用于熱態(tài)無縫鋼管的分體式表面質(zhì)量檢測系統(tǒng)

彭鐵根,何永輝,蘇惠超

(寶山鋼鐵股份有限公司1.中央研究院,上海 201999; 2.鋼管條鋼事業(yè)部,上海 201900)

1 概述

寶鋼無縫鋼管φ140 mm機組于1985年11月投產(chǎn)。在1993年達產(chǎn)的基礎上,產(chǎn)量步步攀升,2002年產(chǎn)量達到80萬t,最高年產(chǎn)量達到84.5萬t,創(chuàng)國際同類連軋管機組最高水平[1]。通過多年來的生產(chǎn)以及攻關、改造與更新,對工藝裝備的持續(xù)改進和更新,連軋管機組達到同類機組國際先進水平,油井管加工和高壓鍋爐管精整的工藝裝備達到國際領先水平。

與生產(chǎn)工藝技術提升相矛盾的是,國內(nèi)大多數(shù)廠家的無縫鋼管廠在熱軋線軋制后外表檢測方面還停留在僅依靠人工取樣和人工目測巡檢等傳統(tǒng)模式,缺陷檢測技術能力得不到有效提升。傳統(tǒng)的檢測手段受限于人工取樣頻度,勞動強度大,加之外表巡檢目測所在的冷床位置溫度很高,具有較大的安全隱患。另外,無縫鋼管外表缺陷發(fā)生后,當班生產(chǎn)時經(jīng)常不能及時發(fā)現(xiàn)軋制批量缺陷,更不能發(fā)現(xiàn)零星軋制缺陷,給生產(chǎn)廠造成較大的經(jīng)濟損失,因此迫切需要具備實時進行熱態(tài)鋼管表面質(zhì)量檢測的手段。在熱態(tài)棒、線材表面缺陷視覺檢測方面,國際上目前只有較少的幾家單位進行這類產(chǎn)品的研發(fā),如OG公司、達涅利公司等,但相關技術還不成熟。

從1998年開始,寶鋼股份中央研究院BaoVision項目組就開始從事鋼鐵產(chǎn)品表面質(zhì)量在線檢測技術的研究與應用,目前已開發(fā)冷軋、涂鍍、熱軋、硅鋼、厚板、高線等多個系列的在線檢測裝備[2-4]。2015年,BaoVision項目組聯(lián)合寶鋼無縫鋼管廠進行了熱態(tài)無縫鋼管表面質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)項目的立項,開始研究開發(fā)一種分體式架構的熱態(tài)無縫鋼管表面質(zhì)量在線檢測系統(tǒng),該設備于2018年10月正式上線運行,系統(tǒng)性能具有國際先進水平。

圖1為熱態(tài)無縫鋼管表面質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)架構示意圖。

圖1 熱態(tài)無縫鋼管表面質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)架構

2 自動對焦成像模型

為了實現(xiàn)熱態(tài)無縫鋼管表面質(zhì)量在線檢測,在熱態(tài)鋼管進入冷床拋料之前的位置設置檢測點。為了將檢測設備嵌入輸送輥道,對現(xiàn)場輸送輥道進行了改造。檢測設備采用分體式結構,在輸送輥道兩側錯位布置,以便于日常檢修和維護。圖2為設備安裝示意圖。

圖2 檢測設備安裝示意圖

針對不同管徑的鋼管,需要自動進行對焦調(diào)整。該檢測系統(tǒng)針對無縫熱軋鋼管表面檢測提出的一種表面檢測裝置自動對中對焦調(diào)整方法,根據(jù)鋼管直徑規(guī)格自動實現(xiàn)成像系統(tǒng)的調(diào)整,實現(xiàn)無縫鋼管在運動過程中的實時檢測。與變焦成像系統(tǒng)不同,該對中對焦調(diào)整方法不改變成像系統(tǒng)的分辨率。

