（机械制造及其自动化专业论文）重轨万能线轧制参数监视及优化关键技术研究.pdf

中文摘要 摘要 轨梁厂重轨万能线主体机械设备由德国西马克米尔公司引进，主体电气设备 由德国的西门子公司引进。轧机的基础自动化控制系统主要由西门子公司的 $ 7 - 4 0 0p l c 组成。由于系统缺少开放性的数据通讯，造成现场的大量c l * l j 数据无 法进行记录和分析，对新产品开发、重轨轧制精度的提高和参数优化带来不便。 本文以轨梁厂重轨万能线为研究背景，在基础自动化、过程控制级的基础上， 在实现了t c p i p 通讯接口基础上，建立了分布式c s 模式，搭建一个基础自动化 控制系统对外数据平台。同时还实现重轨万能线* l n 参数的监视及影响重轨断面 尺寸精度的轧制参数优化。 本文主要研究内容如下： 1 、根据轧制原理，通过m a r c 软件对重轨轧制仿真分析得出影响重轨规格的 主要参数，把这些作为监视的参数，使得监视的参数具有理论的可靠性。 2 、在重轨万能线自动控制系统基础上设计了数据采集的通讯网络结构。根据 轧制理论及仿真分析结果定制需采集相关数据信号，并形成了s 74 0 0 通信数据表。 在占有尽可能低的通讯负荷的基础上，通过硬件配置、软件编程，数据库接口编 程，实现西门子$ 7 - 4 0 0p l c 对外的t c p i p 通信接口。 3 、在重轨万能线基础自动化系统中开发了有效的数据通讯功能。组态数据采 集站i b a p d a ，以及与i b a p d a 系统的通讯接口，形成了一套可靠的数据采集和监 视软件。建立的系统便于相关技术人员进行新产品开发、轧制状态的分析和改进。 4 、与重轨检测中心p l c 通讯，包括网络连接、网络接受、数据解析、数据分 析、数据库操作等功能进行开发，采集到重轨断面尺寸精度数据。结合重轨轧制 过程数据分析，得出影响重轨断面尺寸精度的轧制主参数，并对重轨断面尺寸精 度的提高提出了合理的建议区间，加快了生产效率，提高了重轨质量。 5 、结合轨梁厂重轨万能线实际情况，分析其数据信息模型、建立轧制数据库 库，利用v c + + 软件开发重轨万能线轧制参数监视及优化系统软件。 由于西门子公司的t c s 系统以及i b a _ a o 公司的p d a 数据采集系统广泛的应 用于钢铁企业、造纸业等自动化领域。本课题的成功经验也值得在其他生产线上 推广应用。另外在项目建立的数据采集系统的基础上，可以对张力控制模型、重 轨轧制工艺孔形设计、a g - c 模型、温度控制模型等轧制控制的核心模型以及生产 工艺过程进行进一步的研究和优化。 关键词：重轨轧制，数据采集，通讯，监视，参数优化 英文摘要 a b s t r a c t t h eh e a v yr a i lu n i v e r s a ll i n eo fr a i l & b e a mf a c t o r yi sam i l l ，o fw h i c hm a c h i n e e q u i p m e n t sa r eu s h e r e df r o mt h eg e r m a n yc o m p a n yo fs m sm e e ra n de l e c t r i c i t y e q u i p m e n t sa r eu s h e r e df r o mt h ec o m p a n yo fg e r m a n ys i e m e n s t h eb a s ea u t o m a t i o n c o n t r o ls y s t e mo ft h er o l l i n gm i l li sm a i n l yc o n s t i t u t e do f $ 7 - 4 0 0p l cu n i v e r s a lo ft h e c o m p a n yo fs i e m e n s f o rt h es y s t e mw i t h o u to p e nh e a v yd a t ac o m m u n i c a t i o n ，w ec a l l t c a r r yo no n l i n er e c o r da n da n a l y z et h er e a l m a s su n i v e r s a l i o nd a t a i t b r i n g s i n c o n v e n i e n c et ot h en e w p r o d u c td e v e l o p m e n t ，t h ep r e c i s i o ni m p r o v e m e n to fh e a v yr a i l r o l l i n ga n dp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n t h i sp a p e rp r e s e n t st h ep r o c e s st ob u i l dab a s i ca u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e mo f