飞剪剪切精度控制技术的研究与实践

吕进伟

飞剪的主要作用是对粗轧后板坯的不规则头部和尾部进行剪切。剪切精度直接关系到轧制和卷取的稳定性，同时也是产品成材率的保证。

1 飞剪主要设备的组成

首钢京唐热轧1580 产线的飞剪是转鼓式飞剪。主要设备包括：飞剪主电机、减速机、飞剪转鼓牌坊以及上下两个转鼓。飞剪主电机通过齿式联轴器与主减速机相连，主减速机输出端通过鼓形齿联轴器与下转鼓相连。上下转鼓通过一个同步齿轮相接，所以上下转鼓可以同时旋转。在转鼓上安装有两对剪刃，前剪刃用于切尾，后剪刃用于切头，两对剪刃成90°安装。

2 飞剪控制系统的组成

2.1 传感器组成

用于剪切的传感器包括：热检402HMD 和403HMD，用于中间板坯头、尾检测。一台脉冲编码器安装于剪前辊道电机尾部，用于测量板坯头部速度。一台脉冲编码器安装于除鳞机出口下夹送辊电机尾部，用于测量板坯尾部速度。一台绝对值编码器安装于减速机尾部，用于测量剪刃角度。一台增量编码器安装于飞剪主电机尾部，用于测量飞剪主电机速度，反馈给传动系统。

2.2 硬件组成

飞剪控制系统采用的是日本TMEIC 公司的NV 系列PLC，主要包括：电源模块PS891，CPU 板卡PU866，TC-NET 通讯板卡TG823，以太网通讯板卡EN811，IO 扩展板卡DI934T、PI924、TP912M。

2.3 网络组成

现场传感器通过硬线与各类型IO 扩展板卡连接，PLC 与PLC 之间，PLC 与扩展板卡之间，PLC 与操作台子站通过TCNET 通讯，PLC 与传动系统之间通过PROFIBUS 网通讯，PLC与编程器之间通过以太网通讯。

3 控制时序

飞剪的操作可以在主控操作台、本地操作箱和HMI 上实现。通过本地操作箱上的远程/本地切换开关，选择操作台或是本地操作箱上对飞剪进行操作。可以实现飞剪手动剪切，包括紧急剪切，正反点动旋转，切头超前率和切尾滞后率以及剪切长度的修改。飞剪的自动剪切主要依据剪前热检403HMD 信号检测，触发PLC 跟踪计算，根据计算的板坯运行的距离，在切头和切尾时，板坯头部和尾部到达飞剪前某一时刻，准确地启动飞剪，得到设定的剪切长度。热检403HMD 是成对安装，分别是热检403AHMD 和403BHMD。切头时，其中任意一个热检有检得信号就触发切头跟踪计算；切尾时，必须要求两个热检都有检失信号后才触发切尾跟踪计算。

3.1 切头控制时序

中间板坯从R2 轧制完最后一道次后，由延迟辊道以5m/s 的速度输送至精轧。当热检402HMD 检测到板坯头部时，飞剪后剪刃由等待位90°预摆至140°，同时板坯降速至切头速度。当热检403HMD检测到板坯头部时，触发剪前辊道编码器开始计数，PLC跟踪计算板坯头部运行长度。当LCNTH=（L0-L+L1）-lc时，飞剪启动切头，切头完成后，剪刃回到等待位90°。其中LCNTH：编码器计数。L0：热检403HMD至飞剪中心线的固定距离。L：从热检带载到飞剪开始转动时板坯运行的距离。L：从飞剪开始转动到底部死点时板坯运行的距离。lc：从剪切启动点到剪切完成，板坯的长度。L1：设定剪切的长度。

3.2 切尾控制时序

当中间板坯尾部通过402HMD 时，飞剪后剪刃由等待位90°预摆至50°。当中间板坯尾部通过403HMD 时，触发除鳞机出口下夹送辊编码器开始计数，PLC 根据设定切尾长度，PLC 跟踪计算板坯尾部运行长度。当LCNTT=（L0-L-L1）-lc 时，飞剪启动切尾，切尾完成后，剪刃回到等待位90°。其中LCNTT：编码器计数。L0：热检403HMD 至飞剪中心线的固定距离。L：从热检带载到飞剪开始转动时板坯运行的距离。L：从飞剪开始转动到底部死点时板坯运行的距离。lc：从剪切启动点到剪切完成，板坯的长度。L1：设定剪切的长度。

