在线机械性能检测系统在冷轧带钢生产中的应用

徐卫国，邓冬梅

(山东钢铁集团日照有限公司，山东 日照 276800)

0 引言

在当今的冷轧带钢市场中，保证成品带钢的特定机械性能是提高竞争力的前提。传统的冷轧带钢加工线进行的破坏性材料测试方法，需要时间延迟和间歇性的试验室测试。这些测试不提供关于产品质量工艺参数的连续性及在线检测数据。

在线机械性能检测系统克服了这些限制。它在整个带材长度上，提供拉伸强度和屈服点的连续和可靠值的测量[1]。只有通过该系统，用户才能直接在生产过程中进行改变或者优化后续的处理步骤。

1 系统结构

1.1 工作原理

在线机械性能检测系统是一种基于电磁感应原理的测量系统，用于对铁磁性钢带的机械特性进行自动、无损检测[2]。基于对带钢的周期性磁化，以及在带钢两侧剩余磁场强度梯度，分析得出测量结果。通过使用该系统，对钢卷的机械性能质量进行了完全的记录。

每个传感器构成一个磁化线圈。为了冷却，线圈浸没在变压器油中，所产生的热量经由冷却单元散发到大气中。

发电机通过发射线圈将带钢磁化。在每个传感器中都有一个接收线圈，用于检测剩余磁场强度[3]。系统工作原理如图1所示。

图1 系统工作原理图

两个磁体周期性地在移动的钢片上产生磁场，在两个接收线圈之间移动的局部磁化带将产生一个信号。该信号与带钢表面的剩余磁场强度成正比。处理单元用于计算带钢每个表面的剩余磁场强度的梯度，并通过对两个信号的平均值进行求和，得到对带钢振荡的补偿。

系统由三个单元组成:传感器、数据处理单元(data processing unit,DPU)以及服务器。

1.2 传感器

为了自动、无损、在线测试钢卷的机械特性，带钢机械性能测量系统主要检测带钢(厚度为0.15～3 mm)的抗拉强度、屈服点。它由一组对钢板磁化的激磁线圈、一组测量线圈组成。根据FÖrster传感器原理测量剩余磁场强度的梯度变化，并通过线性回归模型计算带钢的机械性能[4]。为了使带钢进行充分磁化，要求在带钢的两面都安装传感器。该测量方法可在带钢运行速度为6～900 m/min的条件下进行测量，剩余磁场强度的梯度变化测量的检测误差最大为5%。附加误差是带钢测头在感应范围内的抖动所引起的，带钢在±5 mm内抖动而产生的最大误差为2%。

测量剩余磁场强度的梯度变化误差，只会部分影响线性回归模型计算机械性能的准确性。

这种传感器的紧凑设计可以方便、快捷地集成到现有的生产线中，它使传感头锁定在维护位置和测量位置。其他非磁性零件的最小距离(500 mm)由刚性垫片保持。根据带钢(水平或垂直)传输通道的不同，机械力度也不同。

1.3 数据处理单元

数据处理单元的主要功能是给激磁线圈供电、采集并处理。它由振荡器、数据采集单元、标定装置和可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)组成。

振荡器为激磁线圈提供一个激磁电流，它产生的脉冲磁场最大频率为7.5 Hz。数据采集单元同步采集已被磁化带钢的磁场梯度测量值。这些信号被传输到服务器中处理后，显示为机械性能参数[5]。标定装置用来标定探测头和数据采集装置，可在传感器头中间位置安装一个额外的标定测头，用一个可控的脉冲以模拟带钢磁场进行标定。PLC单元可以对带钢速度、长度和磁化等数据进行同步采样。PLC单元还采集其他辅助的外部信号(如压下量、延展率和焊接信号)。

1.4 服务器

服务器是整个系统的控制和分析单元。通过服务器，可实现往返于主从网络的数据交换。其主要通过双向Profibus-DP或以太网接口(TCP/IP协议)来实现[6]。

以下数据为强制性给定:带钢名称、钢种级别、带钢厚度、延展率、带钢宽度。

2 软件系统

系统功能通过软件实现，基于LabVIEW软件的几个应用程序软件包可用于该系统，计算并显示机械性能的抗拉强度和屈服点。

软件提供以下功能。

①在线显示钢级强度的拉伸强度和线圈长度的屈服点。

根据钢级的具体模型，对所测数据进行在线计算并显示力学性能、抗拉强度和屈服点。

②可获得的重要钢材等级的预定义回归模型。

基于各种装置的已有数据，建立了回归模型的数据库。这些预定义的模型存储在系统中，只需对其进行验证，该系统即可在短时间内启动[7]。

③符合用户定义的钢材等级的回归模型。

初始参数并未预先定义，而是要匹配钢铁等级要求的模型。新的参数是根据统计模型(多重回归)计算得到的。

拉伸强度的测量模型精度为±5%，钢级的屈服点为±10%。规定每年对回归模型的系数进行一次检验和优化。

④钢种等级的定义-特殊警告-操作限制。

对于不同等级的钢材，用户要有明确的警告和行为限制[8]。在这些范围内，机械材料性能必须符合要求。通过对拉伸强度和屈服点的图形，以及在线显示的警告和动作限制的观察，系统操作员可以对该过程进行控制。

⑤显示质量比(Cp，Cpk)。

在对质量进行控制和分析的情况下，可以确定一定的质量比率。

在计算临界过程能力指标Cpk时，在上、下过程能力指数之间进行最小选择:

(1)

式中：UG为上限值；OG为下限值；χ为平均值；σ为标准差。

3 数据分析

测量数据保存在一个微型数据库中，进行网络连接的测量数据可以随时访问该数据库[9]。计算机的报警信息、故障发生或操作上的错误，每天通过在线应用程序存储在日志文件中，并可以在任何时间、任何情况下对其进行可视化。

拉伸强度与表面通过率及带钢长度的屈服度有关[10]。离线数据曲线如图2所示。

图2 离线数据曲线

在线机械性能检测系统软件为回归分析和过程优化提供帮助。基于新的或现有的钢材等级，通过统计程序(多元回归分析)计算未预先定义或优化现有模型系数[11]。

通过与破坏性材料试验中产生的机械特性进行对比，计算测量的机械性能值的抗拉强度和屈服点。为了获得准确的统计量，查阅了500多份资料记录，抗拉强度回归分析如图3所示。验证得出结论：当抗拉强度的回归程度达到70%以上时，该模型为最优模型。

图3 抗拉强度回归分析图

4 结束语

山钢日照钢铁精品基地冷轧产线是山钢产品结构转型升级的重要一步，也是日照公司技术的制高点和运营的盈利点。主导产品为高级汽车面板、高档汽车结构钢及高级家电板等高附加值的精品板材。在热镀锌和连退产线中，本文开发、使用了该带钢机械特性在线测量系统，并对其工艺性能进行了优化。该系统大大提高了带钢机械性能质量和材料的屈服强度，为提供优质的汽车板奠定了良好基础。