o u t w a r dd a t ap l a t f o r mw h i c ht a k e su n i v e r s a ll i n eo f h e a v yr a i li nr a i l & b e a mf a c t o r yf o r r e s e a r c hb a c k g r o u n da n db a s e so nb a s i ca u t o m a t i o n ，p r o c e s sc o n t r o ll e v e l ，t h e ns e t su p t h ed i s t r i b u t e dc sm o d en e t w o r kb a s e do nc a r r y i n go u tt h ec o m m u n i c a t i o no ft c p i p a tt h es a m et i m e ，w ec a r r yo nt h er e s e a r c ht o w a r d st h er e s u l to fa c h i e v i n gr e l i a b i l i t y m o n i t o ro n - l i n eo fp a r a m e t e r si np r o c e s so fh e a v yr a i lu n i v e r s a l i o n - - l i n ea n dp a r a m e t e r o p t i m i z a t i o no fr o l l i n gw h i c hi n f l u e n c et h ea c c u r a c yo fc r o s s - s e c t i o ns i z eo fr a i l t h em a i ns t u d yo ft h ep a p e ri sa sf o l l o w s ： 1 a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fr o l l i n g ，w es i m u l a t ea n da n a l y z e st h ep r o c e s so f t h eh e a v yr a i lr o l l i n gb yt h es o f t w a r em a r c ，t h e nw ec a no b t a i nt h em a i nt e c h n i c a l p a r a m e t e r st h a ti m p a c tt h es p e c i f i c a t i o n so fh e a v yr a i l w h e nt h e s ep a r a m e t e r sa r eu s e d f o rm o n i t o r i n g ，i tm a k e st h e s em o n i t o r i n gp a r a m e t e r st h e o r e t i c a la n dr e l i a b l e 2 w ee s t a b l i s ht h en e wc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ks t r u c t u r eo ft h es y s t e mb a s e do n t h eo r i g i n a la u t o m a t i o ns y s t e mo ft h e h e a v yr a i lu n i v e r s a ll i n e w ew o r k o u tt h e i n v e n t o r yt a b l eo fc o l l e c t i n gt h es i g n a la c c o r d i n gt or o l l i n gt h e r o r ya n dt h er e s u l to f s i m u l a t i o na n df o r mt h ec o m m u n i c a t i o nd a t a s h e e to fs 74 0 0 w r ec a r r i e do u tt h e c o n t r o l l e ro fs 74 0 0p l co u t w a r do ft c p i ph e a v yc o m m u n i c a t i o nc o n n e c tb y h a r d w a r ec o n f i g u r ea n ds o f t w a r ep r o g r a m m i n ga n dd a t a b a s ei n t e r f a c ei no c c u p y i n gt h e l o wc o m m u n i c a t i o nb u r d e n 3 b a s e do nb a s i c a la u t o m a t i o ns y s t e mo fh