4 剪切不准和剪切不断的原因分析及对策

实际运行过程中，由于跟踪计算不准导致剪切长度与设定长度存在偏差，而跟踪计算不准主要是由于热检403HMD 检测信号不准或编码器发生故障导致。另外偶尔也出现切头或切尾没剪切断的问题，此问题主要是剪刃间隙过大导致。

4.1 切头不准的原因分析及对策

切头时，当热检403HMD 提前检测到板坯头部，触发剪前编码器提前计数，或者板坯打滑，最后都造成切头过小，甚至切不到头。当除鳞机入口夹送辊或液压缸缸头磨损大，会导致入口夹送辊辊缝波动大，进而导致剪切程序判断切头连锁条件不满足，造成飞剪不切头。当剪前编码器有故障：①如果计数快，则造成切头过小或切不到头；②如果计数慢，则造成切头过大；③如果不计数，则造成不切头。

通过观察，热检提前有检得信号是有三种原因导致：①冬季气温低，辊道冷却水和飞剪剪刃冷却水遇热产生大量的水汽，造成热检提前有检得信号。②热检403HMD 是成对安装，只需要一个热检有检得信号就会触发编码器计数，当其中某个热检的检测视角过大，就会造成热检提前有检得信号。③两个热检的检测照射点不一致，其中某个热检的检测照射点靠前。针对水汽大的问题采取了两方面措施。①在热检403HMD 前面的辊道两侧分别安装了2 台大功率轴流风机，用以吹散水汽。②由于剪前侧导板的遮挡，轴流风机对侧导板以下的水汽不能完全吹散，于是在热检403HMD 检测范围内，斜向下安装一组压缩空气吹扫装置，吹散侧导板以下的水汽。

针对热检检测视角过大的问题，采取了在热检前端口加装铜制薄封片，上面开了一个小孔径的照射孔，使得热检检测视角缩小到了最佳孔径。对于热检检测照射点靠前的问题，采用热检“十字”打点校验法，使得两个热检的检测照射点处于同一位置，两个热检的检测信号误差时间不超过阈值。

现场观察，当板坯头部镰刀弯大，在剪前侧导板进行头部短行程时，板坯就会顶剪前侧导板，导致板坯打滑。于是修改剪前侧导板头部短行程程序，在板坯头部进入剪前侧导板平行段后再进行头部短行程，解决了上述问题。

对于入口夹送辊辊缝波动大导致不切头的问题，通过修改完善切头程序连锁，即：只有当入口夹送辊传动侧辊缝与操作侧辊缝偏差绝对值大于10mm,才会触发切头程序连锁不满足。

针对剪前编码器故障问题，开发了备用切头程序，采用剪前辊道设定速度跟踪计算板坯头部运行距离。当发现编码器有故障，可以通过操作画面按钮选择切换至备用切头程序，而且实现了部分自动切换。当热检403HMD 有检得信号后一个扫描周期内，如果剪前编码器未进行计数，则程序判断编码器有故障，立即自动切换至备用切头程序，不影响当前板坯的切头。

4.2 切尾不准的原因分析及对策

切尾时，当热检403HMD 提前有检失信号时，触发除鳞机下夹送辊编码器提前计数，就会造成切大尾。当机械设备存在故障，入口夹送辊辊缝波动大时，在还未完成切头就提前产生咬钢时，剪切程序判断切头控制转换为切尾控制了，也造成切大尾。当热检403HMD 检失信号延时，则会造成切尾过小或切不到尾。当当除鳞机下夹送辊编码器有故障：①如果计数快，则造成造成切尾过大；②如果计数慢，则造成切尾过小或切不到尾；③如果不计数，则造成不切尾。

热检403HMD 提前有检失信号一般都是镜头前的封片照射孔有堵塞，或者镜头脏了。针对这种情况，要保证吹扫的压缩空气正常开启，压力正常，软管无漏气，然后按照每个季度擦拭一次热检镜头。另外要求热检冷却水正常，冷却水管无堵塞和泄漏，避免热检受热停止工作。除此之外，夹送辊磨损后风水效果不好，除鳞水溢出顺着带钢冲出，也会导致热检提前检失。对此我们采取了如下措施：缩短入口夹送辊的更换周期；入口上夹送辊的压下力设定值由固定值改为可调设定值，随着在线运行的时间逐步加大压力设定值，以此保证封夹送辊的水效果。同时在飞剪前增加了侧喷水，减少除鳞水的外溢。

