1 概述

冶金企業(yè)中熱軋-冷軋之間、軋線與各自鋼卷庫之間的鋼卷運輸技術(shù)屬于冶金流程工程學(xué)中的界面技術(shù)。冶金界面技術(shù)是指鋼鐵制造流程中相關(guān)制造單元（工序）之間的銜接-匹配、協(xié)調(diào)-緩沖技術(shù)以及相應(yīng)的裝置、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)控程序等。界面技術(shù)應(yīng)體現(xiàn)動態(tài)-有序、協(xié)同-連續(xù)的運行特征，既有“硬件”，又有“軟件”。在鋼鐵制造流程中界面技術(shù)廣泛存在，其本質(zhì)是要使制造流程內(nèi)所有節(jié)點-節(jié)點之間（的非線性項）形成集成協(xié)同運行的“耗散結(jié)構(gòu)”，涌現(xiàn)出**功能和效率，并實現(xiàn)“耗散結(jié)構(gòu)”中“流”的“耗散過程”優(yōu)化[1,2]。

鋼鐵企業(yè)內(nèi)部物流運輸智能化的總體原則是：構(gòu)建整體協(xié)同運行的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，多工序/裝置之間的銜接匹配、動態(tài)-有序、協(xié)同-連續(xù)、穩(wěn)定-緊湊。重在節(jié)點間相互關(guān)系、距離、時間、路線等優(yōu)化，動態(tài)運行，協(xié)同運行[1,2]。

適應(yīng)這一要求，近 20 年來冶金企業(yè)內(nèi)部的鋼卷運輸、尤其是新建熱軋工廠的鋼卷運輸已經(jīng)從步進梁、鏈?zhǔn)竭\輸?shù)葌鹘y(tǒng)方案過渡到托盤式運輸?shù)刃滦褪健?007 年世界首例雙層式托盤運輸系統(tǒng)投入使用，2008年世界首例雙排式托盤運輸系統(tǒng)投入使用，2010 年出現(xiàn)了世界首臺采用非接觸式供電技術(shù)的超長距離重載運輸車。2017 年前后世界首套超級電容供電式鋼卷運輸車開始工業(yè)應(yīng)用。近年來，滑觸線式鋼卷運輸技術(shù)重新開始得到應(yīng)用，一些冷軋車間也開始采用新型鋼卷運輸技術(shù)替代傳統(tǒng)的步進梁、帶拖鏈的運卷車、天車、汽車、叉車、電動平車等運輸方式[3-7]。界面裝備技術(shù)自身的進步為推動冶金行業(yè)智能制造及“黑燈倉庫”建設(shè)提供了底層解決方案。

這些變化的趨勢是：熱軋-冷軋界面的運輸技術(shù)從國外引進到自主集成再**、從機械搬運式向軌道運輸式、從傳統(tǒng)的工業(yè)控制到充分利用大數(shù)據(jù)等人工智能技術(shù)的轉(zhuǎn)變[3]。

2 熱軋-冷軋界面裝備技術(shù)**

自 2005 年開始，隨著中國鋼鐵業(yè)的迅速騰飛，界面裝備技術(shù)也經(jīng)歷了多次**。

2.1 托盤式鋼卷運輸裝備

主要分為雙層式和雙排式兩種，分別如圖 1、圖 2 所示。特點是鋼卷放在托盤上，托盤在輥道組上行走。雙層式托盤技術(shù)為德國西馬克公司開創(chuàng)，2007年在馬鋼 2250mm 熱軋廠**實施了該技術(shù)。首鋼公司于 2008年在京唐 2250mm 熱軋廠**實施了雙排式托盤運輸技術(shù)，雙排式托盤運輸技術(shù)為首鋼集團**產(chǎn)品，獲得 2016 年中國冶金科學(xué)技術(shù)獎。