e a v yr a i lu n i v e r s a ll i n e ，t h ee f f e c t i v e l y c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o ni sd e v e l o p e d c o n f i g u r i n gt h ed a t ac o l l e c t i n gs t a t i o ni b a p d a a n dt h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eo fi b a p d a ，as e to fv a l i dd a t ac o l l e c t i n ga n d r e l i a b i l i t y m o n i t o r i n gs o f t w a r ea r eb u i l du pt h es y s t e mb r i n g sc o n v e n i e n c et ot e c h n i c i a no ns p o t 1 1 1 重庆大学硕十学位论文 f o rd e v e l o p i n gt h en e w u n i v e r s a l s ，a n a l y z i n ga n da m e l i o r a t i n gt h es t a t eo fr o l l i n g 4 c o m m u n i c a t i o nw i t hp l co ft h eu l t r a s o n i ci n s p e c t i o nc e n t e ro fr a i l ，i n c l u d i n g n e t w o r kc o n n e c t i o n ，n e t w o r ka c c e p t a n c e ，d a t aa n a l y s i s ，d a t a b a s eo p e r a t i o n sa n ds oo ni s d e v e l o p e d d a t ao fc r o s sd i m e n s i o n a la c c u r a c yo fr a i ls e c t i o ni sc o l l e c t e d c o m b i n a t i o n w i t ht h ea n a l y s i so nt h eh e a v yr a i l r o l l i n gp r o c e s so fd a t aw h i c ho b t a i n st h em a i n p a r a m e t e r sw h i c ha f f e c tt h ea c c u r a c yo fr a i lr o l l i n gc r o s s s e c t i o ns i z e ，b r i n gf o r w a r dt h e r e l i a b i l i t yr e c o m m e n d a t i o n sa b o u tt h ei m p r o v e m e n tt h ea c c u r a c yo fr a i lc r o s s s e c t i o n s i z e ，s p e e du pt h eu n i v e r s a l i o ne f f i c i e n c y , i m p r o v et h eq u a l i t yo ft h er a i l b e c a u s et h et c ss y s t e mo ft h ec o m p a n ys i e m e n sa n dp d as y s t e mo ft h e c o m p a n yi b a a ga r ea p p l i e de x t e n s i v e l yi nt h ea u t o m a t i o nr e a l m s ，s u c ha ss t e e li n d u s t r y a n dt h ep a p e r m a k i n gi n d u s t r y e t c ，t h es u c c e s s f u le x p e r i e n c eo ft h i s t o p i ci s a l s o w o r t h yo fa p p l y i n gi no t h e ru n i v e r s a ll i n e s b e s i d e s ，i t sp o s s i b l et oc a r r yo nt h ef u r t h e r r e s e a r c ha n do p t i m i z i n go ft h em o d e la b o u tt h eh o l ed e s i g no ft h er a i lr o l l i n gp r o d u c e p r o c e s s ，t h ea g cm