鋼板測厚裝置在調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線上的應(yīng)用

胡 瓊，邱淑建，莊 賓

（1.湖南華菱漣源鋼鐵有限公司 熱處理板廠，湖南 婁底 417000；

2.中國聯(lián)合工程有限公司，浙江 杭州 310052）

我司于2019年底投產(chǎn)的兩條薄規(guī)格高強調(diào)質(zhì)板生產(chǎn)線，使用至今較為穩(wěn)定。但是也出現(xiàn)過雙板層疊進淬火爐并最終送入淬火機淬火的情況，給生產(chǎn)造成了一定影響，幸運的是未對淬火機設(shè)備造成損傷。為了杜絕此類情況再次出現(xiàn)，決定在調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線上增加鋼板測厚裝置檢測疊板，以保證正常生產(chǎn)和淬火機設(shè)備的安全。

1 疊板產(chǎn)生原因及影響

調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線的淬火工藝主要流程：原料板-上料裝置-上料輥道-拋丸機-淬火爐-淬火機淬火。

正常生產(chǎn)時上料裝置每次只放一塊鋼板到上料輥道。因薄板的重量較小且其表面比較光滑，生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，偶爾會有兩塊鋼板同時被吊起放到上料輥道。按照工藝，鋼板在拋丸后輸送到淬火爐內(nèi)，加熱保溫結(jié)束后快速出爐淬火。淬火爐后配置為輥壓式淬火機，通過噴嘴出來的大量冷卻水對鋼板進行噴淋冷卻，同時用上下輥道間較小的輥縫高度控制鋼板的變形。淬火機的輥縫高度通過液壓系統(tǒng)控制，一般略大于鋼板厚度，且為了鋼板的快速冷卻，淬火機的冷卻噴嘴距離輥道面較近。

生產(chǎn)中兩塊鋼板上下層疊的情況，稱之為疊板。因為通常是同種規(guī)格的鋼板，疊板不易被發(fā)現(xiàn)。

因為總厚度超過輥縫高度，疊板進入淬火機首先會對淬火機設(shè)備和液壓系統(tǒng)造成沖擊；疊板進入淬火機之后，冷卻噴嘴仍正常工作，但是疊板的上層鋼板只有上表面被冷卻，疊板的下層鋼板只有下表面被冷卻，鋼板上下表面冷卻不均勻產(chǎn)生的應(yīng)力，使兩塊鋼板各自產(chǎn)生上下龜背或者翹頭，進一步?jīng)_擊整個設(shè)備，鋼板的變形甚至可能直接碰到并損壞冷卻噴嘴，使淬火機無法正常使用。淬火機作為整條淬火線的核心設(shè)備，一旦出現(xiàn)故障，會對生產(chǎn)造成很大影響。因此，必須采取有效措施防止疊板進入淬火機，以保證淬火機設(shè)備安全和生產(chǎn)線的正常運行。

2 疊板檢測方式和安裝位置的選擇

淬火機前主要設(shè)備依次為：上料裝置、上料輥道、拋丸機及淬火爐，將上述設(shè)備結(jié)合生產(chǎn)工藝流程進行分析，發(fā)現(xiàn)上料裝置因為其設(shè)備本身原因，要完全杜絕上料時的疊板比較困難，但只要能及時檢測出疊板，就可以避免生產(chǎn)故障。而檢測疊板，最簡單有效的辦法就是檢測厚度，若測量到的鋼板厚度和實際差異較大，就判定為疊板。

測厚裝置安裝位置的選擇：拋丸機前后，環(huán)境比較惡劣；淬火機前空間太小，又是高溫高濕環(huán)境，而且鋼板淬火時是快速出爐，即使檢測到疊板也很難及時處理。比較之后，測厚裝置最合適的安裝位置是淬火爐前，一旦檢測發(fā)現(xiàn)疊板就停止鋼板入爐，杜絕疊板進淬火機的情況發(fā)生，而且淬火爐前有足夠空間，發(fā)現(xiàn)疊板較容易處理，對生產(chǎn)的影響最小。

3 測厚裝置的探索和應(yīng)用

鋼板測厚一般采用激光測距儀，經(jīng)過咨詢和比較選擇了某廠商的某型號高精度激光測距儀，其測距范圍為150～800 mm，當(dāng)測量距離在150～400 mm時，測量結(jié)果的可重復(fù)性偏差不超過0.5 mm；當(dāng)測量距離在400～600 mm時，測量結(jié)果的可重復(fù)性偏差不超過1 mm；當(dāng)測量距離在600～800 mm時，測量結(jié)果的可重復(fù)性偏差不超過3 mm。原料板的厚度雖然是毫米級別，但疊板時厚度增加一倍，該型號的測距儀性能完全可以滿足使用要求。

