机、金属倒棱机、联合探伤仪、自动捆扎机、称重装置等设备。棒材经过抛丸机对棒材表面清理、矫直机精矫处理,再用金属倒棱机进行棱角处理,利用无损联合探伤设备进行检测,投产后可具备生产无缺陷钢材的能力,成品棒材以直条成捆状态交货,部分产品可根据国家标准和用户要求实现差异性交货。
棒材冷却到100℃之后,由成捆吊到上料台架上。人工散料后,通过捷克式上料机,棒材平放在台架上,棒材通过提升系统逐个被托到抛丸机输入辊道上,进入抛丸机。抛丸后的钢材进入二辊矫直机,矫直后的钢材经清洗吹干后进入倒棱机组,棒材一根一根进入倒棱移动床,经头部、尾部两个工位的倒棱后,进入联合探伤工序。经探伤后的钢材分成三组,一组是有表面缺陷的产品(送至1#收集槽),一组是有内部缺陷的产品(送至2#收集槽),另一组是合格品(送至贴标台架)。贴标机在钢材的端面贴标,再由送至成捆收集装置。计数成捆的棒材由拨料装置送至成型辊道。成型辊道把棒材送至打捆机进行打捆,捆扎后的棒材称重、挂牌后,吊至成品存储区堆放。表面缺陷严重的钢材,经砂轮修磨机、无芯式磨床或扒皮机清理缺陷(离线修磨),再次探伤合格收集。也可对棒材进行单工序操作并下线收集。工艺流程图如图1所示。
3 系统描述
3.1 抛丸机控制系统
抛丸机是通过各个方位的抛丸器,抛射丸粒到钢材表面,清理钢材表面的氧化铁皮,又称钢材表面清理机,为联合探伤检测做准备工序。
抛丸机主要设备包括前后输送辊道、分料螺旋器、流量调节阀、横螺旋、纵螺旋、斗式提升机、抛丸器、丸渣分离器、风机和除尘器等。
抛丸机控制系统分为三个逻辑循环,棒材清理顺序、弹丸循环顺序和粉尘处理顺序。各设备启停为顺启逆停。
棒材清理顺序:上料台架->前辊道输送->抛丸清理->后辊道输送->下一道工序。
弹丸循环顺序:弹丸储存->流量控制->幕帘密封室体->横螺旋输送->纵螺旋输送->斗式提升机->丸渣分离器->弹丸储存斗(再循环)。
粉尘处理顺序:抛丸室粉尘、分离器粉尘->蝶阀风量控制->惯性沉降室->滤筒式除尘器->板式净化器->排入大气。
抛丸机为达到钢材表面的处理效果,除逻辑流程控制启停,主要是根据棒材直径,对棒材通过抛丸机的速度和抛丸器弹丸的流量调节来控制。
3.2 两辊矫直机控制系统
两辊矫直机通过凸凹双辊对钢材进行高精度矫直,保证钢材平直进入联合探伤,不影响探伤效果。
两辊矫直机主要设备包括进口槽、进口夹送辊、二辊矫直机、出口夹送辊、出口槽、液压站和润滑冷却乳化液流体设备等。工作流程为来自抛丸输出辊道的棒材经翻料电机进入进料槽,矫直机预旋转检测到有料则进口夹送辊夹紧钢并旋转使棒材旋转前进。当棒材前进到矫直辊处进口夹送辊松开,矫直辊旋转带动棒材前进。出口夹送辊检测有钢,出口夹送辊底辊抬起,当棒材离开矫直机矫直辊,出口夹送辊动作夹紧棒材,出口夹送辊旋转带动棒材前进,棒材尾部离开出口夹送辊则出口夹送辊松开棒材,出料开口槽检测有料则打开,无料时关闭,矫直完成,进料开口槽可以打开进行下一循环。矫直布置及流程图见图3。
两辊矫直机的夹送辊、导位和导位锁紧装置以及压力检测都为液压驱动,配有液压站,主要为夹送辊的液压马达速度调节、导位液压马达驱动和矫直机顶部压力检测。矫直机矫直辊润滑和冷却为特殊乳化液,控制包括乳化液的流体循环控制,液位检测等。
根据不同规格和屈服强度的棒材要对矫直机的进口夹送辊上辊角度、进口夹送辊下辊角度、进口夹送辊下辊高度、进口导位、出口导位、出口夹送辊高度、前导位,后导位,前后导位高度、矫直辊直径、矫直辊上辊角度和下辊角度的位置和角度进行调节,还包括矫直辊速度,夹送辊速度的调节,以得到矫直精度控制。
3.3 金属倒棱机控制系统
倒棱机对钢材进行端部倒角,保证钢材端部光滑,无棱角。防止进入联合探伤,钢材毛刺棱角影响探伤效果和刮伤探头。金属倒棱机是利用金属刀头对棒材端部进行环切,处理效果好,速度快。
金属倒棱机主要设备包括进/出料平托、对齐辊道、步进梁、气体吹扫喷头和倒棱装置。
