现代化棒线生产线炉前上料系统设计优化
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1、概述
自九十年代以来，国内钢铁企业竞相从国外引进现代化的高速线材（或棒材）生产线，这种生产线的特点是投资规模小、建设周期短、见效快。当时棒线材市场正处于黄金时期，产品销路非常好，一些对市场敏锐的民营企业如张家港沙钢集团，果断建成了四五条高速线材生产线，在短时间内迅速取得良好的经济效益。进入二零一零年代，在钢铁业已处于全行业产能过剩、国家基本上不再批建新项目情况下，唯有棒线材市场依然热度不减，不少企业仍在新建或改建棒线生产线。究其原因，主要是高速公路、房地产业一直处于高速发展状态，尤其近几年我国高铁行业的异军突起，使得市场对棒线的需求仍然非常强劲。
那么，本文将要讨论的上料系统设计与棒线生产线的建设及市场情况有何关系呢？大家知道，现代化的棒线生产线具备很高的自动化程度，整条作业线从头至尾是全连续自动化生产的，生产线的任何一个环节出了故障，都会造成生产线的停顿，给企业造成经济损失。而本文所指上料系统正是轧机作业线的起始段，从上料台架到加热炉之间的一系列钢坯输送设备。如果上料系统这个环节工作很好，就不需要在本文讨论了，在国内现有的数量巨大的棒线生产线中，恰恰上料系统是一个故障点，尤其上料台架处经常出事故，造成生产停顿。因此，上料系统的改进和完善已成为急待解决的带有普遍性的问题。笔者写作此文的目的便是分析现有上料系统的不足和出现故障的原因，并提出优化的设计方案，为钢铁企业在新建生产线或改造旧有设备时提供有益的参考。
2、炉前上料系统的组成
棒线轧机采用的钢坯断面一般在120-200方，长度在6-16m,与轧机匹配的步进式加热炉一般都采用炉内悬臂辊道以实现侧进侧出，采用这种方式的优点是便于实现坯料在炉内的位置跟踪及自动控制。显然，根据轧制节奏要求，炉子每出一根钢必须同时装入一根钢，并且要在炉内装料辊道上精确定位，整个装料过程需要一系列设备来完成，我们将这些设备称之为上料系统。
上料系统设备由上料台架、装料辊道、称重装置、剔除装置及光电检测装置几部分组成。钢坯首先由磁盘吊放到上料台架上，然后再输送到装料辊道上，经称重、测长后送入炉内并准确停位，然后由步进梁自动将其输送到炉内出料辊道上，再送入轧机，整个过程自动完成。
3、国内现有棒线厂中上料系统设备存在的问题
从国内现有上料系统设备的使用情况看，钢坯在辊道上的输送、测长、称重、定位等环节都控制得很好，问题主要出在上料台架处，主要是不能每次一根的把钢坯从台架上平稳的取放到装料辊道上。
现有上料系统中，大部分上料台架采用的都是传统的链式输送台架，台架通过电机驱动链条，由链条上的拨爪带动钢坯前进，坯料到达前端后沿斜坡滑道直接滑落到装料辊道上。从链式台架的实际使用情况看，至少存在两个问题：一是钢坯滑落时对辊道冲击较大，二是链条前进时行程不易控制，有时两根料一起滑到辊道上。在对国内一些棒线厂的考察中发现，坯料从装料台架前端沿斜坡滑落时，由于冲击较大，曾发生过辊轴断裂事故。为确保产量，缩短维修时间，只好整套辊子一起换掉。这不仅影响到正常生产也增加了备件的成本。现在，不少厂家开始认识到如果不解决上料系统现有的问题，它有可能成为影响整条生产线的“瓶颈”，因此迫切要求对现有上料系统进行改进。
4、一种新型的上料系统
从链式上料台架所暴露的问题中可以看出，要彻底解决冲击问题就不能简单地使用滑道，而必须设计一套专用的取料机，它可以实现升、降、进、退四个动作，而且最好能变速以实现轻托轻放。但这有个前提，那就是坯料必须在到达台架末端后能精确定位，以便于取料机能准确找到钢坯位置。显然，链式台架不能满足这一要求。那么应该采用什么型式的装料台架呢？
下面介绍一种新型的上料系统，这种上料系统已经在国内某高速线材厂投入使用，使用效果比较好。它最成功之处就是将传统的链式上料台架改为步进式上料台架，并增加了专门的取料机，即解决了从上料台架上取钢的问题，又避免了对辊道的冲击。
（1）新型上料系统的设备构成及工艺流程简介
坯料规格：连铸坯150x150x12000mm，单重2040kg。
整个上料系统设备构成有：步进式装料台架，装料止挡，装料辊道，取料机，剔除台架，升降挡板（位于装料炉门前）以及秤重、测长和定位用检测元件等。
