在線機(jī)械性能檢測(cè)系統(tǒng)在冷軋帶鋼生產(chǎn)中的應(yīng)用

徐衛(wèi)國，鄧冬梅

(山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司，山東 日照 276800)

0 引言

在當(dāng)今的冷軋帶鋼市場(chǎng)中，保證成品帶鋼的特定機(jī)械性能是提高競(jìng)爭(zhēng)力的前提。傳統(tǒng)的冷軋帶鋼加工線進(jìn)行的破壞性材料測(cè)試方法，需要時(shí)間延遲和間歇性的試驗(yàn)室測(cè)試。這些測(cè)試不提供關(guān)于產(chǎn)品質(zhì)量工藝參數(shù)的連續(xù)性及在線檢測(cè)數(shù)據(jù)。

在線機(jī)械性能檢測(cè)系統(tǒng)克服了這些限制。它在整個(gè)帶材長度上，提供拉伸強(qiáng)度和屈服點(diǎn)的連續(xù)和可靠值的測(cè)量[1]。只有通過該系統(tǒng)，用戶才能直接在生產(chǎn)過程中進(jìn)行改變或者優(yōu)化后續(xù)的處理步驟。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 工作原理

在線機(jī)械性能檢測(cè)系統(tǒng)是一種基于電磁感應(yīng)原理的測(cè)量系統(tǒng)，用于對(duì)鐵磁性鋼帶的機(jī)械特性進(jìn)行自動(dòng)、無損檢測(cè)[2]。基于對(duì)帶鋼的周期性磁化，以及在帶鋼兩側(cè)剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度，分析得出測(cè)量結(jié)果。通過使用該系統(tǒng)，對(duì)鋼卷的機(jī)械性能質(zhì)量進(jìn)行了完全的記錄。

每個(gè)傳感器構(gòu)成一個(gè)磁化線圈。為了冷卻，線圈浸沒在變壓器油中，所產(chǎn)生的熱量經(jīng)由冷卻單元散發(fā)到大氣中。

發(fā)電機(jī)通過發(fā)射線圈將帶鋼磁化。在每個(gè)傳感器中都有一個(gè)接收線圈，用于檢測(cè)剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度[3]。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

兩個(gè)磁體周期性地在移動(dòng)的鋼片上產(chǎn)生磁場(chǎng)，在兩個(gè)接收線圈之間移動(dòng)的局部磁化帶將產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)。該信號(hào)與帶鋼表面的剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。處理單元用于計(jì)算帶鋼每個(gè)表面的剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度的梯度，并通過對(duì)兩個(gè)信號(hào)的平均值進(jìn)行求和，得到對(duì)帶鋼振蕩的補(bǔ)償。

系統(tǒng)由三個(gè)單元組成:傳感器、數(shù)據(jù)處理單元(data processing unit,DPU)以及服務(wù)器。

1.2 傳感器

為了自動(dòng)、無損、在線測(cè)試鋼卷的機(jī)械特性，帶鋼機(jī)械性能測(cè)量系統(tǒng)主要檢測(cè)帶鋼(厚度為0.15～3 mm)的抗拉強(qiáng)度、屈服點(diǎn)。它由一組對(duì)鋼板磁化的激磁線圈、一組測(cè)量線圈組成。根據(jù)F?rster傳感器原理測(cè)量剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度的梯度變化，并通過線性回歸模型計(jì)算帶鋼的機(jī)械性能[4]。為了使帶鋼進(jìn)行充分磁化，要求在帶鋼的兩面都安裝傳感器。該測(cè)量方法可在帶鋼運(yùn)行速度為6～900 m/min的條件下進(jìn)行測(cè)量，剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度的梯度變化測(cè)量的檢測(cè)誤差最大為5%。附加誤差是帶鋼測(cè)頭在感應(yīng)范圍內(nèi)的抖動(dòng)所引起的，帶鋼在±5 mm內(nèi)抖動(dòng)而產(chǎn)生的最大誤差為2%。

測(cè)量剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度的梯度變化誤差，只會(huì)部分影響線性回歸模型計(jì)算機(jī)械性能的準(zhǔn)確性。

這種傳感器的緊湊設(shè)計(jì)可以方便、快捷地集成到現(xiàn)有的生產(chǎn)線中，它使傳感頭鎖定在維護(hù)位置和測(cè)量位置。其他非磁性零件的最小距離(500 mm)由剛性墊片保持。根據(jù)帶鋼(水平或垂直)傳輸通道的不同，機(jī)械力度也不同。

1.3 數(shù)據(jù)處理單元

數(shù)據(jù)處理單元的主要功能是給激磁線圈供電、采集并處理。它由振蕩器、數(shù)據(jù)采集單元、標(biāo)定裝置和可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)組成。

振蕩器為激磁線圈提供一個(gè)激磁電流，它產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)最大頻率為7.5 Hz。數(shù)據(jù)采集單元同步采集已被磁化帶鋼的磁場(chǎng)梯度測(cè)量值。這些信號(hào)被傳輸?shù)椒?wù)器中處理后，顯示為機(jī)械性能參數(shù)[5]。標(biāo)定裝置用來標(biāo)定探測(cè)頭和數(shù)據(jù)采集裝置，可在傳感器頭中間位置安裝一個(gè)額外的標(biāo)定測(cè)頭，用一個(gè)可控的脈沖以模擬帶鋼磁場(chǎng)進(jìn)行標(biāo)定。PLC單元可以對(duì)帶鋼速度、長度和磁化等數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采樣。PLC單元還采集其他輔助的外部信號(hào)(如壓下量、延展率和焊接信號(hào))。