棒材从倒棱输入辊道进入倒棱前台架,台架检测到有料后倒棱进料平托装置动作一周将钢放入1#输送辊道,输送辊道检测有料则向前转动至齐头装置时停止,此时步进梁动作一周将钢运送到倒棱装置,倒棱完成后气体吹扫铁屑,步进梁动作一周将钢运送到2#输送辊道,输送辊道运送钢到2#倒棱装置,倒棱完成气体吹扫铁屑后,步进梁动作一周,出料平托装置检测有钢动作一周将钢运送到探伤输入辊道,倒棱结束。倒棱布置及流程图见图4。
倒棱机根据不同的棒材直径,对金属刀头的进刀位置、刀头高度和刀头旋转速度进行调节,以达到较好的倒棱效果。
3.4 联合探伤平台控制系统
联合探伤平台主要是为漏磁和超声波探伤仪提供检测平台。主要设备包括压下夹送辊、漏磁平台和超声波平台。
系统控制功能包括根据不同棒材直径对夹送辊压下装置位置、夹送辊速度、漏磁和超声波平台高度的调节;漏磁和超声波平台的移进和移出生产线;漏磁和超声波检测结果和设备工作状态;超声波耦合水和预洗水系统状态。
3.5 全线非标设备控制系统
全线非标设备控制系统,主要是控制各主体设备间的辅助设备,设备包括上料/下料台架,输送辊道/链,平托,三星拨爪等设备。
非标设备按主体设备功能划分为抛丸机区域、矫直机区域、倒棱机区域、探伤区域和贴标收集打捆区域,主要起串接工艺线,输送棒材,收集并与贴标机和打捆机通讯,包括全线辅助的润滑、液压站和水系统的控制。
4 系统功能
4.1 系统网络构成
全线辅助控制系统为四套PLC,抛丸机、矫直/倒棱机和联合探伤平台为三套西门子S7-300PLC,全线非标设备控制系统为西门子S7-400PLC。设备全线监控网络为以太网,对全线各套控制系统进行监控和数据采集,全线非标设备控制系统与抛丸机、矫直/倒棱机和联合探伤平台系统的控制数据通讯网为PROFIBUS,选用DP-DP COUPLER连接。系统网络图见图2。
4.2 控制和数据流程
4.2.1 控制方式
系统采用分布式控制和集中监控及数据采集的模式[1],根据不同规格和屈服强度的棒材生产,计算生产设备速度和需调整的参数,也可调用已生产过此棒材的系统数据。生产准备对抛丸、矫直、倒棱、内伤检测和外伤检测进行工序选择,检查完设备状态后,下达生产准备好的命令。
4.2.2 数据流程
抛丸机、矫直/倒棱机和联合探伤平台三套控制系统分别通过PROFIBUS网与全线辅助系统通讯,进行控制数据交换,很好实现快速响应,稳定控制的作用[2],使全线主体设备和辅助设备实现全线逻辑控制,启停联锁,保护。控制室操作站通过以太网与抛丸机、矫直/倒棱机、联合探伤平台和全线辅助系统通讯,在更换规格生产时和调整生产工序及参数时,对所有控制系统进行工艺参数设定;在生产过程中,对全线工艺参数和设备状态数据进行实时监控,并对应生产规格的棒材对全线工艺参数和设备数据进行存储,便于下次生产的参考和优化。系统数据流程图见图3。
4.2.3 HMI
监控系统用于整条生产线监控,画面设置;以工艺平面图为背景,将整条生产线设备运行状态在画面中跟踪显示;可对生产过程进行控制,各主体设备根据各自的情况进行设定,堆垛、收集区可对捆的总支数、各层支数进行设定;相关的报警画面等。同时系统对现场生产进行管理,在系统中设置生产记录表,可根据需求进行打印,同时由系统输入的相关信息后,均可被各设备自动控制系统所利用,进行设定和调整(如规格),减少操作工的设定、调整时间。网络通讯状态监控,控制系统之间PROFIBUS网络监控和以太网监控,便于排查网络故障。
5 结束语
通过项目的实施,规范工艺要求的工序工作,优化生产流程,提高了优钢无损棒材精整产品质量,增加效益。该系统在热负荷试生产阶段投入使用至今,运行稳定,实现通过自动化持续、快节奏地组织生产提供了必要的保障,提升了特钢棒材精整探伤作业能力和检测工艺技术水平,有力地增强了产品的市场竞争力。优钢无损棒材精整线控制系统的使用,随着生产工艺的优化,还需进一步改进。
参考文献:
[1] 邵裕森,戴先中.过程控制工程[M].北京:机械工业出版社,2000.
[2] 韦巍.智能控制技术[M].北京:机械工业出版社,2001.
作者简介:席晓卿(1981-),男,工程师,研究方向:优钢棒材轧线及后步精整的自动控制系统。