工艺过程如下：钢坯由磁盘吊吊至装料台架的固定梁上，然后由步进梁向前输送，当钢坯到达台架最前端的止挡处时（此时止挡处于高位），由止挡强制对齐，当最前面一根钢坯在止挡处被放到固定梁上时触到行程开关，表明坯料已到达指定位置，此时步进梁停止，止挡下降，取料机前进待托起钢坯后上升，然后后退将钢坯放至装料辊道上，钢坯经测长和秤重后送往炉前，如此时允许装料，则炉门前升降挡板下降、装料炉门升起，钢坯在光电开关和测速器的控制下准确地停位于炉内装料悬臂辊道上，再由步进梁将坯料向出料端方向输送，当接到轧机要料信号后，前面一根坯料被步进梁托放到出料悬臂辊道上，然后被送入轧机。
如发现钢坯不合格，则由取料机直接将其从装料台架上托放至剔除台架上。
由于是人工操作磁盘吊将钢坯放到装料台架上，坯料的初始位置及两批料之间的间隔都是无法保证的，因此无法通过电气控制实现坯料在台架前端的自动定位。为解决这一问题，设计上采用步进式装料台架和装料止挡来完成坯料的定位，实际使用效果也不错。由于解决了坯料的定位问题，取料机就能容易地把坯料托放到辊道上，彻底解决了坯料对辊道的冲击问题。
现将这种新型上料系统的主要单体设备介绍如下。
（2）步进式装料台架
该台架由三根步进梁和四根固定梁组成，步进梁的动作由偏心轮传动机构来完成。传动机构采用电机驱动，电机通过减速机传至前后两根同步轴，每个同步轴上固定有三个偏心轮，步进梁通过轴承座支撑于偏心轮上，当偏心轮旋转时，带动步进梁运动。由于同步轴的作用，三根步进梁同步运行。
偏心轮的偏心距为50，偏心轮圆心的运动轨迹（即步进梁的运动轨迹）是以同步轴回转中心为圆心、偏心距为半径的圆，可见步进梁运动轨迹是一个圆，其水平行程是偏心距的两倍。在起始位置，步进梁与固定梁处于同一高度，当偏心轮沿逆时针方向转动一周时，步进梁在运行上半圆时将钢坯向前输送一个步距，当运行完一周后又回到起始位置。
为了减小步进梁托起和放下钢坯时对固定梁的冲击，采用直流电机驱动，可以调速，以实现轻托轻放。步进梁的行程和速度由联接于同步轴上的光电编码器控制。
在每个偏心轮处都有两个平衡锤固定于同步轴上，其目的主要是抵消一部分负载，降低电机的启动电流。
（3）装料止挡（共三个）
在每个步进梁的头部（与辊道衔接处）都设一止挡，止挡为摇臂结构，通过转轴固定于固定梁上，油缸驱动摇臂绕转轴摆动以实现止挡的升降运动。油缸行程由两个接近开关控制。平时止挡处于上位只有当取料机取料时止挡才处于下位。装料止挡的作用在于迫使钢坯在止挡处对齐。
（4）取料机
在步进式装料台架的对面一侧，设有两台取料机。取料机由托杆、移动小车、固定的V型轨道三部分组成，托杆固定于小车上，随小车一起运动，同时托杆本身在油缸驱动下可以升降（绕轴心摆动）以便托起钢坯。小车通过下部水平布置的四只轮子固定于V型滑道内，其前进后退动作由液压缸驱动。
取料机的前进后退行程由内置于油缸里的位移传感器控制，托杆的升降行程由两个接近开关控制。
两台取料机一起工作，液压同步。
为保证托杆每次只能托到一根钢坯，托杆头部做成L形状，其水平段长度只能容纳一根钢坯。只有在接触到钢坯之后才将其托起。
取料机可将钢坯托放至辊道或剔除台架上，如有必要也可手动操作将钢坯在辊道上翻转90度。
上面介绍了一种新型上料系统的设备特点和工艺过程，可以看出，与国内普遍采用的传统上料系统相比，它在设计思想上更趋成熟、完善，其关键设备――步进台架和取料机的设计也很有特点。根据对国内众多厂家的考察结果，这种上料系统的使用情况比较理想，它完全可以实现全自动连续操作，不需要操作人员干预，且辊道没有冲击和噪音。所以，从总体上说，它的设计是成功的，既突出了技术的先进性，也具有很强的实用性。当然，这种上料系统也存在问题，我们在此基础上做出进一步改进，就能使上料系统的设计方案趋于完善和优化。
那么新型上料系统存在那些问题呢？主要问题就是装料止挡头部容易损坏。由于止挡在对齐钢坯时承受的是所有坯料在步进梁上滑动而产生的摩擦阻力，当止挡本身强度不够时很容易损坏。客观情况是，止挡头部所处的位置有装料台架、控制止挡升降的油缸、装料辊道等，取料机的托杆在托料时也横穿辊道经过此处，所以这里空间很挤，在设计时受到很大限制。但无论如何，在新设计中应想法改善止挡的强度和抗冲击能力。
希望本文能起到抛砖引玉的作用，引起工程技术人员和设计人员的注意，使上料系统现存的问题尽快得到圆满解决，为用户提供完善、先进、成熟、可靠的设计方案。