熱鍍鋅鋅鍋?zhàn)詣?dòng)清渣系統(tǒng)集成及應(yīng)用研究

杜永鋒

(上海寶信軟件股份有限公司 上海：201900)

0 引言

熱鍍鋅帶鋼生產(chǎn)過程中，鋅鍋內(nèi)鋅液表面會(huì)生成大量浮渣。這些浮渣如不及時(shí)清理，黏附到帶鋼表面就會(huì)產(chǎn)生鋅渣缺陷，嚴(yán)重影響帶鋼的表面質(zhì)量；黏附到鋅鍋設(shè)備,如沉沒輥、穩(wěn)定輥輥架、穩(wěn)定輥刮刀架、爐鼻子外殼等，將嚴(yán)重影響設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，必須定期對鋅鍋表面和爐鼻子內(nèi)的浮渣進(jìn)行清理。

目前，大部分鋼廠鋅鍋面渣的清除主要是由人工使用專用工具(如漏勺)把鋅鍋表面的面渣驅(qū)趕到某幾個(gè)特定區(qū)域，再從這些固定區(qū)域由人工用漏勺撈出，裝入特制的鋅渣斗中，鋅渣斗裝滿后再由鏟車把鋅渣鏟到指定區(qū)域堆放。鋅渣從鋅鍋表面撈出倒入鋅渣斗中時(shí)，包括工具和鋅渣在內(nèi)，每漏勺的重量一般在10～20公斤左右，大型機(jī)組平均每天要撈3噸左右的鋅渣，操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度很大。

同時(shí)，由于鋅鍋區(qū)域的噪音和高溫環(huán)境，在高溫液體區(qū)進(jìn)行人工撈渣作業(yè)，存在較大的職業(yè)安全隱患。為降低安全風(fēng)險(xiǎn)，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，部分先進(jìn)企業(yè)使用專用的撈渣機(jī)器人取代人工開展撈渣作業(yè)。但由于鋅鍋區(qū)域設(shè)備布置的特殊性和復(fù)雜性，機(jī)器人無法完全覆蓋整個(gè)鋅鍋區(qū)域，故仍需由人工進(jìn)行撇渣。由生產(chǎn)人員把機(jī)器人無法覆蓋區(qū)域的面渣驅(qū)趕到機(jī)器人可以覆蓋的區(qū)域后，再由機(jī)器人進(jìn)行撈出。針對這個(gè)問題，本文研制了一種自動(dòng)清渣系統(tǒng)，可以大幅提高撈渣效率，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 自動(dòng)清渣系統(tǒng)集成

自動(dòng)清渣系統(tǒng)主要由電磁撇渣裝置、撈渣機(jī)器人裝置、視覺檢測系統(tǒng)三大部分組成，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 自動(dòng)清渣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 電磁撇渣裝置

電磁撇渣裝置主要由撇渣器本體及懸掛裝置、風(fēng)冷系統(tǒng)、專用電源、控制系統(tǒng)等組成。

電磁撇渣器本體呈長條狀，通過安裝支架固定在待鍍帶鋼四周，放置于鋅鍋鋅液上方一定距離處，和鋅液面非接觸。撇渣器本體利用專用變頻電源驅(qū)動(dòng)工作，推動(dòng)鋅鍋表面鋅液流動(dòng)，浮渣隨“波”逐流，匯聚到預(yù)定的位置，等待撈渣機(jī)器人將堆積在一起的浮渣撈起。

電磁撇渣器本體在工作過程中會(huì)產(chǎn)生大量焦耳熱，以及高溫鋅液的輻射熱，需要配置外界輔助冷卻設(shè)備進(jìn)行冷卻。由于鋅鍋附近空氣粉塵多，冷卻風(fēng)機(jī)配置過濾裝置。為了能實(shí)時(shí)監(jiān)控撇渣器本體內(nèi)部的溫度，在設(shè)備內(nèi)部預(yù)埋熱電偶，通過補(bǔ)償導(dǎo)線讀取設(shè)備運(yùn)行時(shí)溫度狀況。

自動(dòng)清渣系統(tǒng)通過控制系統(tǒng)作為大腦，控制撇渣器的啟動(dòng)時(shí)機(jī)和工作參數(shù)；采集撇渣器本體內(nèi)部工作溫度，做好高溫報(bào)警和設(shè)備保護(hù)。為實(shí)現(xiàn)撇渣效果最優(yōu)，撇渣器本體必須保持對鋅液面高度的跟隨狀態(tài)：距離鋅液面的高度不能過高，否則撇渣器對鋅液的作用力變??；也不能過低，否則鋅液容易和撇渣器粘結(jié)。