雙排式托盤運輸技術(shù)具有明顯優(yōu)勢，既解決了節(jié)奏問題，也克服了雙層式技術(shù)設(shè)備基礎(chǔ)深、下層輥道安裝及檢修困難的問題，節(jié)省土建投資。因此自 2010 年前后起，國內(nèi)外新建熱軋帶鋼廠基本都采用了雙排式托盤運輸方案。2013 年，韓國 POSCO 公司光陽 4 號熱軋廠也從中國引進了該項技術(shù)。但該技術(shù)也存在與道路交叉不便、施工及調(diào)試工作量大、設(shè)備維護量大等缺陷。

2.2 非接觸式供電鋼卷運輸裝備

該技術(shù)產(chǎn)生于 2010 年，是首鋼工程公司為首鋼冷軋硅鋼基地專門打造的**產(chǎn)品，較好滿足了生產(chǎn)實際需要。其特點是采用非接觸式供電技術(shù)，車輛在軌道上運行，可滿足超長距離、重載情況下的過馬路、過車間的運輸需求。但供電設(shè)備成本高、運輸能力有限，對電纜鋪設(shè)及使用環(huán)境有特殊要求，只適應(yīng)于環(huán)境清潔的車間，不適應(yīng)帶有轉(zhuǎn)向、橫移、升降等復(fù)雜路由的情況，也無法滿足熱軋廠連續(xù)運輸?shù)囊?，如圖 3所示。

2.3 滑觸線式供電鋼卷運輸裝備（含子母車）

該方式為軌道式運輸，國內(nèi)*早于 20 世紀(jì) 80 年代應(yīng)用在寶鋼 2050mm 熱軋生產(chǎn)線上，由德國 SIEMAG公司引進。采用的是側(cè)面接觸式滑觸線供電方式，如圖 4 所示。該方式在實際運行中暴露出一些問題[8]，一直沒有得到廣泛應(yīng)用。

PRIMETALS（普瑞特）公司在 2017 前后為美國某鋼廠提供了一套采用垂直接觸式滑觸線供電的鋼卷運輸系統(tǒng)，如圖 5 所示。近些年，也有中國公司也開始提供類似技術(shù)。

由于其供電方式有物理接觸和磨損，這種垂直接觸供電方式在長距離運輸熱軋鋼卷時滑觸線的可靠性尚有待驗證。供電系統(tǒng)維護工作量較大，在露天運輸、改變運輸高度、轉(zhuǎn)向運輸及與馬路平面交叉時均需要特殊處理。

近幾年，一種被稱為子母車式的鋼卷運輸車也開始在冷軋車間得到應(yīng)用。子母車由子車車體和母車車體兩部分構(gòu)成，母車和子車可分開各自單獨運行，子車可以回到到母車上和母車一起在主軌道方向運行，子車接送卷時脫離開母車，運行方向與主軌道方向垂直，在子車車體和母車車體上方設(shè)置有緩存鞍座，這樣母車和子車配合靈活，以實現(xiàn)鋼卷運輸及直角方向接送卷的功能。母車采用滑觸線式供電，子車采用電纜卷筒由母車供電，如圖 6 所示。

這種運輸車可部分替代天車，實現(xiàn)冷軋成品庫庫內(nèi)鋼卷的輸送及倒卷，在熱軋產(chǎn)線上尚無應(yīng)用業(yè)績。其設(shè)備基礎(chǔ)較深，子車行走距離有限，車間有縱橫交錯的基礎(chǔ)坑。

2.4 超級電容器供電式鋼卷運輸裝備

該技術(shù)*早產(chǎn)生于 2014 年，是首鋼工程公司結(jié)合雙排式托盤運輸及非接觸式供電運輸技術(shù)的各自優(yōu)點，獨立開發(fā)出的**產(chǎn)品，已獲得歐洲、美國、韓國等國際**授權(quán)，較好解決了生產(chǎn)實際需要。其特點是采用車載超級電容器供電，車輛在軌道上運行，運行途中自動充電，可滿足各種運輸需求。