o d e ，t h et e m p e r a t u r ec o n t r o lm o d e la n ds oo n ，b a s e do nb u i l d i n gu p d a t ac o l l e c t i o ns y s t e mo nt h ep r o j e c t k e y w o r d s ：h e a v y r a i l r o l l i n g ，d a t ac o l l e c t i n g ，c o m m u n i c a t i o n s ，m o n i t o r i n g ， p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n 学位论文独创性声明 玉l 士 学位 论文 我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：支 旎 签字日期：v ，1 6 - 导师签名： j 签字日期：v p 7 了7 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、电国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程。i 姒，王、 下简称- 章程 ) ，愿意将本人的毽士学位论文襁盘她趣丑丞丛五湖钾 交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c q ) 在中国博士学位论文全文数据 库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及 重庆大学博硕学位论文全文数 据库中全文发表。 ：中国博士学位论文全文数据库、 中国优秀硕士学位论文 全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名： 互 翩签留一e l 导师签名：眇叩，y 堕 一一 ) j 年参月7 备注。审核通过的涉密论文不得签署“授权书 ，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至 年 月一日。 说明：本声明及授权书：螈装订在提交的学位论文最后一页。 1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景及相关研究现状 1 1 1 研究背景 随着我国国民经济的快速发展、国家拉动内需的大好政策，铁路技术的发展 正朝着高速度、大运量和自动化牵引方向迈进，为了保证铁路运输的安全、快速， 要求重轨具有高精度、高平直度、高热处理强度和长尺化。新颁布的铁路用轨标 准对重轨的质量和性能也提出了更加严格的要求，1 0 0 米长尺重轨是今后重载铁 路、每小时2 5 0 公里和每小时3 5 0 公里客运专线的指定用轨，是今后铁路技术发 展的基本需求和发展方向。本课题来自重庆大学与某钢铁集团公司轨梁厂横向项 目“万能线重轨规格控制仿真技术子课题“重轨万能线轧制参数监视及优化关 键技术研究 ，对重轨万能线轧制参数作监视及优化进行研究。提高重轨轧制精度 及效率。 某钢铁集团公司轨梁厂的万能轧制生产线于2 0 0 3 年9 月开工建设，并于2 0 0 5 年1 月成功试轧出了我国首支1 0 0 m 长尺重轨，其轧制生产线是我国第一条1 0 0 m 定尺重轨的生产线，通过前期对设备和工艺进行调试、优化，已经完全具备了批 量生产的能力。该生产线的建成和调试成功，与此前投产的具有国际先进水平的 重轨精整生产线相配合，使其成为国内第一家、世界第三家能够按照国际上最严 格的质量标准生产出高强度、高平直度、高表面光洁度的1 0 0 米长尺重轨的大型 钢铁企业。伴随着国民经济的高速增长，科学技术的不断进步，轧制精度已成为 衡量重轨的最重要的质量标准之一，是国内外冶金行业普遍关注的一个焦点。 该钢铁集团轨梁厂的重轨万能线是工序道次繁多、经历设备多且高温运行的 高热态制造生产线，是由加热过程( 步进式加热炉) 、高压水除鳞过程、万能轧制 过程( b d l 二辊开坯机、b d 2 二辊粗轧机、u 1 万能粗轧机、e l 轧边机、u 2 万能 中轧机、e 2 万能轧边机、u f 万能精轧机) 、冷却过程、检测过程等组成。其生产 轧制过程和重轨规格受到诸如品种、道次、时间、温度、速度等多因素的影响。 重轨轧制过程非常复杂，影响重轨精度的因素很多，而且这些参数相互之间 有一定的相关性，它涉及到压力、速度、流量、温度等大量的物理参数，以及弹 性形变、塑性变形、热一力耦合等复杂过程、工件内部组织结构与性能的变化等 多方面问题。这些因素与重轨规格精度控制存在复杂的非线性关系，到目前为止， 国际上还没有一个确定的数学公式来表示这些因素与重轨精度之间的关系。面对 这一堆复杂的问题，循规蹈矩的按照传统的方法，从几条基本假设出发，列出几 个方程，进行简化求解，显然难以得到理想的结果。方面，在长期的生产实践 重庆大学硕士学位论文 中，工程技术人员收集了大量的现场生产数据，只能靠经验来设定这些因素的值， 轧制出满足精度要求的重轨。另一方面，随着铁路的提速，对重轨产品质量、品 种、性能等方面要求的日益提高，其质量指标已经达到了相当高的程度。