1.2 電磁撇渣工作基本原理

針對鋅鍋表層鋅液的流動(dòng)、鋅渣分布特點(diǎn)和存在的問題，提出了一種在鋅鍋鋅液上方主動(dòng)加載外場力作用以驅(qū)動(dòng)鋅液流動(dòng)，進(jìn)而改變鋅渣分布的新方法，稱為電磁撇渣方法(EMD-Electromagntic Driving)。圖2為電磁撇渣方法的基本原理圖，圖3為電磁撇渣裝置布置圖。

圖2 EMD方法原理

由電磁感應(yīng)定律可知，設(shè)置于液態(tài)鋅上方的移動(dòng)磁場會(huì)透過液態(tài)鋅表面的“鋅渣”而直接作用于液態(tài)鋅，產(chǎn)生切割磁力線作用的洛倫茲力Fem。該洛倫茲力可驅(qū)動(dòng)鋅鍋表層鋅液流動(dòng)，進(jìn)而拖動(dòng)鋅液表面的鋅渣跟隨流動(dòng)。

EMD方法通過外場力主動(dòng)干預(yù)鋅鍋表層鋅液的流動(dòng)，促使鋅液產(chǎn)生沿鋅鍋壁的切向流動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)鋅液上部的鋅渣移動(dòng)，達(dá)到連續(xù)撇渣的目的。

圖3 電磁撇渣裝置布置圖

1.3 機(jī)器人撈渣裝置

機(jī)器人撈渣裝置主要由工業(yè)六軸機(jī)器人、夾具裝置、撈渣工具、渣料斗、機(jī)器人控制柜、機(jī)旁操作箱、隔熱擋板等組成，撈渣機(jī)器人裝置配置圖詳見圖4。

圖4 撈渣機(jī)器人裝置配置圖

撈渣機(jī)器人一般安裝在鍍鋅區(qū)域爐鼻子裝置正后方，方便兼顧爐鼻尖兩側(cè)的出渣通道，采用固定式安裝。整個(gè)撈渣作業(yè)區(qū)域采用安全護(hù)欄隔開，預(yù)留叉車和人員出入的安全門。

撈渣作業(yè)可以全自動(dòng)運(yùn)行，整個(gè)自動(dòng)作業(yè)流程如圖5所示。當(dāng)撈渣作業(yè)周期到達(dá)時(shí)(如定時(shí)30分鐘或根據(jù)生產(chǎn)工藝決定)，或者自動(dòng)撇渣撇渣裝置將鋅渣趕到撈渣范圍，撈渣機(jī)器人自動(dòng)啟動(dòng)作業(yè)。撈渣機(jī)器人作業(yè)時(shí)還需根據(jù)加鋅工位信息自動(dòng)避讓加鋅葫蘆吊。

圖5 撈渣機(jī)器人裝置自動(dòng)作業(yè)流程示意圖

1.4 視覺檢測系統(tǒng)

電磁撇渣裝置可把鋅鍋表面的浮渣按照一定軌跡匯聚到撈渣區(qū)域，由撈渣機(jī)器人進(jìn)行撈渣清除，撇渣和撈渣的頻率相對固定。為了進(jìn)一步提高效率，避免過度撇渣和撈渣，降低鋅耗和設(shè)備運(yùn)行成本，自動(dòng)清渣系統(tǒng)還配置有視覺檢測設(shè)備，旨在自動(dòng)識(shí)別鋅鍋內(nèi)鋅渣的堆積位置，根據(jù)實(shí)際需要靈活地發(fā)送指令給上位機(jī)，從而指導(dǎo)撇渣和撈渣適時(shí)工作。

視覺檢測系統(tǒng)由成像系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成，其中成像系統(tǒng)主要由高速工業(yè)攝像機(jī) 、高性能光源、高精度多維度攝像機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等主要設(shè)備組成，詳見圖6，機(jī)器檢測系統(tǒng)主要功能說明見表1。

圖6 視覺檢測系統(tǒng)配置圖

系統(tǒng)通過工業(yè)攝像機(jī)及光源組成的成像系統(tǒng)對鋅鍋內(nèi)鋅液表面進(jìn)行不間斷的掃描，形成高清晰的表面圖像；這些帶有鋅渣或不帶有鋅渣的圖像通過專用電纜或光纖傳輸至深度學(xué)習(xí)服務(wù)器，處理算法模型對圖像進(jìn)行分析，濾除沒有鋅渣的背景圖像，對含有鋅渣的區(qū)域進(jìn)行圖像分割及特征提取，最終通過深度自學(xué)習(xí)獲得鋅渣的堆積情況，反饋給自動(dòng)清渣控制系統(tǒng)。