当氧化铁皮飞起遮挡了热检403HMD，也会造成提前有检失信号，导致切大尾。为了避免此种情况导致的切大尾，在切尾程序中增设了一条连锁条件，只有当高温计的检测温度高于某温度值时，才允许切尾，此程序优化同时保护了切尾剪刃。

对于入口夹送辊提前产生咬钢信号的问题，通过完善程序连锁条件，即：只有入口夹送辊同时进行压力环控制并产生咬钢信号时，剪切程序才会由切换切头控制转换至切尾控制。

当热检发生偏移照射到剪前侧导板上，或是照射区域的裙板长时间受高温烘烤，都会导致热检的检失信号延时。因此热检的照射点最好选在辊道与裙板的缝隙之间。如果无法避开裙板，可以考虑割掉照射区域的裙板，或是给裙板加装冷却水。实践中，为了保证裙板强度，我们采取了给裙板加装冷却水。

针对出口夹送辊编码器故障问题，同样开发了备用切尾程序，控制原理与备用切头程序一样。

切尾有一个不同点，在切尾时，带钢前部分随着轧机而前进，后部分是随着辊道前进。带钢尾部的速度与前面的速度不一样，因此实际带钢的速度与夹送辊的速度存在不一致的情况，造成尾部切尾不准。通过长期的收集数据，发现带钢尾部速度的大小影响着切尾，二者之间也有一定的线性关系。于是设置了一个尾部速度与切尾补偿的对应数组，不同的尾部速度，取不同的切尾补偿。而且同时判断F1 轧机速度与除鳞机出口下夹送辊速度偏差是否超过阈值，当超过时才对剪头长度进行修正，且前一块板坯与下一块板坯在403 热检检失后的速度偏差小于一个微小值时，剪切修正值保持不变。通过以上措施的实施，很好地解决了切尾不准的问题。

4.3 剪切长度设定值的修正

为了追求较低的切损率，操作工往往设定的剪切值比较小，一般在120mm 左右，但是在长期的实践中，我们发现有时换辊后第一块板坯，由于整个剪前辊道和轧机工况的改变，会造成切头或切尾过小。针对这种情况，通过修改程序，对每次换辊后第一块板坯的切头、切尾补偿值在原有基础上自动加设定值，保证剪切长度的精准性。

4.4 剪切不断的原因分析及对策

4.4.1 钢种的影响及对策

在轧制超低碳钢时，由于此钢种含碳量低，延展性高，偶尔会发生切尾不断的情况。于是针对超低碳钢强度低不易切断的特性切尾补偿自动加设定值。

4.4.2 剪刃设备原因的影响

剪刃与带钢刚接触时，在带钢线弹性范围内，满足胡克定律，在弹性变形范围内，刀具弹性压入金属带钢；如果撤掉外力，带钢将完全恢复原样。但随着刀具的挤压和深入，带钢的应力和应变不再是线性关系，刀具塑性压入金属，带钢发生塑性变形，撤掉外力后，不能恢复原样。当刀具深入带钢一定深度，则金属带钢发生塑性滑移，并产生内裂纹而且不断扩展，最后金属断裂分离，完成剪切。

（1）剪刃压痕区为刀具后侧面与带钢的接触和挤压形成的，随着刀具深入带钢，在滚筒横截面上与滚筒直径成65度的刀具侧面跟带钢的压痕不断延长，在剪断后就形成了明显的刀具压痕区。

（2）在剪切完成之前，由于带钢受到挤压和拉伸等作用，带钢剪切区裂纹加长，材料断裂而产生毛刺。一般在普通的冲裁、剪切等塑性加工中，都不能避免的产生或多或少的毛刺。

（3）剪断面也称撕裂带，毛刺一般在撕裂带边缘，撕裂带是由于裂纹在挤压和拉伸、弯曲等变形条件下撕裂开，所以表面粗糙且不光滑。撕裂带在整个断面所占比例的大小直接决定了断面上毛刺的浓密程度，我影响剪切工艺和断面质量的重要因素之一。

（4）剪切面又称切断层，是刀刃直接作用于带钢的剪切力产生的一条光亮带，所以剪切面十分光滑、平整，几乎没有毛刺，剪切面所占比例越大，则剪切工艺越好，断面质量越高。

（5）塌角是下剪刃在刃口接触带钢时，带钢附近的材料产生弯曲和伸长变形，材料被带进下剪刃侧向间隙当中就形成的角度。

剪刃间隙、重合度对剪切质量的影响：

通过分组测试收集数据得到：当剪刃原始侧隙太小时，断面的毛刺薄而高，光滑的剪切区占比重小，约为30%，断面质量不理想。当原始侧向间隙适中时，毛刺很少，而且光滑的剪切区占的比重大，约为50%，断面质量最好。当剪刃原始侧向间隙过大。断面光滑的剪切区较小，约为25%，形成又长又厚的毛刺丛。因为刀具的挤压、拉伸而产生明显的撕裂的痕迹。

