步進(jìn)式加熱爐裝鋼動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)

景 婧

(山西太鋼不銹鋼股份有限公司，山西 太原 030003)

0 引言

步進(jìn)式加熱爐是棒線材軋制過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備，作為首道工序，它將鋼坯加熱至設(shè)定溫度后輸送至軋機(jī)入口，其安全、穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)整個(gè)軋線正常生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。棒線材生產(chǎn)線上的加熱爐通常采用側(cè)進(jìn)料的裝鋼方式，即原料在爐外經(jīng)爐外裝料輥道運(yùn)輸，從安裝于側(cè)墻的爐門進(jìn)入爐內(nèi)，再經(jīng)懸臂輥道運(yùn)輸至合適位置停下，等待步進(jìn)梁前循環(huán)動(dòng)作將懸臂輥道上的鋼坯放置在靜梁上。通常步進(jìn)式加熱爐內(nèi)由至少三根靜梁和兩根動(dòng)梁組成，動(dòng)梁的平移框架由兩排鋼制輪支撐其完成上、下、左、右動(dòng)作[1]，這樣的爐體結(jié)構(gòu)即使鋼坯在懸臂輥道上定位偏差很大，當(dāng)動(dòng)梁托起向前行進(jìn)至變軌處時(shí)，至少有兩根靜梁會(huì)支撐著鋼坯，不會(huì)發(fā)生偏移掉道的狀況。此外，如果大批量鋼坯朝同一側(cè)裝偏，因動(dòng)梁是雙排滾輪支撐，也會(huì)避免框架重心偏移加劇向裝偏一側(cè)繼續(xù)傾斜的情況發(fā)生。因此，常規(guī)的設(shè)有三根靜梁的側(cè)裝鋼式加熱爐對(duì)鋼坯入爐定位的準(zhǔn)確性要求不高，但對(duì)于僅設(shè)有兩根靜梁的狹窄爐體，需要精準(zhǔn)的入爐定位才能保證加熱爐安全、穩(wěn)定運(yùn)行。為此，本文針對(duì)僅有兩根靜梁支撐鋼坯的側(cè)進(jìn)側(cè)出式加熱爐設(shè)計(jì)了加熱爐裝鋼動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)。

1 步進(jìn)式加熱爐概況

某不銹線材廠共有高速線材、小棒和大棒三條生產(chǎn)線，以220 mm×220 mm×3 500 mm的初軋坯、連鑄坯為原料，能夠生產(chǎn)Ф5.5 mm～Ф20 mm的線材和Ф16 mm～Ф120 mm的棒材。因產(chǎn)品種類多、規(guī)格范圍廣，共有18條工藝路徑完成上述產(chǎn)品的軋制要求。廠內(nèi)有一座步進(jìn)式加熱爐，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為32 m、寬度為4.2 m，采用側(cè)進(jìn)側(cè)出、單排布料方式。爐體共分為預(yù)熱段、加熱一段、加熱二段和均熱段4個(gè)區(qū)域。因爐體較窄，料坯僅由兩根靜梁和兩根動(dòng)梁支撐，升降框架由3組升降滾輪支撐[2]。靜梁進(jìn)入均熱段后間距加寬，以減少或消除鋼坯在加熱過(guò)程中的“黑印”。

1.1 加熱爐裝鋼方式

鋼坯進(jìn)入加熱爐需要分兩步完成，即爐外測(cè)長(zhǎng)和爐內(nèi)定位，控制過(guò)程為：料坯在爐外輥道行進(jìn)過(guò)程中利用光電開關(guān)及安裝于輥道電機(jī)軸頭的編碼器來(lái)計(jì)算料坯的長(zhǎng)度，待頭部進(jìn)入爐內(nèi)后經(jīng)爐內(nèi)輥道編碼器根據(jù)料坯的行進(jìn)距離完成爐內(nèi)對(duì)中定位，即實(shí)現(xiàn)爐體中心線與料坯中線對(duì)齊。編碼器測(cè)長(zhǎng)、定位方式要求料坯有足夠長(zhǎng)的行進(jìn)距離，使得編碼器測(cè)算區(qū)間位于鋼坯的勻速前進(jìn)階段，確保鋼坯速度和輥道線速度一致，避開鋼坯加速時(shí)與輥道發(fā)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)階段。