2017 年，該運輸技術(shù)**在某 2050 熱軋生產(chǎn)線投入使用，已穩(wěn)定運行了 6 年，不僅工程總體投資節(jié)省了 1/3，而且實現(xiàn)了運輸能耗是托盤式運輸?shù)娜种?，顯著優(yōu)于其它傳統(tǒng)鋼卷運輸方式。單臺車出現(xiàn)故障時將其吊離運輸線即可，運輸系統(tǒng)可繼續(xù)工作，保證了主軋線的生產(chǎn)節(jié)奏，同時設(shè)備的運行維護費用也大大降低，如圖 7 所示。

該技術(shù)的物質(zhì)流、信息流順暢、簡潔，物理信息系統(tǒng)合理，完全符合和滿足冶金流程工程學(xué)界面技術(shù)對“銜接-匹配、協(xié)調(diào)-緩沖、穩(wěn)定”的要求，使相應(yīng)工序的運行特征可以協(xié)調(diào)、耦合到生產(chǎn)流程的時間軸上，實現(xiàn)準(zhǔn)連續(xù)和連續(xù)的時鐘推進計劃。優(yōu)化了鋼卷庫生產(chǎn)工藝，促進了智能化庫管的實現(xiàn)。“新一代智能化多功能鋼卷運輸系統(tǒng)成功投運”獲評 2019 年世界鋼鐵工業(yè)十大技術(shù)要聞第四位。超級電容器供電的鋼卷運輸技術(shù)獲 2021 年冶金科學(xué)技術(shù)獎，2022 年冶金行業(yè)優(yōu)良設(shè)計成果一等獎。

2.5 AGV 鋼卷運輸車

AGV 是指自動導(dǎo)向運輸車。特點是輪式運輸，多采用化學(xué)電池供電，利用激光或其他導(dǎo)引方式，自主運行，工藝靈活。但需要天車上下卷、專門的道路、充電時間長、電池壽命較短，能耗大、日常維修保養(yǎng)及人工費用較貴，無法滿足熱軋線連續(xù)生產(chǎn)的節(jié)奏要求，如圖 8 示。

2.6 新型熱軋-冷軋界面裝備技術(shù)對比

目前 3 種*常用的熱軋-冷軋界面新裝備技術(shù)對比見表 1。

從上述對比可知，超級電容器供電式鋼卷運輸技術(shù)在已有技術(shù)里具有突出優(yōu)勢，因此也得到越來越多的應(yīng)用及世界范圍內(nèi)的高度關(guān)注。

3 熱軋-冷軋界面裝備新技術(shù)的**工程應(yīng)用

3.1 馬鋼 2250mm 熱軋鋼卷運輸系統(tǒng)馬鋼 2250mm 熱軋帶鋼生產(chǎn)線于 2007 年投入正式運行。這是世界首例雙層式托盤鋼卷運輸方式，開創(chuàng)了托盤式運輸在熱軋廠鋼卷運輸上的先河。

圖 9 為其工藝平面布置圖。運輸系統(tǒng)從卷取機處直接接卷，將鋼卷運往兩個熱軋成品庫，及后續(xù)冷軋廠的原料庫。邯鋼、本鋼等公司后續(xù)建設(shè)的熱軋線也采用了這項技術(shù)。

3.2 首鋼京唐 2250mm 熱軋鋼卷運輸系統(tǒng)

首鋼京唐 2250mm 熱軋帶鋼生產(chǎn)線于 2008 年正式投入運行，這是世界首例雙排式托盤鋼卷運輸方式。圖 10 為其工藝平面布置圖。運輸系統(tǒng)從卷取機處直接接卷，將鋼卷運往四個熱軋成品庫，并直接將鋼卷送往后續(xù)冷軋廠的原料庫。

