棒材生产线倍尺剪的优化控制

朱拥民

(山西太钢不锈钢股份有限公司，山西 太原 030003)

0 引言

倍尺剪作为棒材生产线的核心设备，其功能精度对定尺收得率、热倍尺能否顺利上冷床，特别是棒材成材率和轧制效率起着至关重要的作用。太钢不锈线材厂共有高线、小棒和大棒三条生产线，以220 mm×220 mm×3 500 mm的初轧坯、连铸坯为原料，能够生产Φ5.5 mm～Φ20 mm的线材和Φ16 mm～Φ120 mm的棒材。因产品种类多、规格范围广，共有18条工艺路径完成上述产品的轧制要求。其中，小棒生产线于2012年投产，2019年完成智能化升级改造，能够满足Φ16 mm～Φ80 mm的直条棒材和Φ6 mm～Φ50 mm的螺纹钢的生产要求。

1 倍尺剪工艺概况

1.1 小棒工艺流程

小棒生产工艺流程为：加热炉→高压水除鳞→开坯机→粗轧机组→中轧机组→31H、32V短应力轧机→KOCKS棒材减定径→倍尺剪→裙板辊道→冷床→定尺锯切→称重→打包。在各机组之间均设有飞剪用于切头尾、事故时进行碎断。在轧线上设有水冷装置，用于实现控温轧制和热机轧制，满足所有品种的要求。在棒材减定径机组出口设有测径仪，对轧件进行在线测径。

1.2 倍尺剪工艺参数

倍尺剪为启停式飞剪，通过电气控制完成每一次剪切，有切头、切尾和事故时碎断功能。飞剪有曲柄式和回转式两种模式[1]，当成品规格≤Φ35 mm时采用回转式，Φ50 mm>成品规格>Φ35 mm时采用曲柄式，当成品规格≥Φ50 mm时采用曲柄式并增加一个飞轮, 以提高剪刃动作的平衡性。为便于棒材咬入，在其上游装有剪前夹送辊。倍尺剪电机为上海电机厂生产的YSBPKK500-6交流电机，额定功率为650 kW，额定电压为690 V，额定电流为685 A，额定转速为980 r/min。轧线控制系统采用西门子PLC S7-1518-4PN/DP集中控制，西门子变频器S120作为电机传动控制装置。倍尺剪硬件配置如图1所示，成品机架编码器将计数发送给PLC的TM Count 高速计数模块和S120变频器，用于钢坯全长、轧件实际速度的计算以及倍尺优化；倍尺剪电机端部编码器将计数发送给S120用于速度调节时的速度反馈、计算剪刃位置和倍尺长度；剪刃旋转轴上装有接近开关, 用于增量式编码器清零及飞剪初始位校验，飞剪设计最高速度为7 m/s。

图1 倍尺剪硬件配置

1.3 倍尺剪工作原理

倍尺剪剪切过程分为加速阶段、匀速剪切阶段和减速归零阶段，倍尺剪剪刃运行轨迹如图2所示。当接到剪切指令时，倍尺剪从初始位加速启动，转过α1角度达到设定剪切速度，并进入匀速运行阶段，在α2角度内完成剪切动作后将剪切速度切换到减速速度，通常为最大剪切速度的30%，剪刃运行α3角度回到初始位，由于惯性作用，剪刃仍要向前摆动，安装在初始位的接近开关感应后剪刃速度切换到反转速度，该速度与剪刃偏离初始位的距离成正比，并且限幅为最大速度的1%，当剪刃再次运行至初始位时PLC中断，封锁S120输出，剪刃精准停在初始位。通常设定α1=90°，α2=180°，α3=90°。

图2 倍尺剪剪刃运行轨迹

2 倍尺剪常见问题分析及优化方案

2.1 倍尺剪剪刃速度的修正

倍尺剪的剪切速度是根据成品机架(即棒材减定径机组末机架)的速度设定的，理想状态下飞剪剪刃在轧件运动方向的速度应等于或稍大于轧件运动速度[2]。轧件温度的中间高两端低状态、冷床输送辊道表面产生的磨损、传动设备的转速控制精度等因素均会导致轧机速度波动，如果剪切速度与轧件速度偏差过大，一方面影响上一倍尺尾部和下一倍尺头部的断面形状，剪刃也易受损伤[3]；另一方面，如果剪切速度偏大，上一倍尺尾部容易被剪弯，造成冷床输入辊道或裙板辊道跑钢、弯钢过多，也给后续定尺锯切带来不便，影响生产节奏；当剪切速度偏小时，易导致下一倍尺在飞剪处堆钢。因此，有必要对倍尺剪剪切速度进行校正。

图3 倍尺剪区域设备布置

2.2 倍尺长度的计算和尾钢倍尺优化

2.2.1 倍尺长度的测量

为此，采用调整倍尺长度计算起始点的方法，第二倍尺长度的计算从第一倍尺剪切时成品机架开始计数，当脉冲数累计达到N时，发出剪切信号。对于第一倍尺无法避免LS，根据经验调整启动时间和设定倍尺数，如Φ30 mm直条棒材，定尺长度4 m，倍尺长度24 m，当设定统一倍尺24 m时，第一倍尺实际剪切长度为25 m～27 m，通过一段时间观察，将第一倍尺设定为22 m，第二倍尺及以后仍为24 m，这样可以实现所有倍尺实际剪切在24.1 m～24.2 m，有效消除了飞剪启动阶段的干扰。

2.2.2 优化剪切

受原料尺寸规格不同和上游切头尾长度不一等因素影响，倍尺剪切时棒材长度不可能正好是定尺长度的整数倍，末端倍尺长短不一，这一问题一直是困扰棒材生产的重点和难点，尾料过短上不了冷床，过长容易造成堆钢事故，或者与整定尺混在一起需人工挑除，这样都会影响轧制节奏。因此，固定倍尺数已不能满足当前生产的要求，需要进行倍尺优化。

倍尺优化控制过程实际上就是对被测钢坯总长进行线性规划的过程，通常分为全长优化剪切、末刀优化剪切和尾钢优化剪切[4]。全长优化剪切的起始点为粗轧机组，由于粗、中轧阶段有切头、切尾、碎断等动作，使得钢长度计算偏差较大。末刀优化起始点为成品机架，当轧件尾部离开成品机架轧机时，成品机架编码器开始计算剩余长度，由于现场末机架与倍尺剪距离仅为十几米，供优化的轧件距离较短，不具备尾部调整的条件。因此采用对尾钢最后几刀进行优化的方案。

图4 尾钢剪切示意图

3 结论

倍尺剪的控制关键在于剪切速度、剪切时间以及剪切长度的控制。利用热检、成品机架编码器等对倍尺剪剪刃速度进行每一倍尺的修正，使剪切速度稍大于或等于轧件速度，以确保剪切断面形状齐整，减少弯钢的出现。采用剪切时刻作为倍尺长度的计数起始点，能够避免飞剪从启动到剪切的时间影响，确保从第二倍尺开始的长度准确性。尾钢优化方式能够克服末机架与倍尺剪距离过近不能及时调节的困难，根据尾钢不同长度对最后2至3倍尺进行统一优化，有效避免了短料上冷床的情况，进一步提高了棒材生产的轧制效率和成材率，希望能给相关人员提供一定的借鉴。