1.2 存在的問(wèn)題

由于受場(chǎng)地限制，步進(jìn)式加熱爐內(nèi)僅有兩根靜梁，加熱爐變軌處示意圖如圖1所示。圖1中，LAD為料坯長(zhǎng)度，LBC為靜梁變軌后的寬度，LAB和LCD為料坯端部超出靜梁的距離。以不銹線材廠步進(jìn)式加熱爐實(shí)際應(yīng)用情況為例，均熱段變軌處距離LBC=2.75 m，而原料最短長(zhǎng)度LAD=3.15 m，此時(shí)料坯端部至靜梁的平均距離為L(zhǎng)AB+LCD2=0.2 m，這就要求料坯對(duì)中定位精度應(yīng)控制在0.2 m以內(nèi)。從爐尾到爐口共計(jì)100步，如果每步橫向偏差2 mm，那么至變軌處必然會(huì)發(fā)生掉道事故。此外，動(dòng)梁框架由于受空間限制沒有采用全部的雙排滾輪支撐，而是前后端部?jī)山M為雙排滾輪，中間一組為單滾輪，一旦出現(xiàn)大批量物料裝偏的情況，必然導(dǎo)致平移框架扭轉(zhuǎn)變形，進(jìn)而在行進(jìn)中加劇鋼坯向裝偏側(cè)繼續(xù)偏移。因此，爐體對(duì)入爐定位精度要求很高。

此外，爐外輥道長(zhǎng)度僅有3.4 m，其中供鋼坯行進(jìn)的距離不到0.5 m，完全處于鋼坯加速階段，且不同鋼種的表面粗糙、摩擦因數(shù)不同，料坯與輥道的相對(duì)運(yùn)動(dòng)程度不盡相同，造成爐外料坯測(cè)量長(zhǎng)度誤差最大可達(dá)3 m，直接影響料坯在爐內(nèi)對(duì)中定位，調(diào)試中最大對(duì)中定位誤差達(dá)到了0.5 m，甚至直接碰到防撞裝置才停止。若以現(xiàn)有的對(duì)中控制方式裝鋼，必然會(huì)發(fā)生橫向跑偏損壞側(cè)爐墻、料坯掉道，造成被迫停爐取鋼的嚴(yán)重生產(chǎn)事故。提高步進(jìn)式加熱爐裝料對(duì)中定位精準(zhǔn)性，消除因?qū)χ衅畲笤斐傻匿撆鞯舻朗鹿剩_保加熱爐體安全、穩(wěn)定運(yùn)行尤為重要。因此，需要對(duì)鋼坯入爐定位方式進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 步進(jìn)式加熱爐變軌處示意圖

2 步進(jìn)式加熱爐入爐動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為消除鋼坯掉道隱患需要從兩個(gè)方面著手：一方面是為單滾輪配置輔助平衡裝置，以減少框架扭轉(zhuǎn)變形導(dǎo)致的鋼坯跑偏；另一方面是提高裝鋼精度，即解決爐外測(cè)長(zhǎng)和爐內(nèi)對(duì)中兩個(gè)問(wèn)題。為克服編碼器控制帶來(lái)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、摩擦因數(shù)不同等弊端，決定采用激光測(cè)距儀進(jìn)行非接觸式測(cè)量，將距離測(cè)量值采集至PLC控制系統(tǒng)，通過(guò)編寫一系列計(jì)算、糾偏程序，實(shí)現(xiàn)料坯的精準(zhǔn)定位。

2.1 動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)組成

動(dòng)態(tài)定位控制系統(tǒng)主要由S7-400PLC、激光測(cè)距儀和測(cè)距儀支架三部分組成。S7-400為加熱爐順序控制PLC，激光測(cè)距儀采用DELTA公司的FT1500，有較強(qiáng)的抗干擾能力，在惡劣環(huán)境下仍能保持遠(yuǎn)距離的測(cè)量精度和可靠性，實(shí)時(shí)性強(qiáng)、速度快、重復(fù)頻率高，可完成實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)距離監(jiān)測(cè)。由于預(yù)熱段沒有燒嘴，且爐體采用上排煙方式，使得裝料端溫度在300 ℃～500 ℃，工作環(huán)境熱輻射低，粉塵相對(duì)較少，不需要在爐體孔洞處加裝鏡片等額外設(shè)施，在傳播過(guò)程中的能量損失可以忽略不計(jì)，精度滿足要求。激光測(cè)距儀輸出信號(hào)為模擬量4 mA～20 mA電流，與測(cè)量值呈線性比例關(guān)系，采集至PLC模擬通道方便處理、維護(hù)。

2.2 測(cè)長(zhǎng)及定位原理

激光測(cè)距儀長(zhǎng)度測(cè)量示意圖如圖2所示。在加熱爐爐體裝料側(cè)南北兩端各安裝一臺(tái)激光測(cè)距儀，北激光測(cè)距儀位于裝料爐外輥道北端，南激光測(cè)距儀位于爐體南墻，爐體南墻開孔，使激光穿過(guò)爐體照射到爐內(nèi)軌道的上部。當(dāng)推鋼機(jī)將料坯推至裝料爐外輥道上時(shí)，點(diǎn)擊測(cè)長(zhǎng)按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)打開裝料爐門，使料坯的兩端剛好能被南北兩個(gè)激光測(cè)距儀照射到，則料坯的實(shí)際長(zhǎng)度LFG=LEH-LEF-LGH。通過(guò)這一方式可準(zhǔn)確計(jì)算出料坯的實(shí)際長(zhǎng)度，誤差確保在10 mm以內(nèi)。