为了更 好地生产高质量重轨，尽快掌握万能精轧机组轧制重轨的核心工艺技术，对万能 轧制的变形工艺参数、变形规律进行研究，引进、消化、吸收国外先进技术，深 入研究轧制变形方式的特点，更好地利用好万能轧机，在引进的基础上进行创新， 开发出具有自主知识产权的新技术，对重轨的轧制精度进行研究和控制，已成为 影响产品质量的不容忽视的重要因素。目前，设计制造活动的核心已经从产品的 实体转向数据信号的监视及处理，在更短的开发周期内为客户创造更多的价值， 并在计算机支持下利用创新的信息工具和数字技术实现设计生产以应对快速的市 场响应。而产品设计及其生产过程迫切需要予以并行考虑，即需要一个轧制参数 的监视及优化项目从本质上是通过先进的计算机技术、网络技术、多媒体技术将 实际生产中系统的工作情况实时、准确、直观、严格划分权限的反映给用户，实 现轨梁厂重轨万能线的生产过程和设备运行状态实时信息的共享，实现在任何一 个允许的站点都能实现监视各个设备的现场运行状态以及整个轧制生产过程的状 态，并能回顾前段时间各生产单元和机组的运行情况。通过对生产过程的实时、 连续监视功能、可以及时发现生产过程中的异常现象，为有关领导对生产质量的 管理提供决策依据，可以准实时调整轧制过程的相关轧制参刿。这对于企业进行 安全、稳定、优化、高效、可靠的生产有重要作用。 1 1 2 相关研究现状 国内大多数钢铁型材轧制都没有建立有效的现场生产轧制数据库、没有建立 相关过程工艺参数的数据报表管理，而且缺乏一个与外界进行数据资源共享的数 据通讯接口。一般的型材轧制生产线主要由p l c 、传感器和传动系统组成。国内 的主参数数据分析系统总处于比较缺乏的现状。部分型材轧制利用现有p l c 的功 能，可以进行一些短时的故障诊断功能，如s i m e n s 系统可以利用w i n c c 进行 一些变量监控；a b 系统可以利用r s v i c w 进行变量监控；a b b 系统可以利用 a d v a b u i l d 进行部分变量监控等。这些监控主要是面对故障诊断和短时的信号 测量。不能成为一个比较系统的数据采集监视系统。少量厂家可能会购买一些专 业厂家开发的数据采集和分析系统，但是价格比较昂贵，在国内应用比较少【l l 。 参数优化本质上是一种以数学为基础，用于求解各种工程问题优化解的应用 技术。优化技术的发展，首先来自于工程实际的需要。作为一个重要的学科分支， 它一直受到人们的广泛重视，并在诸多工程领域得到迅速推广和应用，如系统控 制、人工智能、模式识别、生产调度和计算机工程等。是用数学的结果和计算机 的数值方法去寻找一个最佳的选择。国内外对相关研究问题开展了大量的研究工 2 1 绪论 作，并取得了一些成果，但是局限于对h 型钢和带钢厚度进行优化建模和仿真， 对万能轧制重轨的轧制参数优化则很少有文献报道。例如宝钢2 0 5 0 过程计算机控 制级中对精轧过程预设参数计算模型的改进，对预设定模型的主要原理及设定控 制方法进行了研究，主要包括压下分配模型原理及其负荷规程的简化和自动分配 的实现、轧制力模型及其强度基本项的扩展、辊缝模型及其完善温度模型等方面 进行了优化和完善，进一步提高了轧制的自动化水平。马钢h 型万能轧机液压自 动辊缝控制系统，由德国曼涅斯曼一德马克萨克公司在英钢联莱肯比h 型厂使 用的基础上进行完善而成。控制系统由三部分组成：监视控制层用作系统的协调 及系统设定，并进行相应的逻辑识别；位置控制系统是个液压伺服系统，用作 精确的位置控制；自动辊缝控制系统作为系统的反馈修正以完成控制功能。在建 模方面，大部分研究者采用有限元分析软件对轧制过程的不同阶段，模拟宽展在 孔型中的变化规律、不同变形参数条件下h 型钢在万能轧机中的变形过程，轧制 压力变化趋势【3 】f 4 】。 但是这些研究成果很多都是为开展h 型铜的* l n 过程自动化和轧制操作规程 提供了科学的依据，用在复杂非线性大变形的重轨轧制存在一定的局限性：不 能根据该轨梁厂现有的生产工艺和设备特点，建立相应的模型；模型只是限于 某一轧机某一道次进行建模分析，计算收敛速度慢，计算结果无法参与轧制过程 控制，现场可操作性差。在万能轧制生产线没有一个对外开放的数据平台接口， 使一些后续的重轨轧制相关研究不能顺利进行。这些研究缺乏现场实际数据来 验证。 1 2 研究意义 1 、采用有效的数据通讯方式，开发一套有效的重轨万能线轧制参数监视及优 化软件，该软件便于现场技术人员在新产品开发、发生故障时，进行轧制状态分 析和改进，对后续同类重轨产品轧制提供合理化、准确的参数设定建议，对重轨 轧制孔形设计起着一定的作用； 2 、为了将现场网络负载量和影响生产减少到最小，将基于t c p i p 通信协议 下成功的应用于i b a p d a 与p l c 通讯、i b a p d a 与计算机通讯、p l c 与计算机通讯。 由于西门子公司的p l c 系统及i b aa g 公司的i b a p d a 系统被广泛的应用于钢铁 业、造纸业等自动化领域，本课题的成功经验也值得在其他生产线上推广应用； 3 、实现了基础自动化的数据平台上的对外数据通讯接口，把轧制过程中很多 重要的信号开放出来，并实现了轧制过程中信息的资源共享，对重轨万能线作动 态监视： 4 、建立关键轧制参数的数学模型，分析研究影响重轨断面尺寸精度的相关参 3 重庆大学硕十学位论文 数，为经验调节现场轧制参数提供了参考。