热轧-冷轧界面装备技术的**与应用

1 概述

冶金企业中热轧-冷轧之间、轧线与各自钢卷库之间的钢卷运输技术属于冶金流程工程学中的界面技术。冶金界面技术是指钢铁制造流程中相关制造单元（工序）之间的衔接-匹配、协调-缓冲技术以及相应的装置、网络和调控程序等。界面技术应体现动态-有序、协同-连续的运行特征，既有“硬件”，又有“软件”。在钢铁制造流程中界面技术广泛存在，其本质是要使制造流程内所有节点-节点之间（的非线性项）形成集成协同运行的“耗散结构”，涌现出**功能和效率，并实现“耗散结构”中“流”的“耗散过程”优化[1,2]。

钢铁企业内部物流运输智能化的总体原则是：构建整体协同运行的网络结构，多工序/装置之间的衔接匹配、动态-有序、协同-连续、稳定-紧凑。重在节点间相互关系、距离、时间、路线等优化，动态运行，协同运行[1,2]。

适应这一要求，近 20 年来冶金企业内部的钢卷运输、尤其是新建热轧工厂的钢卷运输已经从步进梁、链式运输等传统方案过渡到托盘式运输等新型式。2007 年世界首例双层式托盘运输系统投入使用，2008年世界首例双排式托盘运输系统投入使用，2010 年出现了世界首台采用非接触式供电技术的超长距离重载运输车。2017 年前后世界首套超级电容供电式钢卷运输车开始工业应用。近年来，滑触线式钢卷运输技术重新开始得到应用，一些冷轧车间也开始采用新型钢卷运输技术替代传统的步进梁、带拖链的运卷车、天车、汽车、叉车、电动平车等运输方式[3-7]。界面装备技术自身的进步为推动冶金行业智能制造及“黑灯仓库”建设提供了底层解决方案。

这些变化的趋势是：热轧-冷轧界面的运输技术从国外引进到自主集成再**、从机械搬运式向轨道运输式、从传统的工业控制到充分利用大数据等人工智能技术的转变[3]。

2 热轧-冷轧界面装备技术**

自 2005 年开始，随着中国钢铁业的迅速腾飞，界面装备技术也经历了多次**。

2.1 托盘式钢卷运输装备

主要分为双层式和双排式两种，分别如图 1、图 2 所示。特点是钢卷放在托盘上，托盘在辊道组上行走。双层式托盘技术为德国西马克公司开创，2007年在马钢 2250mm 热轧厂**实施了该技术。首钢公司于 2008年在京唐 2250mm 热轧厂**实施了双排式托盘运输技术，双排式托盘运输技术为首钢集团**产品，获得 2016 年中国冶金科学技术奖。

双排式托盘运输技术具有明显优势，既解决了节奏问题，也克服了双层式技术设备基础深、下层辊道安装及检修困难的问题，节省土建投资。因此自 2010 年前后起，国内外新建热轧带钢厂基本都采用了双排式托盘运输方案。2013 年，韩国 POSCO 公司光阳 4 号热轧厂也从中国引进了该项技术。但该技术也存在与道路交叉不便、施工及调试工作量大、设备维护量大等缺陷。

2.2 非接触式供电钢卷运输装备

该技术产生于 2010 年，是首钢工程公司为首钢冷轧硅钢基地专门打造的**产品，较好满足了生产实际需要。其特点是采用非接触式供电技术，车辆在轨道上运行，可满足超长距离、重载情况下的过马路、过车间的运输需求。但供电设备成本高、运输能力有限，对电缆铺设及使用环境有特殊要求，只适应于环境清洁的车间，不适应带有转向、横移、升降等复杂路由的情况，也无法满足热轧厂连续运输的要求，如图 3所示。

2.3 滑触线式供电钢卷运输装备（含子母车）

该方式为轨道式运输，国内*早于 20 世纪 80 年代应用在宝钢 2050mm 热轧生产线上，由德国 SIEMAG公司引进。采用的是侧面接触式滑触线供电方式，如图 4 所示。该方式在实际运行中暴露出一些问题[8]，一直没有得到广泛应用。

PRIMETALS（普瑞特）公司在 2017 前后为美国某钢厂提供了一套采用垂直接触式滑触线供电的钢卷运输系统，如图 5 所示。近些年，也有中国公司也开始提供类似技术。

由于其供电方式有物理接触和磨损，这种垂直接触供电方式在长距离运输热轧钢卷时滑触线的可靠性尚有待验证。供电系统维护工作量较大，在露天运输、改变运输高度、转向运输及与马路平面交叉时均需要特殊处理。

