尺寸智能控制系统在优质合金棒材生产线上的应用

胡寅峰，苏 炜，丁 敬，方 强

(马鞍山钢铁股份有限公司，安徽马鞍山 243000）

引言

尺寸精度是棒材产品质量的重要指标之一，为保证产品尺寸满足客户要求，棒材生产线通常采取的做法是对热轧棒材进行人工取样，根据尺寸测量结果手动调整若干轧机的辊缝值，开始下一次轧制和取样，不断重复这一过程，直至产品尺寸精度达到理想值并保持稳定。在这种手动尺寸控制下，尺寸精度取决于尺寸测量结果的准确性以及轧机调整工的经验和技能水平。

伴随钢铁产业升级脚步不断加快和智能制造的蓬勃兴起，利用机器智能取代人工经验成为大势所趋，马钢特钢优质合金棒材生产线就在尺寸智能控制上进行了率先尝试，并取得了良好的效果。

1 系统结构

该尺寸智能控制系统以SCS（Size Control System）为核心控制单元，以热金属检测仪和4D Eagle轮廓仪为检测单元，以RSB 370++三辊减定径机组（配备RC 远程控制功能）为执行单元，系统结构如图1所示。

图1 尺寸智能控制系统结构图

1.1 SCS

SCS是尺寸智能控制系统的大脑，集成了Oracle数据库、BAMICON 软件和IBA 数据采集和分析软件，与轧线PLC、RC 远程控制系统和4D Eagle 轮廓仪进行实时通信，利用实时棒材尺寸数据，对减定径机组的速度和辊缝进行控制。

1.2 4D Eagle

4D Eagle 轮廓仪属于光栅测量仪表，由BVPC、DBPC、高精度摄像头和水冷系统组成。4 个高精度摄像头互呈90°围绕棒材轴向布置，利用计算机3D重建技术对棒材表面轮廓进行高精度逐点测量，从而实现对棒材尺寸的实时在线测量，并将测量结果传输给SCS。

1.3 RSB370++

三辊减定径轧机是1954 年由德国KOCKS 公司推出，在国内棒线、管材加工中广泛应用[1]。减定径机组通常由4～5 架三辊机架组成，主要对预精轧机组的圆形轧件进行减径、定径[2]，能可靠稳定地生产尺寸公差小、表面质量好、冶金质量好的高档次钢材，并具有良好的生产柔性，可缩短交货周期，提高成材率，提高轧机利用率，降低生产成本[3]。

RSB 370++三辊减定径机组采用最新一代三辊传动系统，三辊轧机放置在一个共同的支撑框架，通过电动链条系统，每个机架可以单独地移进和移出。通过RC 远程控制系统可以快速对轧辊和导卫辊缝位置进行调整。

图2 RC远程控制系统

2 工作原理

棒材尺寸精度的影响因素主要是孔型调整以及机架间张力。孔型调整即三辊轧机轧辊和导卫辊缝位置调整，通过伺服电机驱动实现，伺服电机变频器由RC 远程控制系统PLC 进行控制。机架间张力由轧机速度决定，通过改变主电机的转速，可以实现棒材轧制张力的调节。RSB轧机由主电机进行驱动，主电机变频器由轧线PLC进行控制。

借助热金属检测仪和4D Eagle 轮廓仪，SCS 可以得的棒材尺寸的实时数据，并显示在HMI 上。通过对尺寸设定值与实际值的偏差进行运算和分析，SCS会发送张力系数修正值给轧线PLC，由轧线PLC对主电机速度在轧制期间进行适时调整；同时SCS会在本根棒材轧制结束后，向RC 远程控制PLC 发送轧辊和导卫辊缝位置修正值，利用轧制间隙快速调整辊缝值。