减少了由于人为主观因素而导致生产 的废钢数，提高了产品的合格率和生产效率。 1 3 课题研究主要内容 1 3 1 主要内容 本课题以某大型钢厂的重轨万能线为研究对象，在实现t c p i p 通讯接口的基 础上，搭建了一个基础自动化控制系统对外的数据平台，将p l c 所采集的大量参 数信号开放出来，供监视和分析使用。同时对轧制过程参数和设备参数及影响重 轨成型规格的关键因素进行研究，对相关参数进行优化，对重轨最后尺寸的成型 提供合理化的预设区间，提高重轨的质量。完成以下工作内容： 1 、简要介绍重轨生产工艺和万能线自动控制系统构成： 2 、轧制参数分析并找出所需监视的参数和需要优化的参数； 3 、不影响原有控制系统的基础上，设计数据采集系统通讯结构及方案； 4 、轧制参数数据采集接口通讯实现； 5 、对重轨的轧制参数进行优化，找出影响重轨断面尺寸精度的主要影响因子， 并对重轨断面尺寸精度控制作区间建议，为现场轧制表修改提供可靠性参考； 6 、重轨万能线轧制参数监视及优化系统软件的实现。 1 3 2 工具软件需求 l 、数据采集平台 数据采集站采用德国i b a a g 公司的p d a 开发软件进行开发； 重轨万能线自动控制系统平台采用西门子公司s 7 系列产品进行硬件组态。 2 、操作平台 本系统操作系统选用m i c r o s o f tw i n d o w sx pp r o f e s s i o n a l ； 数据库选用m i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 0 。 3 、开发平台 软件开发平台选择支持3 2 位操作系统m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 o 企业开发 版。 1 4 本章小结 本章主要对某钢铁企业轨梁厂的重轨万能线轧制参数监视和优化的现状和研 究背景作了一定介绍，结合实际需求得出该课题研究的主要任务及其所需工具软 件需求。 4 2 重轨生产工艺及万能线自动控制系统构成 2 重轨生产工艺及万能线自动控制系统构成 随着国民经济的快速发展和我国铁路的建设，对重轨的质量要求越来越高。 用孔型法生产的重轨，其比较重要的两个表面轨头和轨底都是宽展得到的，所 以产品尺寸精度低，机械性能也不容易提高，在车速提高的情况下，重轨寿命越来 越短。目前，某大型钢铁企业下的轨梁厂已具备生产1 0 0 米长尺铁路用重轨的能 力。为了更好地生产高质量重轨，需要掌握万能轧机轧制重轨的核心工艺技术， 对万能轧制的可控工艺参数、变形规律进行研究，深入研究万能轧制表中工艺参 数的特点，找出这些参数背后隐藏的信息，引进、消化、吸收国内外先进技术， 在引进的基础上进行创新，开发出一套重轨万能线轧制参数监视及优化系统软件。 2 1 重轨生产工艺 重轨轧制属于型材轧制的一种。经过塑性加工成型、具有一定断面形状尺寸 的直条实心金属材料称为型材。通常将复杂断面型材和棒线材统称为型材【5 】。 型材生产具有如下特点：品种规格多；断面形状差异大；轧机结构 和轧机布置形式较多【5 】。铁路用材总体上要适应重载的要求。铁路要求重轨具有高 尺寸精度，高平直度并具有良好的组织性能和焊接性能。重载要求耐磨。因此对 重轨的生产工艺了解具有重要意义。 2 1 1 流程 某钢铁集团公司轨梁厂的生产布局平面图如图2 1 所示。万能轧制生产线工艺 流程为：连铸坯叶步进梁式加热炉一高压水除磷_ b d l 粗车l - , b d 2 粗轧_ u 1 e 1 万能粗轧一u 2 e 2 万能中轧一u f 万能精轧_ 热锯切头尾- 重轨预弯_ 步进式冷床 冷却复合矫直机矫直一检测中心检测( 断面尺寸检测平直度检测、探伤及涡流 探伤) - 双向液压补矫一锯钻定尺一入库。采用万能法轧制生产技术，可生产出 高质量重轨【酬。轧机组成如下：二辊开坯机( b d ) 、二辊粗轧机( r ) 、万能粗轧机 ( u i ) 、第一轧边机( e 1 ) 、万能中轧机( u 2 ) 、第二轧边机( e 2 ) 、万能精轧机( u f ) 。 重轨轧制过程中，b d 机架布置1 个箱形孔、3 个帽形孔、1 个轨形孔，共轧制7 道次；r 机架布踅3 个轨形孔，轧制3 道次，其中最后一个孑l 型为万能预备孔； u 1 - e 1 u 2 组成万能粗轧机组，可逆轧制3 道次：第l 道次，u 1 、e 1 压下，u 2 空过，第2 道次只有u l 压下，第3 道次，e l 横移更换轧边孔型，u l 、e 1 、u 2 均压下，形成3 机架连轧；e 扣u f 组成精轧机组，单道次轧制。图2 2 所示为万 能轧制生产线的生产工艺图，图2 3 所示为现场轧制生产情况【7 1 。 5 重庆大学硕十学位论文 固固 6 卫 囹n_簿游厂_过器睁w潞峰w斟勘书引困 fi均n_一pooofttlo o l l o 引j i n o o一刃pil鼢田op 2 重轨生产j ：艺及万能线自动控制系缆构成 道次分别为：7 ( b d i ) - 3 ( b d 2 ) 一2 ( u 1 e 】) - 1 ( u 2 e 2 ) 1 ( u f 匡巫耳匪亟至塑丑匝匦堕圯蛔 圈2 2 轧制医的生产l = 艺 f i 9 2 2p r o d u c t i o n p r o c e s s o f t h e t o n i n gz o n e 目前各机架轧制操作控制主要通过调度室修改轧制表的辊缝值进行轧制。 