钢板测厚装置在调质生产线上的应用

2022-09-27邱淑建

工业炉 2022年3期

胡琼，邱淑建，庄宾

（1.湖南华菱涟源钢铁有限公司热处理板厂，湖南娄底 417000；

2.中国联合工程有限公司，浙江杭州 310052）

我司于2019年底投产的两条薄规格高强调质板生产线，使用至今较为稳定。但是也出现过双板层叠进淬火炉并最终送入淬火机淬火的情况，给生产造成了一定影响，幸运的是未对淬火机设备造成损伤。为了杜绝此类情况再次出现，决定在调质生产线上增加钢板测厚装置检测叠板，以保证正常生产和淬火机设备的安全。

1 叠板产生原因及影响

调质生产线的淬火工艺主要流程：原料板-上料装置-上料辊道-抛丸机-淬火炉-淬火机淬火。

正常生产时上料装置每次只放一块钢板到上料辊道。因薄板的重量较小且其表面比较光滑，生产中发现，偶尔会有两块钢板同时被吊起放到上料辊道。按照工艺，钢板在抛丸后输送到淬火炉内，加热保温结束后快速出炉淬火。淬火炉后配置为辊压式淬火机，通过喷嘴出来的大量冷却水对钢板进行喷淋冷却，同时用上下辊道间较小的辊缝高度控制钢板的变形。淬火机的辊缝高度通过液压系统控制，一般略大于钢板厚度，且为了钢板的快速冷却，淬火机的冷却喷嘴距离辊道面较近。

生产中两块钢板上下层叠的情况，称之为叠板。因为通常是同种规格的钢板，叠板不易被发现。

因为总厚度超过辊缝高度，叠板进入淬火机首先会对淬火机设备和液压系统造成冲击；叠板进入淬火机之后，冷却喷嘴仍正常工作，但是叠板的上层钢板只有上表面被冷却，叠板的下层钢板只有下表面被冷却，钢板上下表面冷却不均匀产生的应力，使两块钢板各自产生上下龟背或者翘头，进一步冲击整个设备，钢板的变形甚至可能直接碰到并损坏冷却喷嘴，使淬火机无法正常使用。淬火机作为整条淬火线的核心设备，一旦出现故障，会对生产造成很大影响。因此，必须采取有效措施防止叠板进入淬火机，以保证淬火机设备安全和生产线的正常运行。

2 叠板检测方式和安装位置的选择

淬火机前主要设备依次为：上料装置、上料辊道、抛丸机及淬火炉，将上述设备结合生产工艺流程进行分析，发现上料装置因为其设备本身原因，要完全杜绝上料时的叠板比较困难，但只要能及时检测出叠板，就可以避免生产故障。而检测叠板，最简单有效的办法就是检测厚度，若测量到的钢板厚度和实际差异较大，就判定为叠板。

测厚装置安装位置的选择：抛丸机前后，环境比较恶劣；淬火机前空间太小，又是高温高湿环境，而且钢板淬火时是快速出炉，即使检测到叠板也很难及时处理。比较之后，测厚装置最合适的安装位置是淬火炉前，一旦检测发现叠板就停止钢板入炉，杜绝叠板进淬火机的情况发生，而且淬火炉前有足够空间，发现叠板较容易处理，对生产的影响最小。

3 测厚装置的探索和应用

钢板测厚一般采用激光测距仪，经过咨询和比较选择了某厂商的某型号高精度激光测距仪，其测距范围为150～800 mm，当测量距离在150～400 mm时，测量结果的可重复性偏差不超过0.5 mm；当测量距离在400～600 mm时，测量结果的可重复性偏差不超过1 mm；当测量距离在600～800 mm时，测量结果的可重复性偏差不超过3 mm。原料板的厚度虽然是毫米级别，但叠板时厚度增加一倍，该型号的测距仪性能完全可以满足使用要求。

钢板从抛丸机出来后往淬火炉输送，在炉前进行对中后停止，等待入炉指令。因激光测距仪需尽量远离热源炉门，而钢板的长度差异较大，为了保证每种长度规格的钢板厚度都可以测量，激光测距仪的具体安装位置选择在对中装置之前，在钢板输送到淬火炉前时进行通过式测量。

激光测距仪的原理如下：激光测距仪集成发射端和接收端于一体，激光发射并被物体表面反射回来，通过测量激光发射和接收之间所需时间，可以计算出测距仪和被测物体之间的距离。

测厚方法：将激光测距仪安装于对中装置前某支辊道的中心轴正上方，测距仪和辊道之间的距离为定值δ1（约300 mm左右），钢板实际厚度为δ；钢板通过测厚点时，激光测距仪测得到钢板上表面到距离为δ2，如图1所示。根据上述测量值，系统计算得到该钢板的测量厚度δ'=δ1-δ2=δ。