2.1 速度控制策略

轧线PLC 从BAMICON 数据库读取减定径机组轧制表中各机架主电机参考转速，结合HMI 上各机架间张力系数值和整体张力系数值，计算出各主电机最终设定转速。以4机架为减定径机组末机架为例，该电机转速为n4=n4-ref×MS/100；3 机架电机转速为：

n3=n3-ref×(1-(tf+tf34)/100)×MS/100。

式中：MS——速度比例系数（0-100%）；

tf——整体张力系数值；

tf34——3架和4架之间张力系数值；

n3-ref和n4-ref——3架和4架的轧制表参考转速。

在尺寸智能控制投入使用的情况下，SCS 会根据棒材断面尺寸实时测量值，发送整体张力系数值给轧线PLC，从而改变减定径机组各机架主电机设定转速，实现通过张力的变化来调整棒材尺寸。

2.2 位置控制策略

减定径机组每个机架的三个辊环形成了近似圆形的孔型，棒材中心与轧辊表面接触部位处的距离称为DT，棒材中心与各辊环空隙处的距离称为GT。在轧制过程中会出现孔型未充满和过充的情况,见图3。

图3 未充满和过充孔型

出现未充满情况时，4D Eagle 轮廓仪检测出的棒材尺寸DT 和GT 值会偏小，SCS 会在本支轧件轧制完成后给RC 远程控制系统发送缩小机架辊缝的修正值。出现过充情况时，4D Eagle 轮廓仪检测出的棒材尺寸GT 值会偏大，SCS 会在本支轧件轧制完成后给RC 远程控制系统发送扩大机架辊缝的修正值。操作人员只需在BAMICON HMI 上点击Adjust即可快速完成辊缝调整。相应的调整可以在坯料间隙最长1 min之内完成,且调整精度的最大误差为0.02 mm。[4]

3 应用情况

马鞍山钢铁股份有限公司特钢公司于2018年9月投产一条优质合金棒材生产线，生产规格Φ16～90 mm 热轧圆钢，品种有合金结构钢、轴承钢、弹簧钢、齿轮钢等，定尺长度4～12 m。轧钢原料为250 mm 连铸方坯和Φ280 mm 连铸圆坯[5]。该生产线设计年产量40 万t，轧线配置一座加热能力120 t/h 的步进式加热炉，26 架轧机（粗轧机组4 架、中轧机组2+6 架、预精轧机组6 架、精轧机组4 架、RSB370++减定径机组4 架）。采用连续轧制工艺，粗、中、预精、精轧机组全部采用平立交替布置，实现全线无扭轧制。采取单一孔型系统轧制，共用性高，产品尺寸控制灵活自由，精度高，可实现热机轧制，改善产品表面质量，提高产品内部性能。

生产线自2018 年投产以来，已实现16～90 mm任意尺寸轧制。选取45、GCr15、60Si7 和42CrMo 四个代表钢种，分别对16 mm、34 mm 和90 mm 三种尺寸进行了尺寸精度测试统计，见表1。

表1 尺寸精度统计

投用尺寸智能控制系统后，尺寸精度得到明显提高，均可达到1/6 DIN 标准内，并具备如下优点。

（1）尺寸一次命中率大幅度提高，减少试轧坯投入量。

（2）轧制过程中通过减定径机组内张力的调整及消化，确保了整支圆棒的尺寸精度。

（3）大大降低因人工调整失误导致减定径机组内张力不稳定的堆钢事故发生，提高了生产效率。

4 结论

尺寸智能控制系统在马钢特钢优质合金棒材生产线的应用实践表明该系统运行效果良好，相较于人工尺寸调整，具有显著优势。

(1)4D Eagle 轮廓仪高精度的检测，保证了系统能够精准跟踪整支轧件的断面轮廓，减少了红检取样频率，降低了劳动强度和成本，提高了生产效率；

(2)避免了因量具不准或卡量失误，造成的成品尺寸调整不达标的事故；

(3)尺寸智能控制保证了产品尺寸的高精度，由于成品精度不依赖于操作者个人水平，从而保证了产品质量的可持续性和重复性。