通过以上对比分析在一定的温度下，剪刃原始侧隙对断面质量的影响具有决定性的作用，合适的剪刃原始侧隙，可以减少毛刺和增加光滑的剪切区。

剪刃温度对剪切质量的影响：

金属进行塑性变形时，工件的温度处于不断变化之中。确定热变形时的温度范围，是保证正确施行塑性加工的关键之一。温度在250°以上时，钢材的抗拉强度、屈服点和弹性模量都有变化，总的趋势是强度和硬度都降低，塑性增大。

剪切设备对剪切质量的影响：

剪刃加工工艺对剪切质量的影响：如果剪刃的制造工艺较低、刃口加工不平整都会造成剪刃侧面、端面的表面粗糙，加大剪刃与带钢之间的接触摩擦，使带钢剪切过程中受力不均衡。

剪刃材料对剪切质量的影响：剪刃材料的性质对该材料在剪切过程中的弹性变形量有很大影响。对于比较软的材料，弹性变形量较小，剪切后的回弹值亦小，因而剪切精度高。而硬的材料，情况正好与此相反。

剪刃磨钝对剪切质量的影响：当上剪刃刃口磨钝时，毛刺会在被剪切带钢下端产生；当下剪刃刃口磨钝时，毛刺会在带钢下端产生；当上、下剪刃刃口都磨钝时，则带钢断面上、下端会产生毛刺。

剪刃振动对剪切质量的影响：剪切过程中由于带钢受到剪刃的挤压作用、剪刃与动力传动轴之间的接触间隙及其他因素会产生竖直方向和水平方向的振动，这样都会造成带钢受力不均衡，增大剪切力波动性，降低剪切工艺。

4.4.3 剪切设备与工艺控制方案对策

（1）减小剪刃间隙。两个剪刃之间的间隙减小，减小了无效剪切力矩，使带钢剪断处更贴近剪刃间隙中间位置，大大提高了带钢端部剪切质量，减少了毛刺，裂纹等现象的发生。在飞剪精度超差的情况下，按照小间隙控制飞剪。小间隙控制后对剪切断面进行跟踪，及时调整剪刃间隙。小间隙控制会造成保护块磨损，年修期间需对剪刃保护块进行平面修磨保证平面度要求，精确调整剪刃间隙。周期性地测量飞剪顶升数据，严格按照技术要求执行，便于及时发现铜瓦等间隙变化量，采取应对措施。另外当剪刃间隙变大，无法快速调整剪刃间隙时，可以增大切头速度的超前率和切尾速度的滞后率。

（2）为了避免剪刃的温度高对剪切质量的影响，在保证减少剪刃冷却水汽的同时，最大限度地对剪刃进行充分冷却，优化了剪刃冷却水开关时序。原程序为了保证轧制稳定性，较少板坯头尾的温降，实施了剪刃冷却水对板坯的让头和让尾措施，即板坯头部或尾部到达飞剪前时，关闭剪刃冷却水。针对上述情况，于是设置了冬季和夏季模式。冬季模式：因为冬季气温低，容易产生大量水汽影响热检的检测信号，故冬季模式下飞剪切尾完成后不开剪刃冷却水，直至下一块板坯切头完成后开启剪刃冷却水。夏季模式：因为夏季气温高，剪前辊道很少产生水汽，故夏季模式下，飞剪切头或切尾完成后立即开剪刃冷却水。同时当遇到保温或待料时间时，开启剪刃冷却水。剪刃冷却水在自动控制模式下，当精轧的操作模式由其他模式切换至换辊模式时，剪刃冷却水自动开启。另外为了充分给剪刃进行冷却，优化程序，取消了切尾时的预摆功能。

（3）改变剪刃材质，提高剪刃耐磨度。剪刃切尾块数由原来的8000 块增加到12000 块，切头块数由原来10000 块增加到15000 块。降低了生产成本，提高了剪切质量。

通过以上研究与实践，飞剪的剪切精度由±50mm,提高到了±25mm，切损率稳定在0.3%以下。随着剪切精度的提高，也避免了剪切太小，导致批头未切断被带入轧机造成的堆钢或停轧故障。提高了生产稳定性和质量控制水平，同时创造了可观的经济效益。