近几年，一种被称为子母车式的钢卷运输车也开始在冷轧车间得到应用。子母车由子车车体和母车车体两部分构成，母车和子车可分开各自单独运行，子车可以回到到母车上和母车一起在主轨道方向运行，子车接送卷时脱离开母车，运行方向与主轨道方向垂直，在子车车体和母车车体上方设置有缓存鞍座，这样母车和子车配合灵活，以实现钢卷运输及直角方向接送卷的功能。母车采用滑触线式供电，子车采用电缆卷筒由母车供电，如图 6 所示。

这种运输车可部分替代天车，实现冷轧成品库库内钢卷的输送及倒卷，在热轧产线上尚无应用业绩。其设备基础较深，子车行走距离有限，车间有纵横交错的基础坑。

2.4 超级电容器供电式钢卷运输装备

该技术*早产生于 2014 年，是首钢工程公司结合双排式托盘运输及非接触式供电运输技术的各自优点，独立开发出的**产品，已获得欧洲、美国、韩国等国际**授权，较好解决了生产实际需要。其特点是采用车载超级电容器供电，车辆在轨道上运行，运行途中自动充电，可满足各种运输需求。

2017 年，该运输技术**在某 2050 热轧生产线投入使用，已稳定运行了 6 年，不仅工程总体投资节省了 1/3，而且实现了运输能耗是托盘式运输的三分之一，显著优于其它传统钢卷运输方式。单台车出现故障时将其吊离运输线即可，运输系统可继续工作，保证了主轧线的生产节奏，同时设备的运行维护费用也大大降低，如图 7 所示。

该技术的物质流、信息流顺畅、简洁，物理信息系统合理，完全符合和满足冶金流程工程学界面技术对“衔接-匹配、协调-缓冲、稳定”的要求，使相应工序的运行特征可以协调、耦合到生产流程的时间轴上，实现准连续和连续的时钟推进计划。优化了钢卷库生产工艺，促进了智能化库管的实现。“新一代智能化多功能钢卷运输系统成功投运”获评 2019 年世界钢铁工业十大技术要闻第四位。超级电容器供电的钢卷运输技术获 2021 年冶金科学技术奖，2022 年冶金行业优良设计成果一等奖。

2.5 AGV 钢卷运输车

AGV 是指自动导向运输车。特点是轮式运输，多采用化学电池供电，利用激光或其他导引方式，自主运行，工艺灵活。但需要天车上下卷、专门的道路、充电时间长、电池寿命较短，能耗大、日常维修保养及人工费用较贵，无法满足热轧线连续生产的节奏要求，如图 8 示。

2.6 新型热轧-冷轧界面装备技术对比

目前 3 种*常用的热轧-冷轧界面新装备技术对比见表 1。

从上述对比可知，超级电容器供电式钢卷运输技术在已有技术里具有突出优势，因此也得到越来越多的应用及世界范围内的高度关注。

3 热轧-冷轧界面装备新技术的**工程应用

3.1 马钢 2250mm 热轧钢卷运输系统马钢 2250mm 热轧带钢生产线于 2007 年投入正式运行。这是世界首例双层式托盘钢卷运输方式，开创了托盘式运输在热轧厂钢卷运输上的先河。

图 9 为其工艺平面布置图。运输系统从卷取机处直接接卷，将钢卷运往两个热轧成品库，及后续冷轧厂的原料库。邯钢、本钢等公司后续建设的热轧线也采用了这项技术。

3.2 首钢京唐 2250mm 热轧钢卷运输系统

首钢京唐 2250mm 热轧带钢生产线于 2008 年正式投入运行，这是世界首例双排式托盘钢卷运输方式。图 10 为其工艺平面布置图。运输系统从卷取机处直接接卷，将钢卷运往四个热轧成品库，并直接将钢卷送往后续冷轧厂的原料库。

在此之后，世界范围内新建或改造的热轧线、包括韩国 POSCO 光阳 4 号热轧厂也基本都采用了这种技术。

3.3 首钢智新冷轧硅钢钢卷运输系统

2010 年，世界首例采用非接触式供电技术的钢卷运输系统在首钢迁安硅钢项目中投入使用，已成功稳定运行 10 多年。

图 11 为其工艺平面布置图。运输系统有 3 条运输线路，其中*长的一条线路横穿 2 条道路、连接 8 个车间，根据工艺需要将钢卷运往不同的车间，并可实现钢卷在运输途中翻卷的功能。

但由于其自身对环境要求苛刻、施工难度大、供电系统价格昂贵等原因，这项技术只适用于特殊的运输场景，没有得到大规模应用。

3.4 山钢日照 2050mm 热轧钢卷运输系统

山钢日照 2050mm 热轧带钢生产线于 2017 年 9 月 30 日热试成功，11 月底投入自动化运行。这是世界首例采用超级电容器供电的自行驶钢卷车式的运输系统，开创了新能源智能化钢卷车式运输技术在常规热连轧钢卷运输上的先河。图 12 为其工艺平面布置图。