在此之后，世界范圍內(nèi)新建或改造的熱軋線、包括韓國 POSCO 光陽 4 號熱軋廠也基本都采用了這種技術(shù)。

3.3 首鋼智新冷軋硅鋼鋼卷運輸系統(tǒng)

2010 年，世界首例采用非接觸式供電技術(shù)的鋼卷運輸系統(tǒng)在首鋼遷安硅鋼項目中投入使用，已成功穩(wěn)定運行 10 多年。

圖 11 為其工藝平面布置圖。運輸系統(tǒng)有 3 條運輸線路，其中*長的一條線路橫穿 2 條道路、連接 8 個車間，根據(jù)工藝需要將鋼卷運往不同的車間，并可實現(xiàn)鋼卷在運輸途中翻卷的功能。

但由于其自身對環(huán)境要求苛刻、施工難度大、供電系統(tǒng)價格昂貴等原因，這項技術(shù)只適用于特殊的運輸場景，沒有得到大規(guī)模應(yīng)用。

3.4 山鋼日照 2050mm 熱軋鋼卷運輸系統(tǒng)

山鋼日照 2050mm 熱軋帶鋼生產(chǎn)線于 2017 年 9 月 30 日熱試成功，11 月底投入自動化運行。這是世界首例采用超級電容器供電的自行駛鋼卷車式的運輸系統(tǒng)，開創(chuàng)了新能源智能化鋼卷車式運輸技術(shù)在常規(guī)熱連軋鋼卷運輸上的先河。圖 12 為其工藝平面布置圖。

運輸系統(tǒng)直接從卷取機接卷，將鋼卷運往 3 個熱軋成品庫，并可直接向平整機組供料，還可以通過馬路將鋼卷運往冷軋廠的 2 個原料庫。整個運輸系統(tǒng)的自動化系統(tǒng)與鋼卷庫的自動化庫管系統(tǒng)無縫銜接，實現(xiàn)了智能化無人庫管，大大降低天車負(fù)荷及庫管系統(tǒng)的建設(shè)難度。

需要特別說明的是：在 5 個鋼卷庫內(nèi)，鋼卷運輸系統(tǒng)除了 3 個回轉(zhuǎn)臺以外沒有其他地面設(shè)備，也沒有電纜溝，只有鋪設(shè)于地面的鋼軌；在設(shè)定模式下該運輸系統(tǒng)還可以實現(xiàn)庫內(nèi)的倒卷。這是其它運輸技術(shù)很難實現(xiàn)的特點。

由于本次應(yīng)用中鋼卷運輸距離較長，采用該技術(shù)設(shè)備基礎(chǔ)簡單，因此節(jié)省了大量的土建投資，使得該運輸系統(tǒng)的總體工程投資節(jié)省了約三分之一，實際生產(chǎn)能耗也比托盤式運輸方式明顯下降。之后，已有多個熱軋和冷軋項目采用了該新型運輸技術(shù)。

3.5 首鋼京唐 MCCR 熱軋鋼卷運輸系統(tǒng)

首鋼京唐 MCCR 熱軋帶鋼生產(chǎn)線于 2019 年 6 月投入運行。這是新能源智能化鋼卷車式運輸技術(shù)在無頭軋制生產(chǎn)線上的**應(yīng)用。圖 13 為其工藝平面布置圖。

運輸系統(tǒng)直接從卷取機接卷，將鋼卷運往 3 個熱軋成品庫。在 3 個成品庫內(nèi)，運輸系統(tǒng)只有 1 個回轉(zhuǎn)臺，沒有其他地面設(shè)備。運輸系統(tǒng)的自動化系統(tǒng)與鋼卷庫的自動化庫管系統(tǒng)無縫銜接，已實現(xiàn)了黑燈倉庫、無人庫管。

目前，已有另一條無頭軋制生產(chǎn)線采用了這項技術(shù)，項目正在建設(shè)中。

3.6 首鋼京唐高強鋼鍍鋅線智能鋼卷運輸系統(tǒng)

