吳勇慧 李 勇 壽葉紅 姜振強(qiáng) 董尉民(安陽鋼鐵股份有限公司)

提高小方坯定重切割精度的生產(chǎn)實(shí)踐*

吳勇慧 李 勇 壽葉紅 姜振強(qiáng) 董尉民(安陽鋼鐵股份有限公司)

介紹了安鋼第二煉鋼廠對小方坯連鑄機(jī)定重切割系統(tǒng)的研究與改進(jìn)，通過優(yōu)化定重切割設(shè)備，軟件升級，閉環(huán)控制，開發(fā)定重切割數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，提高了小方坯定重切割精度，推動(dòng)了煉鋼軋鋼系統(tǒng)整體效益的提高。

小方坯 定重切割 精度

0 前言

連鑄坯切割是連鑄機(jī)生產(chǎn)的最后一道工藝流程，傳統(tǒng)的小方坯切割工藝一般采用火焰切割的方式將鑄坯切割成軋鋼工序軋材所需求的定尺長度［1］。鑄坯按照定尺狀態(tài)交付于軋鋼生產(chǎn)，由于鑄坯在實(shí)際生產(chǎn)過程中，受結(jié)晶器斷面、鋼種、拉速、澆注溫度、冷卻等因素的影響，存在鑄坯定尺相同而重量不同的現(xiàn)象，無法滿足軋鋼工序按重量精確軋制的生產(chǎn)需求。為此，安鋼第二煉鋼廠于2006年成功開發(fā)應(yīng)用了非接觸式連鑄坯定重切割系統(tǒng)，解決了軋鋼工序按重量生產(chǎn)與連鑄工序按定尺生產(chǎn)的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的矛盾，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的小方坯定尺切割到定重切割的變革，并使單支鑄坯交貨重量精度控制在±2 kg以內(nèi)，不僅使連鑄機(jī)切割系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量得到了本質(zhì)性的改善，而且促進(jìn)了軋鋼工序軋制成材率和軋制定尺率的提高，減少了非定尺材。在鋼鐵市場嚴(yán)峻的形勢下，為持續(xù)提升連鑄坯定重技術(shù)的創(chuàng)效能力，促進(jìn)連鑄生產(chǎn)精細(xì)化、精益化水平的提升，在穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將小方坯在線定重切割精度要求設(shè)定為±1.5 kg范圍內(nèi)。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，小方坯±1.5 kg的定重切割精度的合格率偏低，只有52.9%左右。針對這一問題，安鋼第二煉鋼廠通過系統(tǒng)分析小方坯定重切割精度的影響因素，制定并有效實(shí)施改進(jìn)措施，進(jìn)一步提高了小方坯定重切割精度，為精確軋鋼控制創(chuàng)造了條件，促進(jìn)了煉鋼軋鋼一體化生產(chǎn)整體效益的顯著提升。

1 小方坯定重切割系統(tǒng)概況

1.1 小方坯非接觸式鑄坯定重切割系統(tǒng)原理

在連鑄生產(chǎn)過程中，小方坯進(jìn)行切割時(shí)，由在線紅外攝像機(jī)遠(yuǎn)距離采集運(yùn)動(dòng)小方坯的熱圖像信息，采用先進(jìn)的非接觸式圖像處理技術(shù)在線識別熱坯定尺長度，同時(shí)利用稱重裝置對所獲鋼坯重量進(jìn)行閉環(huán)反饋，利用計(jì)算機(jī)對圖像信息、重量信息進(jìn)行模式識別程序處理，由工控機(jī)發(fā)出切割控制信號，F(xiàn)G－2型方坯自動(dòng)火焰切割系統(tǒng)將小方坯切割成目標(biāo)定重?fù)Q算出的定尺長度，然后對小方坯進(jìn)行在線稱重并與目標(biāo)重量進(jìn)行比較，依據(jù)實(shí)際計(jì)算的鑄坯比重自動(dòng)進(jìn)行定尺長度調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)小方坯在線定重切割。