表1 機(jī)器檢測系統(tǒng)主要功能

2 自動(dòng)清渣系統(tǒng)的控制

自動(dòng)清渣控制系統(tǒng)采用西門子S7-1200 PLC進(jìn)行控制，主要包含三部分功能：自動(dòng)撇渣控制、機(jī)器人撈渣控制以及視覺檢測深度學(xué)習(xí)，整合在一個(gè)控制柜中(見圖7)，節(jié)省空間，方便在鍍鋅區(qū)域布置?？刂乒窆耖T上設(shè)置觸摸屏，可以本地設(shè)置相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，方便機(jī)組在操調(diào)檢修時(shí)，可以快速操作控制自動(dòng)清渣系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備。

圖7 自動(dòng)清渣控制系統(tǒng)配置圖

自動(dòng)清渣控制系統(tǒng)主要功能如下：

(1)自動(dòng)清渣系統(tǒng)PLC與自動(dòng)撇渣變頻電源通過Profibus_DP的方式建立通訊連接，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)撇渣器的參數(shù)設(shè)置和啟?？刂?；控制風(fēng)冷系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)機(jī)的啟停；檢測每條電磁撇渣器的溫度、電流，并與控制連鎖。當(dāng)檢測到溫度超溫后限制電源的啟動(dòng)，延長間歇停止的時(shí)間，等溫度降低到允許啟動(dòng)溫度后自動(dòng)啟動(dòng)，同時(shí)發(fā)出報(bào)警提示。

(2)自動(dòng)清渣系統(tǒng)PLC與撈渣機(jī)器人的機(jī)旁操作箱和機(jī)器人控制器通過Profibus_DP的方式建立通訊連接，控制撈渣機(jī)器人的啟停、撈渣模式等，與自動(dòng)加鋅裝置聯(lián)鎖。

(3)自動(dòng)清渣系統(tǒng)PLC與視覺檢測深度學(xué)習(xí)服務(wù)器通過TCP/IP的方式建立通訊連接，深度學(xué)習(xí)服務(wù)器通過深度自學(xué)習(xí)模型，分析計(jì)算出鋅渣面積，將撇渣指令通過開關(guān)量發(fā)送給撇渣裝置，撇渣裝置在撇完后，反饋一個(gè)指令給服務(wù)器，服務(wù)器收到指令后，發(fā)送撈渣指令給機(jī)器人進(jìn)行撈渣。

(4)自動(dòng)清渣系統(tǒng)PLC與機(jī)組HMI畫面通過TCP/IP進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

3 應(yīng)用效果

該自動(dòng)清渣系統(tǒng)在某鋼廠熱鍍鋅線運(yùn)行以來，解決了熱鍍鋅鋅鍋上方由于設(shè)備布置緊湊、扒渣通道狹小、工具不好伸入、現(xiàn)場操作人員人工撇渣撈渣困難等問題；減少現(xiàn)場員工暴露在高溫、粉塵及噪聲傷害的惡劣環(huán)境的工作時(shí)間，消除了鋅液飛濺風(fēng)險(xiǎn)，從而降低了健康危害，減少了安全風(fēng)險(xiǎn)。

電磁撇渣裝置持續(xù)維持氣刀附近鋅液面附近無鋅渣，非接觸式撇渣不造成鋅液面波動(dòng)，有效改善了表面質(zhì)量。并且能最大限度避免操作人員技能等個(gè)體差異，有助于減少鋅耗，提高表面質(zhì)量的穩(wěn)定性。

該系統(tǒng)的成功應(yīng)用為鋅鍋無人化撈渣作業(yè)邁出了關(guān)鍵一步，鋅鍋區(qū)域90%撇渣、撈渣作業(yè)可由電磁撇渣裝置和撈渣機(jī)器人完成，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。同時(shí)，由于實(shí)現(xiàn)了連續(xù)化的撇渣和撈渣，汽車外板生產(chǎn)時(shí)用于人工撈渣作業(yè)的過渡料也大為減少，實(shí)現(xiàn)了高表面質(zhì)量產(chǎn)品熱鍍鋅連續(xù)通板水平的較大突破，一次連續(xù)通過量由7卷提升至29卷，大大減少了過渡料投入，提高了機(jī)組生產(chǎn)效率和自動(dòng)化水平，符合智慧制造發(fā)展趨勢。目前該技術(shù)已在國內(nèi)多個(gè)冷軋熱鍍鋅產(chǎn)線進(jìn)行推廣。