现有重轨尺寸控制系统为离线的准闭环控制系统，系统的输入为通过红检测量的 重轨规格尺寸，通过调度电话通知b d l 、b d 2 、u 1 e i 、u 2 e 2 、u f 操作室修改各 机架各道次的轧制配置表吼调节各机架调整辊缝值、轧制速度、轧制力等可控 参数，这种准闭环控制系统根据红检确定重轨的尺寸信息，通过人工经验发送指 令，进行轧制表的设定。 闰2 3 轧制生产现场 f i g23p r o d u c t i o n f i e l d o f l o l l i n gp r o c e s s 重庆大学硕士学位论文 重轨生产从铁矿到最终产品的生产过程大多是复杂的动态高温冶金反应过 程，其生产过程流程长、参数繁多、工艺复杂、物料处理大，具有显著的非线性、 时变性、空间分布性和不确定性。轧制过程包含了许多生产环节和工艺流程，其 中主要的生产过程是重轨轧制过程和冷轧过程。以下对传统的重轨生产工艺及先 进的重轨生产工艺区别和特点进行简单介绍【6 】。 传统重轨的生产工艺为：平炉( 转炉) 一d h 真空装置浇铸钢锭一均热炉加 热一初轧机开坯一冷却_ 上料_ 加热炉二次加热_ 开坯机开坯_ 粗轧_ 精轧一打 印机_ 缓冷一冷却_ 矫直- 探伤叶补矫_ 锯头钻孔一质量检查_ 发货。 先进重轨生产工艺为：电炉或转炉_ l f 炉一v d 炉一连铸_ 缓冷_ 加热_ 高 压水除鳞_ 一次开坯_ 二次开坯叶万能粗轧_ 万能中轧一二次高压水除鳞一+ 万能 精轧_ 打印机_ 冷却_ 矫直_ 检测中心( 表面检查、平直度测量、探伤) 一补矫 _ 锯头钻孔一质量检查_ 发货。 各自的工艺特点对比如下： 传统重轨生产工艺不能生产5 0 m 以上长尺重轨，先进的重轨生产工艺能生产 l o o m 以上长重轨；传统重轨生产工艺没有除鳞设备，不能很好保证重轨表面质量， 而先进的重轨生产工艺二次除鳞可保证重轨的表面质量。传统重轨生产工艺加热 炉加热的钢坯温度不均，造成一支重轨断面尺寸的波动，成品断面的对称性不理想， 轨高、底宽、腹高等尺寸控制精度不高；先进的重轨生产工艺用万能轧机生产重 轨，可保证重轨的尺寸精度，表面质量好，先进的重轨生产工艺在冷床可实现重 轨的预弯，减少矫后重轨的残余应力。传统重轨生产工艺改造前重轨矫直存在矫 直盲区，端头平直度、端头扭转较难控制，端头扭转要靠轧制工序进行控制；先 进的重轨生产工艺实现了长尺矫直和长尺探伤，可减少矫直盲区和探伤盲区。先 进的重轨生产工艺可以长尺交货，从而可减少铁路部门焊缝数量，增加行车安全 感9 】【1 0 1 。 2 1 2 特点 钢轨的种类及用途 世界各国对钢轨技术条件有不同要求，但钢轨横截面形状都是一样的。普通 钢轨重量范围为5 7 8 k g m ，起重机轨重可达1 2 0 k g m 。根据用途不同，现代钢轨 分为三类【9 】： 1 ) 通常将3 0k g m 以下的钢轨称为轻轨，常用规格有9 、1 2 、1 5 、2 2 、2 4 和 3 0k g m 共6 种。主要用干森林、矿山、盐厂等工矿内部的短途、轻载、低速专线 铁路。 2 ) 重量在3 0k g m 以上的重轨称为重轨，常用规格有3 8 、4 3 、5 0 、6 0 和7 5 k g m 共5 种。主要用于长途、重载、干线铁路。 8 2 重轨生产工艺及万能线自动控制系统构成 3 ) 吊车轨，规格主要有7 0 、8 0 、1 0 0 和1 2 0 k g m 共4 种。按钢轨力学性能通 常将钢轨分为抗张强度不小于8 0 0m p a 的普通轨、抗张强度不小于9 0 0m p a 的高 强轨和抗张强度不小于1 1 0 0m p a 的耐磨轨。 随着现代化铁路载重量不断增长，时速越来越高，对重轨的强度、韧性和耐 磨性等均提出了越来越高的要求。目前，世界各国普遍采用重型断面重轨、无缝 线路( 焊接长轨) 及提高重轨尺寸精度和平直度等方法，保证重轨有较大的纵向 抗弯截面模数，提高轨底宽度和轨腰高度，使重轨单重达到7 0k g m 以上，以重轨 代替轻轨【1 1 1 。 重轨的生产工艺特点 重轨的工作条件十分复杂和恶劣，技术要求是硬而不脆、韧而不断，这决定 了重轨生产工艺过程的复杂性。轨梁轧机是最大的型钢轧机，其轧辊名义直径为 圣7 5 0 9 5 0 r a m ，除生产重轨外，还可生产大型槽钢、角钢、方圆钢、管坯、钢桩 和其他大型异型钢型。重轨是轨梁车间生产工艺最复杂的产品，在车间总产量中 所占比重最大，工艺流程为：坯料一加热一除鳞轧制热锯打印弯辊冷却一辊矫直 ( 冷锯) 检查探伤端头加工检查截面一取样检验一轨端淬火淬火检查取样端头 淬火轨全长淬火淬火检查一压力矫直检查弯曲取样全长淬火轨。 1 ) 坯料选择。坯料化学成分必须合乎要求，不允许存在内部或表面缺陷。坯 料断面一般为矩形，且有较大高宽比，使轨底得到充分的剧烈变形，有利于改变 铸造组织和晶粒位向分布，提高重轨质量。