完成測(cè)長(zhǎng)工序后爐外輥道啟動(dòng)，料坯開始自北向南入爐。圖3為激光測(cè)距儀爐內(nèi)定中示意圖，NO為對(duì)中完成的料坯，N′O′為入爐過(guò)程中的料坯。理論對(duì)中位置為料坯中心線與爐體中心線重合，此時(shí)南激光測(cè)距儀的測(cè)量值LMN=LMQ-LNO2。在裝爐過(guò)程中，南激光測(cè)距儀的測(cè)量值LMN′隨著料坯N′O′的行進(jìn)動(dòng)態(tài)變化，當(dāng)LMN′=LMN時(shí)，表示鋼坯已行進(jìn)到位，爐內(nèi)輥道停止運(yùn)轉(zhuǎn)。為避免輥道突然停止，料坯慣性前滑超出對(duì)中位置，在入爐過(guò)程中采取兩次降速，對(duì)中偏差值ΔL=LMN′-LMN，當(dāng)ΔL=LMQ時(shí)，即料坯頭部到達(dá)爐體中心線時(shí)，將爐內(nèi)輥道速度設(shè)定值調(diào)整為v02(v0為爐內(nèi)輥道初始速度)；當(dāng)ΔL=800 mm時(shí)(800 mm約為最短料坯長(zhǎng)度的14)，將爐內(nèi)輥道速度設(shè)定值調(diào)整為v04，開始第二次降速；當(dāng)ΔL=200 mm時(shí)(200 mm為使用不同鋼種試驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)值)，停止?fàn)t內(nèi)輥道。料坯利用輥道降速斜坡時(shí)間和慣性前滑，最終實(shí)現(xiàn)料坯中心線與爐體中心線基本重合，控制精度保持在|ΔL|<15 mm，從而確保物料均勻地放置在兩根靜梁之上，滿足了加熱爐裝鋼對(duì)中定位控制的精度要求。

圖2 激光測(cè)距儀長(zhǎng)度測(cè)量示意圖

圖3 激光測(cè)距儀爐內(nèi)定中示意圖

2.3 控制糾偏

2.3.1 北激光校驗(yàn)功能

步進(jìn)梁入爐對(duì)中階段，僅依靠南激光完成料坯行進(jìn)距離的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤，一旦南激光測(cè)量出現(xiàn)偏差，將導(dǎo)致對(duì)中失敗。為此，將北激光投入控制，作為入爐對(duì)中的校驗(yàn)。只有當(dāng)南激光檢測(cè)料坯已在爐體中心，同時(shí)北激光檢測(cè)距離顯示鋼坯尾部確已完全入爐，才可認(rèn)為料坯完成對(duì)中，避免對(duì)中失敗裝料爐門下落造成的生產(chǎn)事故發(fā)生。

2.3.2 測(cè)長(zhǎng)修正功能

當(dāng)測(cè)量長(zhǎng)度異常時(shí)，可通過(guò)上位機(jī)畫面對(duì)長(zhǎng)度進(jìn)行修正。當(dāng)兩個(gè)激光測(cè)距儀其中有一個(gè)損壞時(shí)，為保證生產(chǎn)正常進(jìn)行，僅投入南激光測(cè)距儀，人工手動(dòng)錄入長(zhǎng)度，利用南激光完成入爐對(duì)中定位，可作為故障狀態(tài)下的應(yīng)急操作。

2.3.3 對(duì)中偏差修正

入爐定位通過(guò)對(duì)中偏差值ΔL調(diào)整爐內(nèi)輥道速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)ΔL=200 mm時(shí)，停止?fàn)t內(nèi)輥道。200 mm為使用不同鋼種試驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)值，為適應(yīng)多鋼種爐況，增加了修偏系數(shù)K，可以根據(jù)料坯表面平整情況和材質(zhì)，適當(dāng)調(diào)整系數(shù)K改變爐內(nèi)輥道停止時(shí)間，滿足對(duì)中定位精度要求。

3 入爐動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)的應(yīng)用效果

入爐動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)采用非接觸方式，克服了有限空間內(nèi)編碼器測(cè)長(zhǎng)及對(duì)中偏差較大的難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了鋼坯爐內(nèi)定位誤差<15 mm，完全滿足裝料過(guò)程中精準(zhǔn)定位的要求。系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來(lái)，未發(fā)生一起鋼坯橫向跑偏損壞側(cè)墻、鋼坯掉道的生產(chǎn)事故，確保了爐體的正常運(yùn)行，也可為同類型的設(shè)備應(yīng)用提供一定參考。