鋼板從拋丸機出來后往淬火爐輸送，在爐前進行對中后停止，等待入爐指令。因激光測距儀需盡量遠離熱源爐門，而鋼板的長度差異較大，為了保證每種長度規(guī)格的鋼板厚度都可以測量，激光測距儀的具體安裝位置選擇在對中裝置之前，在鋼板輸送到淬火爐前時進行通過式測量。

激光測距儀的原理如下：激光測距儀集成發(fā)射端和接收端于一體，激光發(fā)射并被物體表面反射回來，通過測量激光發(fā)射和接收之間所需時間，可以計算出測距儀和被測物體之間的距離。

測厚方法：將激光測距儀安裝于對中裝置前某支輥道的中心軸正上方，測距儀和輥道之間的距離為定值δ1（約300 mm左右），鋼板實際厚度為δ；鋼板通過測厚點時，激光測距儀測得到鋼板上表面到距離為δ2，如圖1所示。根據(jù)上述測量值，系統(tǒng)計算得到該鋼板的測量厚度δ'=δ1-δ2=δ。

圖1 激光測距儀的布置和板厚測量示意圖

通過上式也可看出，測距儀并未直接檢測板厚，而是檢測距離，系統(tǒng)通過計算得到鋼板厚度。

因測量結(jié)果δ1和δ2的可重復(fù)精度在不超過0.5 mm，所以得到的鋼板厚度δ'與鋼板實際的厚度偏差在0.5 mm以內(nèi)，滿足使用要求。

將上述測厚裝置投用后，發(fā)現(xiàn)對于較平整的原料板，板厚的測量值和實際偏差較小且比較穩(wěn)定，進行疊板測試時也能及時發(fā)現(xiàn)板厚異常并報警。但是當(dāng)鋼板不平整，比如存在翹頭、垂頭或者龜背時，測得的板厚和實際偏差較大。以鋼板龜背為例，與上述相同厚度的鋼板通過測厚點，如圖2所示，假設(shè)計算在測量位置處存在龜背的高度為Δδ，測距儀測得的距離為δ1-δ-Δδ，則系統(tǒng)得到的板厚為δ'=δ+Δδ。

圖2 鋼板龜背對板厚測量的影響示意圖

因為薄板本身較容易變形，且該變形尺寸很可能超過鋼板本身厚度，即Δδ＞δ，進一步得到δ+Δδ＞2δ，測得的板厚為實際的兩倍以上，系統(tǒng)會將其判定為疊板。一旦判定為疊板，鋼板停止入爐同時系統(tǒng)報警，需生產(chǎn)操作人員到現(xiàn)場檢查，確認是單板后再入爐。上述情況頻繁發(fā)生時，對產(chǎn)線的正常生產(chǎn)節(jié)奏影響較大。

由于鋼板淬火后組織發(fā)生相變，板型也會改變，因此對入爐板型要求較寬松，這就要求鋼板的測厚方式必須排除板型的影響。

前述的測厚方式，由于只對鋼板單面測厚，無法避免翹頭、垂頭和龜背等變形產(chǎn)生的影響。在考慮之后，決定將只在鋼板上方布置測距儀，進一步完善為在鋼板的上、下方都布置激光測距儀，進行雙面測厚，以避免板型不規(guī)整對鋼板測厚結(jié)果的影響。

由于需要在鋼板的上下表面都進行測距，激光測距儀的布置位置從爐輥正上方移到相鄰兩根爐輥之間，如圖3所示。

圖3 雙面測厚示意圖

布置在上方的激光測距儀和輥道面之間的距離仍為定值δ1，下側(cè)的激光測距儀和輥道面之間的距離為定值δ3（約300 mm左右），上下測距儀之間的距離為δ1+δ3。

對于較平整的鋼板，通過測厚點時，上側(cè)激光測距儀測得到鋼板上表面的距離為δ2，下側(cè)激光測距儀測到得鋼板下表面（即輥道面）的距離為δ3，則計算可得鋼板測量厚度δ'=（δ1+δ3）-δ2-δ3=δ1-δ2=δ，和單面測厚方案的結(jié)果一致。對于板型較平整的鋼板，雙面測厚方案可行。

若上述規(guī)格鋼板不平整，假設(shè)通過測厚點時，在測量位置處存在龜背，高度為Δδ，如圖4所示。

圖4 鋼板龜背雙面測厚示意圖

則上側(cè)激光測距儀測得到龜背上表面的距離為δ2-Δδ，下側(cè)激光測距儀測到得到龜背下表面的距離為δ3+Δδ，計算可得鋼板厚度δ'=（δ1+δ3）-（δ2-Δδ）-（δ3+Δδ）=δ1-δ2=δ。由上式可知，即使在鋼板的龜背處，采用雙面測厚方法得到的測量厚度和鋼板實際厚度一致，方案依然可行。