坯料长度应是轧后轧件长度定尺的整 数倍，通常选用4 6 个定尺( 按1 2 5 m 计算) 。 2 ) 加热。因重轨含碳量较高( 0 6 7 一0 8 0 ，为防止过热、过烧和脱碳，加 热温度应低于1 2 0 0 。重轨的终轧温度一般在8 5 0 。9 0 0 之间，若终轧温度大于 9 5 0 ，成品内晶粒粗大，冲击韧性下降，若小于8 5 0 ，重轨内部易产生裂纹等 缺陷，因此开轧温度在l1 4 0 11 8 0 之间为宜。加热时间取决于钢坯尺寸及入炉温 度和冷料的比例。 3 ) 轧制。轧制方法有常规轧法、多辊轧法和万能轧法，重轨轧制法如图2 4 所示。常规轧法是传统轧法，按孔型配置方式不同分为直轧法和斜轧法两种。一 般在三辊水平轧机上采用箱形一帽形轨j f t i 型系统轧制。在咬入条件和电机能力 允许条件下，帽形孔给予较大的切入量，使轨底得到充分加工，原垂直于轨底的 结晶组织被切分和轧平后加强了轨底强度。轨形孔采用斜配置方式时，与直配置 相比减少了孔型切槽深度，增大了轧辊强度，有利于加大变形量，而且还减少了 辊径差和轧辊重车量，对增大轨底侧压量、提高孔型使用寿命均有利。目前多采 用斜轧法。多辊轧法的轧机由一对水平辊及一对立辊所组成，其轧辊轴线在同一 垂直平面内，立辊可为主动或被动，但须保证辊面线速度与水平辊一致。在四辊 9 重庆大学硕士学位论文 轧机后，紧跟一架二辊水平轧机，作为辅助成型机架，主辅机架均为可逆式，在 轧制中形成连轧。由于不存在闭口槽，且上下对称轧制，故产品尺寸精确，内部 残余应力小，轨底加工好，轧辊磨损、电能消耗均减少，调整灵活，与常规轧法 相比可提高产量1 8 倍，作业率提高1 0 ，轧辊消耗降低2 0 ，因此，这种方法得 到很快推广。 万能轧法是利用万能轧机轧制重轨，它也是上面介绍的一种多辊轧机，在提 高经济效益和改善重轨质量方面都是首屈一指的。从2 l 世纪初出现到现在，世界 上已有5 0 余套万能式轧机，有些国家正在把一些横列式轨梁轧机改造成万能轧机。 万能式轧机的优点剧j ： a 用四个轧辊所组成的复杂断面孔型，使断面上各部分可同时受到压缩，变 形均匀，断面周围速度差小，轧件内应力小。 b 可用直径较小的轧辊轧出腿部较高、腰部较宽的工字钢，并可使其两腿内 侧无斜度，这在普通轨梁轧机上难以做到。 c 腿部和腰部压缩量可单独进行调整，简化了轧制时轧机的调整。万能式重 轨轧机的组成一般由一架可逆开坯机，一架万能式精轧机和若干中间机组组成， 每一中间机组又由一架万能式轧机和一架二辊辅助机座( 轧边机) 组成。万能式 重轨轧机( 包括重轨轧机) 有二列式、三列式或四列式纵列布置，近年也出现了 多列连续布置的形式【lo 】。 髓镶口oe o 舻 | l | 扭删帮试群砜 ( a ) 斜轧法：c o ) 直轧法：( c ) 万能轧法 图2 4 重轨轧制方法 f i g 2 4t h em e t h o do fh e a v yr a i lr o l l i n g 1 0 2 重轨生产工艺及万能线自动控制系统构成 4 ) 精整 a 冷却 重轨轧后冷却分为自然冷却和缓冷两种。当炼钢厂采用无氢冶炼 时，重轨轧后可直接在冷床上冷却。其他情况下，为去除重轨中的氢及防止冷却 过程氢析出造成白点缺陷，须将重轨放在缓冷坑中冷却，或在保温炉中进行保温， 以使氢从重轨中缓慢析出。采用自然冷却时，为使轧件冷却均匀，防止由于重轨 头和底温度不均匀产生收缩弯曲影响矫直质量，重轨在冷床上采用成组紧靠卧放 和移送的方法，使相邻重轨轨头和轨底接触，改善冷却条件。由于轨底底面任何 轻微刮伤都会降低重轨的疲劳强度和冲击韧性，所以在用磁力吊车将重轨装入缓 冷坑之前或送入矫直机之前的运送过程中，重轨一般不允许直立。当冷却至2 0 0 以下时，方可吊下冷床进行矫直。采用缓冷工艺时，重轨在冷床上冷却至磁性转 变点温度以下便由侧卧翻正，用磁力吊车成排吊往缓冷坑或在等温炉中保温。使 用缓冷坑的优点是不需热源，设备简单，但是装坑时间长，各层温度不一致，操 作不方便，生产效率不高。等温处理方法是将4 0 0 。5 5 0 的重轨装入链式等温处理 炉，在5 5 0 6 0 0 下保温2 3 h ，这种方法的优点是产量高，易于机械化操作，但是 设备费用大，温度不易控制。目前，由于采用氧气顶吹转炉冶炼法或真空脱气法 等低氢冶炼法冶炼重轨钢。可消除钢中氢气，避免白点生成，有的企业已取消了 缓冷工序。 b 热处理目前世界各主要重轨生产国都在生产热处理重轨。热处理有多 种形式，国内使用较多的是轨端淬火和重轨全长淬火，利用轧后余热淬火工艺在 国外已得到广泛应用。 c 矫直冷却后重轨在5 9 辊、辊距为9 0 0 1 4 0 0 m m 的辊式矫直机上矫直。 为防止轨内产生较大残余应力，只允许矫直一次。由于重轨弯曲主要是在垂直方 向，故大多采用立矫方法，残余弯曲用压力辊给予补矫。 d 轨端加工轨端加工包括铣头、钻眼等工序，连同轨端高频淬火组成专 用加工线。有的生产线采用高效能联合加工机床，用冷锯代替铣床，可同时进行 锯头、钻孔和倒棱作业【1 2 1 1 1 3 1 。 2 2 重轨万能线自动控制系统主要构成 2 2 1 西门子p l c 系统介绍 p l c 控制技术是- i - j 集计算机、自动控制及通信技术于一体的技术。p l c 控 制技术的最终目标是应用于实践，提高生产力