1.2 系統(tǒng)組成

非接觸式鑄坯定重切割系統(tǒng)主要由圖像采集系統(tǒng)、圖像分析系統(tǒng)、稱重系統(tǒng)、切割控制系統(tǒng)等組成［2］。其中圖像采集系統(tǒng)采用焦距為 3 mm～8 mm，視角為30°的可變焦距高精度紅外攝像機(jī);圖像分析系統(tǒng)包括CPE3000數(shù)字圖像采集卡、工業(yè)控制機(jī)、工控專用抗干擾鍵盤、圖像模式自動(dòng)識別模塊等;稱重系統(tǒng)主要有吊框、傳感器、提升液壓缸和稱重儀表組成，稱重設(shè)備采用吊框式提升稱重法，投資小，安裝方式簡單;切割控制系統(tǒng)包括I/0輸出卡、PLC和切割裝置。另外，稱重控制儀表系統(tǒng)采用METTLER TOLEDO生產(chǎn)的XK3123PANTHER稱重顯示控制器，可接駁6個(gè)350 Ω的模擬傳感器，最大顯示分度數(shù)10000 d，具有動(dòng)態(tài)檢測、毛重或凈重零指示、TraxDSPTM防震動(dòng)數(shù)字濾波技術(shù)，稱重理論精度可達(dá)±1.0 kg。非接觸式鑄坯定重切割系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 非接觸式鑄坯定重切割系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 定重切割精度的影響因素分析

2.1 小方坯火焰切割設(shè)備老化，切割精度差

穩(wěn)定、可靠的鑄坯在線切割技術(shù)是實(shí)現(xiàn)鑄坯精確定重生產(chǎn)的基礎(chǔ)。由于原FG－2型方坯自動(dòng)火焰切割系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)缺陷，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，備件加工誤差累加，操作維護(hù)困難，鑄坯切割故障率高，切割誤差大，無法滿足高拉速、快節(jié)奏、低成本生產(chǎn)條件下小方坯連鑄機(jī)定重切割精度的要求。并且FG－2型方坯自動(dòng)火焰機(jī)切割的鑄坯斷面不平整，不利于軋制工序軋機(jī)的咬入，導(dǎo)致軋制過程中切頭、切尾廢品高。其中定尺誤差最大達(dá)到40 mm左右，定重誤差達(dá)到4 kg，割縫在9 mm以上，不僅降低了軋制成材率，增加了非定尺材，而且增加了生產(chǎn)成本。

2.2 紅外攝像機(jī)故障率高

1)由于生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)置的紅外攝像機(jī)的位置臨近于備品備件存放區(qū)域，天車起吊物品時(shí)，不小心容易碰撞紅外攝像機(jī)，從而導(dǎo)致紅外攝像機(jī)移位，使原來設(shè)定好的鑄坯切割區(qū)域標(biāo)尺標(biāo)定失效，鑄坯無法按照定尺定重切割生產(chǎn)。

2)生產(chǎn)現(xiàn)場工作環(huán)境溫度高、水蒸汽大、外來光線強(qiáng)烈等干擾因素對紅外攝像機(jī)的正常工作產(chǎn)生一定的影響，導(dǎo)致紅外攝像機(jī)采集的熱坯圖像失真，切割系統(tǒng)工控機(jī)對切割圖像運(yùn)算錯(cuò)誤，致使鑄坯無法進(jìn)行正常的定重切割。

2.3 鑄坯稱重裝置故障率高

1)由于小方坯稱重裝置的工作環(huán)境惡劣，存在高溫(600℃～800℃)輻射和水蒸汽干擾，這些外部因素對稱重傳感器及提升裝置的熱傳導(dǎo)和干擾等不利影響，導(dǎo)致稱重傳感器易損壞，同時(shí)受環(huán)境溫度影響易導(dǎo)致稱重信號失真，致使小方坯稱重精度無法保證。

2)在生產(chǎn)過程中，小方坯彎曲、扭轉(zhuǎn)等問題導(dǎo)致稱重后鑄坯回落時(shí)容易卡在切割導(dǎo)槽上，由于稱重吊框連接部件選擇的是剛性連接部件，連接部件很容易被撞壞或變形，造成稱重受力不均或傳感器損壞，從而影響到稱重的控制精度。

3)稱重吊框裝置原電動(dòng)提升機(jī)構(gòu)故障率較高，經(jīng)?？ㄋ啦荒芊Q重。另外電動(dòng)提升機(jī)構(gòu)前后稱重吊框提升不同步，稱重吊框的動(dòng)態(tài)升降對稱重傳感器和稱重?cái)?shù)據(jù)穩(wěn)定性帶來一定的影響，同時(shí)也影響到稱重的控制精度。

2.4 缺乏定重稱重系統(tǒng)在線快速校驗(yàn)技術(shù)

安鋼第二煉鋼廠小方坯連鑄機(jī)生產(chǎn)作業(yè)率較高，達(dá)到95.4%以上，生產(chǎn)停機(jī)時(shí)間較少，而定重設(shè)備的砝碼重量為658 kg，對稱重設(shè)備的標(biāo)定必須在停機(jī)1小時(shí)以上并且需要協(xié)調(diào)行車才能進(jìn)行，由于缺乏定重稱重系統(tǒng)在線快速校驗(yàn)技術(shù)，導(dǎo)致定重設(shè)備長時(shí)間不能進(jìn)行及時(shí)的標(biāo)定校驗(yàn)，從而影響鑄坯稱重精度控制。