基于分體式視覺檢測架構,根據(jù)鋼管直徑分別計算對中和對焦調(diào)整參數(shù),應用PLC對伺服電機進行控制,自動完成對中調(diào)整和對焦調(diào)整。鋼管在斜輥道上運行時,因鋼管自重的影響,鋼管將落在斜輥道斜面和輥面之間。當鋼管直徑規(guī)格變化時,鋼管中心將沿斜輥道斜面和輥面之間的角平分線進行變化,如圖3所示。

圖3 對中對焦示意圖

分體式檢測裝置1內(nèi)含3組成像單元,3組成像單元的移動軌道通過同一圓心,相互夾角60°,完成鋼管3一半表面的檢測,另外一半由交錯布置的另一分體式檢測裝置完成。下面將以分體式檢測裝置1的對中對焦調(diào)整為例進行說明,另一分體式檢測裝置與此類同。假設成像距離(成像單元的CCD靶面至被測對象表面)為R,以斜輥道4的輥面5斜面6之間的交點O為圓心,以半徑R畫圓,若分體式檢測裝置1與該圓的距離為D(中間相機CCD靶面到該圓距離),則可將分體式檢測裝置1沿水平方向移動距離D,并在高度方向上進行調(diào)整,最終使3組成像單元的中心與O點重合,到達基準位置,效果如圖4所示。分體式檢測裝置1與斜輥道之間的高度可在設備安裝前調(diào)整到位。當生產(chǎn)不同管徑的鋼管時,均以基準位置為起點進行對中對焦調(diào)整。

圖4 分體式檢測裝置與斜輥道之間的位置關系

當鋼管直徑變化時,分體式檢測裝置1沿鋼管中心線方向進行調(diào)整,設鋼管半徑為r,斜輥道輥面與斜面之間的夾角為α,則分體式檢測裝置1沿鋼管中心線方向調(diào)整的距離為r/sin(α/2),中間成像單元從C1點移動到C2點,C1C2O1O為平行四邊形,如圖5所示。

圖5 對中對焦調(diào)整示意圖

為保證成像距離為R,對于直徑為2r的鋼管,各成像單元需沿各自的滑動軌道向外側移動r的距離,以完成對焦調(diào)整,如圖5(c)所示。

3 現(xiàn)場應用

2016年底,基于分體式的熱態(tài)無縫鋼管表面質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)上線安裝,圖6為現(xiàn)場安裝情況。

圖6 設備現(xiàn)場安裝

設備上線后,項目組進行了較長時間的熱防護改進及軟件功能完善,最終得到了滿意的檢測效果。圖7為熱態(tài)鋼管表面成像效果,圖8和圖9為兩個應用案例。

圖7 熱態(tài)無縫鋼管表面質(zhì)量在線系統(tǒng)成像效果

圖8 輥面出現(xiàn)異常磨損

圖9 A輥倒角損壞

案例1:2018年8月8日夜丁班,φ139.7 mm×9.4 mm套管張減機開軋300支左右,5#機架輥面出現(xiàn)異常磨損,并逐漸加深,管子外表呈波浪狀“壓痕”。該架機架下線后報廢停用。

案例2:2018年9月27日早乙班,批量生產(chǎn)φ52.4 mm×6.5 mm鉆探管,爐號18326336,操作工通過檢測畫面發(fā)現(xiàn),開軋30支后管子外表有規(guī)律性間距800 mm的“壓痕”缺陷,停機后檢查發(fā)現(xiàn)φ52.4 mm張減輥成品倒數(shù)第二架A輥倒角壞,及時更換后管子質(zhì)量正常。

4 結論

由寶鋼BaoVision項目團隊自主研發(fā)的一種分體式熱態(tài)無縫鋼管表面質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)在寶鋼無縫廠φ140 mm機組得到成功應用,該系統(tǒng)基于輥道參數(shù)建立的自動對中對焦模型,可實現(xiàn)不同規(guī)格熱態(tài)鋼管的清晰成像。該系統(tǒng)在現(xiàn)場應用兩年多來,通過缺陷檢測報警、在線缺陷處理,不僅大幅減少了外表缺陷批量廢次發(fā)生次數(shù)、降低了外表缺陷廢發(fā)生率,而且減少了外表質(zhì)量缺陷處理的停機時間,為軋管線外表質(zhì)量控制提供了強有力支撐。