對于鋼板翹頭和垂頭的情況，通過雙面測厚法得到的測量厚度和鋼板的實際板厚也一致，此處不再贅述。

上述雙面測厚裝置安裝和調(diào)試完成后，對上述的翹頭、垂頭和龜背三種不平整板型進行測試。測試中發(fā)現(xiàn)，翹頭和龜背兩種板型的測厚都比較準(zhǔn)確，但是垂頭鋼板經(jīng)過時，測厚結(jié)果和實際板厚差別較大，而且測量值容易震蕩。經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)，安裝激光測距儀的門型架安裝于輥道安裝架上，垂頭鋼板輸送到爐前時，會撞擊輥道，撞擊最終傳遞到激光測距儀，使其發(fā)生振動，影響測量結(jié)果。

發(fā)現(xiàn)原因后，將激光測距儀的門型架安裝于地面上，通過膨脹螺栓固定，并加強了門字架立柱和橫梁的剛性。再多次用垂頭鋼板測試，測厚結(jié)果十分準(zhǔn)確和穩(wěn)定。

4 雙面測厚裝置的進一步優(yōu)化

該套雙面測厚裝置投入使用后，在實際生產(chǎn)中運行較平穩(wěn)有效，并及時發(fā)現(xiàn)過疊板現(xiàn)象，避免了生產(chǎn)故障。但是也發(fā)現(xiàn)，對于極薄規(guī)格的鋼板，較少數(shù)情況下上述測厚裝置仍將單板誤測為疊板。進一步觀察發(fā)現(xiàn)，是由于上、下激光測距儀安裝不夠精準(zhǔn)導(dǎo)致的：從水平面上看，上、下激光測距儀在鋼板上、下表面上所測量的位置存在一定偏差，但極薄規(guī)格的鋼板因其更易變形，對該偏差的允許值更小。若兩個測量位置沒有足夠接近，則變形可能不一致，導(dǎo)致系統(tǒng)測量板厚和實際偏差較大，誤報警為疊板。

于是對兩個激光測距儀安裝位置進行微調(diào)整，兩束激光打在鋼板上、下表面，光點在水平方向的距離不超過1 cm，此時可認為上、下兩處測量點的鋼板變形量相同。調(diào)整完成后，將測厚裝置再次投入使用，運行一直很穩(wěn)定。

5 側(cè)厚裝置的延伸應(yīng)用

當(dāng)鋼板未通過測厚點時，因上、下測距儀的前方無遮擋，而其最大量程為800 mm，此時測距儀會反饋超量程信號。一旦有鋼板通過，測距儀的測量值馬上恢復(fù)到量程范圍內(nèi)。

實際生產(chǎn)中，系統(tǒng)并非一直在進行測厚。激光測距儀每秒可測距上百次，但是只有當(dāng)鋼板運行至測厚點位置時，系統(tǒng)才開始調(diào)取測距數(shù)據(jù)，計算鋼板的厚度。

因淬火爐對鋼板入爐的平整度有一定要求，在進一步討論和考慮之后，該測厚裝置也被用于板型判斷，對于板型不平整度超過規(guī)定的鋼板進行識別，禁止其入爐。簡單描述下原理如下：

（1）根據(jù)系統(tǒng)對鋼板位置的跟蹤，在鋼板通過測厚點之前，開始讀取上、下測距儀的信號。

（2）當(dāng)信號從超量程變?yōu)檎５臏y距數(shù)值時，判定鋼板板頭已經(jīng)過測量點，系統(tǒng)自動計算鋼板厚度，并判斷是否存在疊板，以及下一步如何處理。

（3）另一方面，系統(tǒng)進一步對上、下測距儀的數(shù)據(jù)，即（δ2-Δδ）和（δ3+Δδ），進行分析，如圖4所示。δ3對于該系統(tǒng)來說為定值，而由于已經(jīng)測得板厚，系統(tǒng)可計算得到δ2。因此對于上、下測距儀的每一組數(shù)據(jù)，都可以得到一對Δδ，而Δδ作為變形量本身就是判斷鋼板是否不平整的參數(shù)。

（4）根據(jù)工藝對Δδ的要求，將計算得到的數(shù)值和判定值比較，一旦超過判定值，則該鋼板不平整度超過要求，禁止入爐。

目前該功能也已投入運用，有效提高了鋼板判定的效率和正確率。

6 結(jié)論

在調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線上增加鋼板側(cè)厚裝置之后，有效地避免了疊板故障，保護了淬火機設(shè)備并提高了生產(chǎn)效率，并實現(xiàn)了原料板板型控制的初步自動化。