2.5 小方坯定重切割系統(tǒng)管理功能不完善

小方坯定重切割系統(tǒng)的稱重控制沒有實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)控制的“連鑄坯定尺定重切割、自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)共享、動(dòng)態(tài)管理”四位一體閉環(huán)生產(chǎn)管理，即沒有實(shí)現(xiàn)利用網(wǎng)絡(luò)資源與連鑄機(jī)本體的其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享，沒有實(shí)現(xiàn)過程閉環(huán)控制，生產(chǎn)過程參數(shù)不能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁實(shí)時(shí)發(fā)布，無法為科學(xué)化、精細(xì)化的生產(chǎn)管理提供支撐［3］。

3 改進(jìn)措施

3.1 優(yōu)化升級小方坯火焰切割設(shè)備

針對原FG－2型方坯自動(dòng)火焰切割系統(tǒng)存在的設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鑄坯切割故障率高，切割誤差大等問題，通過對國內(nèi)各種類型的方坯連鑄機(jī)切割系統(tǒng)的對比分析，并結(jié)合自身小方坯連鑄機(jī)實(shí)際情況，對切割系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化升級，即采用無動(dòng)力型的FG－3型方坯自動(dòng)火焰切割設(shè)備，同時(shí)對其進(jìn)行優(yōu)化改造。該系統(tǒng)具有獨(dú)特的鑄坯邊緣探測方式，可有效應(yīng)對鑄坯跑偏;可靠的全水冷卻型切割小車安裝方式，實(shí)現(xiàn)了無動(dòng)力返回，作業(yè)率高，壽命長;設(shè)備結(jié)構(gòu)簡化，操作維護(hù)簡便，切割斷面平整，切割精度提高，其中切割精度由原來FG－2型方坯自動(dòng)火焰切割系統(tǒng)的40 mm提高至10 mm，切縫由9 mm降低到6 mm以下，并使定重控制精度達(dá)到±1.5 kg以內(nèi)，不僅滿足了連鑄的高效化生產(chǎn)需求，而且促進(jìn)了軋制成材率的提高。

3.2 優(yōu)化紅外定重切割系統(tǒng)

1)引入切割數(shù)字圖像邊緣檢測技術(shù)。切割數(shù)字圖像邊緣提取方法是考察圖像的每個(gè)像素在某個(gè)領(lǐng)域內(nèi)灰度的變化，利用邊緣鄰近一階或二階方向?qū)?shù)變化規(guī)律來檢測邊緣。紅外攝像機(jī)提取的連鑄坯切割圖像以BMP位圖文件格式保存，BMP文件由文件頭、位圖信息頭、顏色信息和圖形數(shù)據(jù)四部分組成，通過VC編程來實(shí)現(xiàn)連鑄坯位置實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)鑄坯的精準(zhǔn)切割。定重切割系統(tǒng)邊緣檢測程序如圖2所示。

圖2 定重切割系統(tǒng)邊緣檢測程序判斷結(jié)構(gòu)圖

2)應(yīng)用多線程編程技術(shù)。運(yùn)用前向輪廓跟蹤算法，定重切割系統(tǒng)可以準(zhǔn)確跟蹤到小方坯的頭部邊緣，并引入多線程并行處理技術(shù)，大大節(jié)省了程序的運(yùn)行時(shí)間。為解決資源占有的沖突，利用同步信號來協(xié)調(diào)各線程之間的關(guān)系，確保了現(xiàn)場儀表與監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間準(zhǔn)確快速的數(shù)據(jù)通信，保證了整個(gè)系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行，也有利于遠(yuǎn)程檢測和故障診斷。經(jīng)過運(yùn)行表明，這種基于機(jī)器視覺邊緣理論的圖像識別技術(shù)和多線程并行處理技術(shù)的小方坯定尺切割系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，程序運(yùn)行穩(wěn)定可靠，測量精度高達(dá)±3 mm，比起原來的±5 mm的定尺控制精度又提高了2 mm，滿足了定重控制實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和高精度的生產(chǎn)需要。

3)對紅外攝像機(jī)加裝防撞防護(hù)欄，增加了對正恢復(fù)基準(zhǔn)，確保攝像機(jī)一旦移位后可快速恢復(fù)，也用于日常檢查標(biāo)尺位置。