該項目于2019年10月投入無人化運行。這是超級電容器供電的鋼卷運輸車技術(shù)在冷軋車間的**應(yīng)用。采用該技術(shù)后，不僅取消了汽車運輸，而且實現(xiàn)了智能運輸和智能庫管，通過與無人天車的配合實現(xiàn)了智能倉儲的目標(biāo)。特別需要說明的是，在該項目中**次真正實現(xiàn)了鋼卷運輸與廠區(qū)道路的平面交叉運行，通過智能交管系統(tǒng)實現(xiàn)了鋼卷運輸與其他車輛、人員的智能交替通行。圖 14 為其實際應(yīng)用場景。

現(xiàn)在越來越多的冷軋車間已經(jīng)或準(zhǔn)備采用該技術(shù)。其中，首鋼冷軋公司的數(shù)字化轉(zhuǎn)型（燈塔工廠）項目已投用 4 臺以這種運輸車為核心設(shè)備的智能鋼卷運輸系統(tǒng)，實現(xiàn)了鋼卷的地面運輸與天車的“天地協(xié)同”。與項目投用前相比，平均每卷減少天車運輸距離 200m，倒垛率減少 30%~50%，有效減小了現(xiàn)有天車的運行壓力和中間庫叉車、汽車倒運量，既提高了運輸效率，又降低了安全風(fēng)險，并且更加環(huán)保節(jié)能。圖 15 為其應(yīng)用場景。

4 結(jié)論與展望

（1）建設(shè)智能化冶金工廠的一個必要條件是實現(xiàn)冶金界面技術(shù)的智能化。我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、采用無線通訊和超級電容供電的自行駛電容車是目前極少的可以實現(xiàn)熱軋-冷軋之間智能運輸?shù)姆绞健?

（2）自行駛電容車運輸技術(shù)對企業(yè)內(nèi)部的總圖運輸布置帶來了新的變化，節(jié)省工程投資和生產(chǎn)費用，施工簡單，縮短施工工期，平面交叉運輸方便，物流更加合理。

（3）與輪胎式運輸?shù)?AGV 相比，采用軌道運輸?shù)?RGV 可大大減少運輸能耗，綠色、低碳、節(jié)能，智能化實現(xiàn)手段簡單。

（4）鋼卷運輸發(fā)展趨勢是：運輸技術(shù)從引進國外技術(shù)到自主集成再**，從機械搬運式向軌道運輸式，從傳統(tǒng)的工業(yè)控制到充分利用無線通訊、大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)。

20 年來，在我國冶金科技工作者的不斷努力下，伴隨著中國鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，冶金企業(yè)中熱軋-冷軋之間、軋線與各自鋼卷庫之間的鋼卷運輸裝備技術(shù)也取得了長足進步，已達到****水平。盡管熱軋-冷軋之間的界面技術(shù)取得了成果，但它只是鋼鐵企業(yè)眾多“界面技術(shù)”中的一小部分。正如殷瑞鈺院士指出的那樣：“長期以來，對單元裝置的自動化、無人化、智能化做了大量的研發(fā)，并較好地應(yīng)用于生產(chǎn)制造過程，解決了局部的問題，然而這只是實現(xiàn)制造流程全盤智能化中的一部分。界面技術(shù)的物理系統(tǒng)優(yōu)化和數(shù)字化建模也是流程制造業(yè)智能化的核心技術(shù)之一，至今研究較少。”[2]

目前，我國多家單位已經(jīng)在從事鐵-鋼界面技術(shù)、鋼—鑄—軋界面技術(shù)等方向的研究。可以預(yù)見，在不長的時間內(nèi)我國冶金智能化界面技術(shù)及新型的智能裝備技術(shù)將會產(chǎn)生，并將帶來冶金企業(yè)內(nèi)部界面技術(shù)及總圖布置的變化。