1.4 服務(wù)器

服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的控制和分析單元。通過服務(wù)器，可實(shí)現(xiàn)往返于主從網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換。其主要通過雙向Profibus-DP或以太網(wǎng)接口(TCP/IP協(xié)議)來實(shí)現(xiàn)[6]。

以下數(shù)據(jù)為強(qiáng)制性給定:帶鋼名稱、鋼種級(jí)別、帶鋼厚度、延展率、帶鋼寬度。

2 軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)功能通過軟件實(shí)現(xiàn)，基于LabVIEW軟件的幾個(gè)應(yīng)用程序軟件包可用于該系統(tǒng)，計(jì)算并顯示機(jī)械性能的抗拉強(qiáng)度和屈服點(diǎn)。

軟件提供以下功能。

①在線顯示鋼級(jí)強(qiáng)度的拉伸強(qiáng)度和線圈長度的屈服點(diǎn)。

根據(jù)鋼級(jí)的具體模型，對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行在線計(jì)算并顯示力學(xué)性能、抗拉強(qiáng)度和屈服點(diǎn)。

②可獲得的重要鋼材等級(jí)的預(yù)定義回歸模型。

基于各種裝置的已有數(shù)據(jù)，建立了回歸模型的數(shù)據(jù)庫。這些預(yù)定義的模型存儲(chǔ)在系統(tǒng)中，只需對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，該系統(tǒng)即可在短時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)[7]。

③符合用戶定義的鋼材等級(jí)的回歸模型。

初始參數(shù)并未預(yù)先定義，而是要匹配鋼鐵等級(jí)要求的模型。新的參數(shù)是根據(jù)統(tǒng)計(jì)模型(多重回歸)計(jì)算得到的。

拉伸強(qiáng)度的測(cè)量模型精度為±5%，鋼級(jí)的屈服點(diǎn)為±10%。規(guī)定每年對(duì)回歸模型的系數(shù)進(jìn)行一次檢驗(yàn)和優(yōu)化。

④鋼種等級(jí)的定義-特殊警告-操作限制。

對(duì)于不同等級(jí)的鋼材，用戶要有明確的警告和行為限制[8]。在這些范圍內(nèi)，機(jī)械材料性能必須符合要求。通過對(duì)拉伸強(qiáng)度和屈服點(diǎn)的圖形，以及在線顯示的警告和動(dòng)作限制的觀察，系統(tǒng)操作員可以對(duì)該過程進(jìn)行控制。

⑤顯示質(zhì)量比(Cp，Cpk)。

在對(duì)質(zhì)量進(jìn)行控制和分析的情況下，可以確定一定的質(zhì)量比率。

在計(jì)算臨界過程能力指標(biāo)Cpk時(shí)，在上、下過程能力指數(shù)之間進(jìn)行最小選擇:

(1)

式中：UG為上限值；OG為下限值；χ為平均值；σ為標(biāo)準(zhǔn)差。

3 數(shù)據(jù)分析

測(cè)量數(shù)據(jù)保存在一個(gè)微型數(shù)據(jù)庫中，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接的測(cè)量數(shù)據(jù)可以隨時(shí)訪問該數(shù)據(jù)庫[9]。計(jì)算機(jī)的報(bào)警信息、故障發(fā)生或操作上的錯(cuò)誤，每天通過在線應(yīng)用程序存儲(chǔ)在日志文件中，并可以在任何時(shí)間、任何情況下對(duì)其進(jìn)行可視化。

拉伸強(qiáng)度與表面通過率及帶鋼長度的屈服度有關(guān)[10]。離線數(shù)據(jù)曲線如圖2所示。

圖2 離線數(shù)據(jù)曲線

在線機(jī)械性能檢測(cè)系統(tǒng)軟件為回歸分析和過程優(yōu)化提供幫助?；谛碌幕颥F(xiàn)有的鋼材等級(jí)，通過統(tǒng)計(jì)程序(多元回歸分析)計(jì)算未預(yù)先定義或優(yōu)化現(xiàn)有模型系數(shù)[11]。

通過與破壞性材料試驗(yàn)中產(chǎn)生的機(jī)械特性進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算測(cè)量的機(jī)械性能值的抗拉強(qiáng)度和屈服點(diǎn)。為了獲得準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)量，查閱了500多份資料記錄，抗拉強(qiáng)度回歸分析如圖3所示。驗(yàn)證得出結(jié)論：當(dāng)抗拉強(qiáng)度的回歸程度達(dá)到70%以上時(shí)，該模型為最優(yōu)模型。

圖3 抗拉強(qiáng)度回歸分析圖

4 結(jié)束語

山鋼日照鋼鐵精品基地冷軋產(chǎn)線是山鋼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要一步，也是日照公司技術(shù)的制高點(diǎn)和運(yùn)營的盈利點(diǎn)。主導(dǎo)產(chǎn)品為高級(jí)汽車面板、高檔汽車結(jié)構(gòu)鋼及高級(jí)家電板等高附加值的精品板材。在熱鍍鋅和連退產(chǎn)線中，本文開發(fā)、使用了該帶鋼機(jī)械特性在線測(cè)量系統(tǒng)，并對(duì)其工藝性能進(jìn)行了優(yōu)化。該系統(tǒng)大大提高了帶鋼機(jī)械性能質(zhì)量和材料的屈服強(qiáng)度，為提供優(yōu)質(zhì)的汽車板奠定了良好基礎(chǔ)。