3.3 對定重切割稱重?cái)?shù)據(jù)閉環(huán)反饋處理

在進(jìn)行小方坯定重切割時(shí)，首先根據(jù)軋鋼工序依據(jù)軋材計(jì)算出的理論重量換算出長度進(jìn)行第一根小方坯的定尺切割，然后將已知長度的第一根小方坯進(jìn)行在線稱重以得到實(shí)際重量，按得到的第一根鋼坯實(shí)際重量得出k值(由于小方坯在短時(shí)間內(nèi)工藝參數(shù)波動(dòng)相對較小，所以緊鄰切割的兩支鋼坯密度ρ0、ρ1和截面S0、S1可以假定是不變的常數(shù)，即k=ρ0×S0=ρ1×S1)進(jìn)行待切割的第二根預(yù)定重量小方坯的長度修正。由小方坯在線稱重來控制小方坯切割長度的過程是一個(gè)閉環(huán)反饋的控制過程，在這個(gè)控制過程中，定尺系統(tǒng)通過紅外攝像機(jī)遠(yuǎn)距離采集運(yùn)動(dòng)鋼坯的圖像信息，采用圖像處理技術(shù)，在線識別熱鋼坯的長度，同時(shí)利用稱重裝置對所獲鋼坯重量進(jìn)行閉環(huán)反饋，利用計(jì)算機(jī)對圖像、重量信息進(jìn)行模式識別程序處理，實(shí)現(xiàn)提高小方坯定重切割精度的目的。

3.4 優(yōu)化稱重設(shè)備

1)針對鑄坯稱重設(shè)備存在的現(xiàn)場工作環(huán)境惡劣、高溫輻射等問題，對稱重系統(tǒng)信號線選用耐高溫的信號電纜，同時(shí)外部加裝耐高溫保護(hù)套件，傳感器下部增加隔熱板，不僅防止了高溫及灼燒，而且對其他高頻信號的干擾也起到一定的屏蔽作用。

2)改進(jìn)稱重吊框與稱重傳感器連接件的結(jié)構(gòu)，通過把稱重設(shè)備傳感器與吊框的連接件由剛性連接結(jié)構(gòu)改為鏈?zhǔn)杰涍B接結(jié)構(gòu)，這樣在出現(xiàn)小方坯頂撞稱重吊框、小方坯卡導(dǎo)槽等故障時(shí)杜絕了稱重傳感器的損壞［4］。

3)稱重吊框的提升機(jī)構(gòu)由電動(dòng)提升機(jī)構(gòu)改為液壓缸提升裝置。改造后，提升同步問題得到了解決，并且稱重時(shí)間縮短，稱重故障率大幅降低。

4)對稱重系統(tǒng)提升控制和輥道的控制進(jìn)行技術(shù)改造，采用PLC控制，提高了稱重效率，減少人為誤操作。

3.5 開發(fā)鑄坯定重稱重系統(tǒng)在線校驗(yàn)技術(shù)

為了保證鑄坯定重切割系統(tǒng)的控制精度，除保留原來658 kg標(biāo)準(zhǔn)的校驗(yàn)砝碼外，還設(shè)計(jì)制作了207 kg(標(biāo)準(zhǔn)重量為206.96 kg誤差為0.20‰)的組合式在線稱重校驗(yàn)小砝碼，隨時(shí)可以人工對鑄坯稱重設(shè)備進(jìn)行在線校驗(yàn)，確保了稱重儀表設(shè)備精度滿足生產(chǎn)需求，促進(jìn)了鑄坯定重控制精度的提高。

3.6 完善稱重控制系統(tǒng)管理功能

1)通過完善稱重控制系統(tǒng)管理功能，使鑄坯稱重操作實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)界面控制?？筛鶕?jù)生產(chǎn)需要隨時(shí)選擇更改切割參數(shù)，根據(jù)拉速、鋼種等參數(shù)，適當(dāng)選擇切割參數(shù)，進(jìn)行預(yù)夾緊信號的選擇、班次及操作人員的選擇、閉環(huán)開環(huán)的選擇等，達(dá)到更好的切割效果;紅外攝像機(jī)參數(shù)調(diào)整窗口，可以根據(jù)現(xiàn)場工作環(huán)境的變化隨時(shí)作出攝像機(jī)參數(shù)調(diào)整。