运输系统直接从卷取机接卷，将钢卷运往 3 个热轧成品库，并可直接向平整机组供料，还可以通过马路将钢卷运往冷轧厂的 2 个原料库。整个运输系统的自动化系统与钢卷库的自动化库管系统无缝衔接，实现了智能化无人库管，大大降低天车负荷及库管系统的建设难度。

需要特别说明的是：在 5 个钢卷库内，钢卷运输系统除了 3 个回转台以外没有其他地面设备，也没有电缆沟，只有铺设于地面的钢轨；在设定模式下该运输系统还可以实现库内的倒卷。这是其它运输技术很难实现的特点。

由于本次应用中钢卷运输距离较长，采用该技术设备基础简单，因此节省了大量的土建投资，使得该运输系统的总体工程投资节省了约三分之一，实际生产能耗也比托盘式运输方式明显下降。之后，已有多个热轧和冷轧项目采用了该新型运输技术。

3.5 首钢京唐 MCCR 热轧钢卷运输系统

首钢京唐 MCCR 热轧带钢生产线于 2019 年 6 月投入运行。这是新能源智能化钢卷车式运输技术在无头轧制生产线上的**应用。图 13 为其工艺平面布置图。

运输系统直接从卷取机接卷，将钢卷运往 3 个热轧成品库。在 3 个成品库内，运输系统只有 1 个回转台，没有其他地面设备。运输系统的自动化系统与钢卷库的自动化库管系统无缝衔接，已实现了黑灯仓库、无人库管。

目前，已有另一条无头轧制生产线采用了这项技术，项目正在建设中。

3.6 首钢京唐高强钢镀锌线智能钢卷运输系统

该项目于2019年10月投入无人化运行。这是超级电容器供电的钢卷运输车技术在冷轧车间的**应用。采用该技术后，不仅取消了汽车运输，而且实现了智能运输和智能库管，通过与无人天车的配合实现了智能仓储的目标。特别需要说明的是，在该项目中**次真正实现了钢卷运输与厂区道路的平面交叉运行，通过智能交管系统实现了钢卷运输与其他车辆、人员的智能交替通行。图 14 为其实际应用场景。

现在越来越多的冷轧车间已经或准备采用该技术。其中，首钢冷轧公司的数字化转型（灯塔工厂）项目已投用 4 台以这种运输车为核心设备的智能钢卷运输系统，实现了钢卷的地面运输与天车的“天地协同”。与项目投用前相比，平均每卷减少天车运输距离 200m，倒垛率减少 30%~50%，有效减小了现有天车的运行压力和中间库叉车、汽车倒运量，既提高了运输效率，又降低了安全风险，并且更加环保节能。图 15 为其应用场景。

4 结论与展望

（1）建设智能化冶金工厂的一个必要条件是实现冶金界面技术的智能化。我国拥有自主知识产权、采用无线通讯和超级电容供电的自行驶电容车是目前极少的可以实现热轧-冷轧之间智能运输的方式。

（2）自行驶电容车运输技术对企业内部的总图运输布置带来了新的变化，节省工程投资和生产费用，施工简单，缩短施工工期，平面交叉运输方便，物流更加合理。

（3）与轮胎式运输的 AGV 相比，采用轨道运输的 RGV 可大大减少运输能耗，绿色、低碳、节能，智能化实现手段简单。

（4）钢卷运输发展趋势是：运输技术从引进国外技术到自主集成再**，从机械搬运式向轨道运输式，从传统的工业控制到充分利用无线通讯、大数据及人工智能技术。

20 年来，在我国冶金科技工作者的不断努力下，伴随着中国钢铁工业的快速发展，冶金企业中热轧-冷轧之间、轧线与各自钢卷库之间的钢卷运输装备技术也取得了长足进步，已达到****水平。尽管热轧-冷轧之间的界面技术取得了成果，但它只是钢铁企业众多“界面技术”中的一小部分。正如殷瑞钰院士指出的那样：“长期以来，对单元装置的自动化、无人化、智能化做了大量的研发，并较好地应用于生产制造过程，解决了局部的问题，然而这只是实现制造流程全盘智能化中的一部分。界面技术的物理系统优化和数字化建模也是流程制造业智能化的核心技术之一，至今研究较少。”[2]

目前，我国多家单位已经在从事铁-钢界面技术、钢—铸—轧界面技术等方向的研究。可以预见，在不长的时间内我国冶金智能化界面技术及新型的智能装备技术将会产生，并将带来冶金企业内部界面技术及总图布置的变化。