图1 激光测距仪的布置和板厚测量示意图

通过上式也可看出，测距仪并未直接检测板厚，而是检测距离，系统通过计算得到钢板厚度。

因测量结果δ1和δ2的可重复精度在不超过0.5 mm，所以得到的钢板厚度δ'与钢板实际的厚度偏差在0.5 mm以内，满足使用要求。

将上述测厚装置投用后，发现对于较平整的原料板，板厚的测量值和实际偏差较小且比较稳定，进行叠板测试时也能及时发现板厚异常并报警。但是当钢板不平整，比如存在翘头、垂头或者龟背时，测得的板厚和实际偏差较大。以钢板龟背为例，与上述相同厚度的钢板通过测厚点，如图2所示，假设计算在测量位置处存在龟背的高度为Δδ，测距仪测得的距离为δ1-δ-Δδ，则系统得到的板厚为δ'=δ+Δδ。

图2 钢板龟背对板厚测量的影响示意图

因为薄板本身较容易变形，且该变形尺寸很可能超过钢板本身厚度，即Δδ＞δ，进一步得到δ+Δδ＞2δ，测得的板厚为实际的两倍以上，系统会将其判定为叠板。一旦判定为叠板，钢板停止入炉同时系统报警，需生产操作人员到现场检查，确认是单板后再入炉。上述情况频繁发生时，对产线的正常生产节奏影响较大。

由于钢板淬火后组织发生相变，板型也会改变，因此对入炉板型要求较宽松，这就要求钢板的测厚方式必须排除板型的影响。

前述的测厚方式，由于只对钢板单面测厚，无法避免翘头、垂头和龟背等变形产生的影响。在考虑之后，决定将只在钢板上方布置测距仪，进一步完善为在钢板的上、下方都布置激光测距仪，进行双面测厚，以避免板型不规整对钢板测厚结果的影响。

由于需要在钢板的上下表面都进行测距，激光测距仪的布置位置从炉辊正上方移到相邻两根炉辊之间，如图3所示。

图3 双面测厚示意图

布置在上方的激光测距仪和辊道面之间的距离仍为定值δ1，下侧的激光测距仪和辊道面之间的距离为定值δ3（约300 mm左右），上下测距仪之间的距离为δ1+δ3。

对于较平整的钢板，通过测厚点时，上侧激光测距仪测得到钢板上表面的距离为δ2，下侧激光测距仪测到得钢板下表面（即辊道面）的距离为δ3，则计算可得钢板测量厚度δ'=（δ1+δ3）-δ2-δ3=δ1-δ2=δ，和单面测厚方案的结果一致。对于板型较平整的钢板，双面测厚方案可行。

若上述规格钢板不平整，假设通过测厚点时，在测量位置处存在龟背，高度为Δδ，如图4所示。

图4 钢板龟背双面测厚示意图

则上侧激光测距仪测得到龟背上表面的距离为δ2-Δδ，下侧激光测距仪测到得到龟背下表面的距离为δ3+Δδ，计算可得钢板厚度δ'=（δ1+δ3）-（δ2-Δδ）-（δ3+Δδ）=δ1-δ2=δ。由上式可知，即使在钢板的龟背处，采用双面测厚方法得到的测量厚度和钢板实际厚度一致，方案依然可行。

对于钢板翘头和垂头的情况，通过双面测厚法得到的测量厚度和钢板的实际板厚也一致，此处不再赘述。

上述双面测厚装置安装和调试完成后，对上述的翘头、垂头和龟背三种不平整板型进行测试。测试中发现，翘头和龟背两种板型的测厚都比较准确，但是垂头钢板经过时，测厚结果和实际板厚差别较大，而且测量值容易震荡。经过观察发现，安装激光测距仪的门型架安装于辊道安装架上，垂头钢板输送到炉前时，会撞击辊道，撞击最终传递到激光测距仪，使其发生振动，影响测量结果。

发现原因后，将激光测距仪的门型架安装于地面上，通过膨胀螺栓固定，并加强了门字架立柱和横梁的刚性。再多次用垂头钢板测试，测厚结果十分准确和稳定。

4 双面测厚装置的进一步优化

该套双面测厚装置投入使用后，在实际生产中运行较平稳有效，并及时发现过叠板现象，避免了生产故障。但是也发现，对于极薄规格的钢板，较少数情况下上述测厚装置仍将单板误测为叠板。进一步观察发现，是由于上、下激光测距仪安装不够精准导致的：从水平面上看，上、下激光测距仪在钢板上、下表面上所测量的位置存在一定偏差，但极薄规格的钢板因其更易变形，对该偏差的允许值更小。若两个测量位置没有足够接近，则变形可能不一致，导致系统测量板厚和实际偏差较大，误报警为叠板。

于是对两个激光测距仪安装位置进行微调整，两束激光打在钢板上、下表面，光点在水平方向的距离不超过1 cm，此时可认为上、下两处测量点的钢板变形量相同。调整完成后，将测厚装置再次投入使用，运行一直很稳定。