2)開發(fā)定重切割數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。定重切割系統(tǒng)可存儲常用的定尺定重?cái)?shù)據(jù)，在稱重過程中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫管理功能，定重切割數(shù)據(jù)保存在固定的文件下，通過點(diǎn)擊查詢按鈕查詢某個(gè)時(shí)間段或某個(gè)班次的稱重?cái)?shù)據(jù)。安鋼二煉原定重切割系統(tǒng)數(shù)據(jù)在Access數(shù)據(jù)庫中保存，不利于實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，故對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了改進(jìn)，用SQL Server作為后臺數(shù)據(jù)庫，采用C++作為前臺程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行采集，SQL Server通過ADBO連接方式與 SQL Server聯(lián)系，將定重切割數(shù)據(jù)直接保存在SQL Server數(shù)據(jù)庫中。使用Dreamweaver軟件制作局域網(wǎng)網(wǎng)頁，網(wǎng)頁可以分日期、班次對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用查詢，可以將稱重時(shí)間、班次、爐號、切割長度、目標(biāo)斷面、目標(biāo)理論重量、目標(biāo)實(shí)際重量及微調(diào)等信息準(zhǔn)確無誤顯示在網(wǎng)頁上，可通過網(wǎng)頁對定重切割系統(tǒng)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，方便生產(chǎn)管理。利用局域網(wǎng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了與連鑄機(jī)整體系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享，可以通過網(wǎng)頁的瀏覽，隨時(shí)查看切割系統(tǒng)的工作狀態(tài)，鑄機(jī)的工藝參數(shù)控制等信息，達(dá)到最好的定重切割精度控制。

4 效果

小方坯定重切割系統(tǒng)優(yōu)化后，鑄坯在線切割精度及合格率得到大幅度提升，滿足了精益化生產(chǎn)需要。2011年5～9月份的鑄坯在線稱重統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 2011年5～9月份的鑄坯在線稱重統(tǒng)計(jì)

與系統(tǒng)優(yōu)化前相比，小方坯定重切割精度達(dá)到±1.5 kg 的合格比率由52.90%提高到 91.46%，據(jù)此計(jì)算，軋鋼工序年亂尺材重量減少7120 t，成材率由98.3%提高到98.7%，直接經(jīng)濟(jì)效益顯著。指標(biāo)對比見表2。

表2 系統(tǒng)優(yōu)化前后指標(biāo)對比

5 結(jié)束語

小方坯由傳統(tǒng)的定尺切割到定重切割的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)了煉軋生產(chǎn)工藝水平的提升。安鋼第二煉鋼廠通過自主研發(fā)、推廣應(yīng)用鑄坯定重切割系統(tǒng)，并在生產(chǎn)過程中進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)，持續(xù)提升鑄坯定重技術(shù)的創(chuàng)效能力，使小方坯定重切割精度達(dá)到±1.5 kg的合格比率顯著提高，促進(jìn)了煉鋼—軋鋼一體化整體效益的顯著提升，尤其是圖像邊緣識別技術(shù)和多線程編程技術(shù)在定尺定重系統(tǒng)中的應(yīng)用，為鑄坯定重切割系統(tǒng)帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了定重實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，為小方坯高效化控制和精益化生產(chǎn)提供了依據(jù)，促進(jìn)了生產(chǎn)管理水平的提升。

［1］安輝耀，沈德耀.基于圖像處理的鋼坯定尺定重智能切割系統(tǒng).中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，33(6):643 －647.

［2］陳樹林，樊安國，柴學(xué)旺，等.定尺定重系統(tǒng)在小方坯連鑄機(jī)上的應(yīng)用.連鑄，2007(4):34 －35.

［3］王博，彌春霞，胡猛.連鑄機(jī)鋼坯自動(dòng)切割控制系統(tǒng)的改造與應(yīng)用.自動(dòng)化博覽，2010(7):84－85.

［4］江楠，李克，康鳳梅，等.定重切割技術(shù)在鋼坯定重系統(tǒng)中的應(yīng)用.山東冶金，2009(2):34－35.

MEASUREMENTS ON IMPROVING WEIGHT－CUTTING ACCURACY FOR SMALL BILLET

Wu Yonghui Li Yong Shou Yehong Jiang Zhenqiang Dong Weimin
(Anyang Iron and Steel Stock Co.，Ltd)

It introduces the research and improvement of weight－cutting system for small billet conticaster in Angang No.2 steelmaking factory.It has enhanced cutting accuracy and promoted overall efficiency of steelmaking and rolling system through optimizing weight－cutting equipments，upgrading software and developing cutting data management system.

small billetweight－cutting accuracy

*聯(lián)系人:李勇，副廠長，高級工程師，河南.安陽(455004)，安陽鋼鐵股份有限公司第二煉鋼廠;

2012—2—10