1 概述

冶金企業(yè)中熱軋-冷軋之間、軋線與各自鋼卷庫(kù)之間的鋼卷運(yùn)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(dòng)態(tài)-有序、協(xié)同-連續(xù)的運(yùn)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(diǎn)-節(jié)點(diǎn)之間（的非線性項(xiàng)）形成集成協(xié)同運(yùn)行的“耗散結(jié)構(gòu)”，涌現(xiàn)出**功能和效率，并實(shí)現(xiàn)“耗散結(jié)構(gòu)”中“流”的“耗散過(guò)程”優(yōu)化[1,2]。

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

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

這些變化的趨勢(shì)是：熱軋-冷軋界面的運(yùn)輸技術(shù)從國(guó)外引進(jìn)到自主集成再**、從機(jī)械搬運(yùn)式向軌道運(yùn)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(guó)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(yùn)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(diǎn)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(guó)西馬克公司開創(chuàng)，2007年在馬鋼 2250mm 熱軋廠**實(shí)施了該技術(shù)。首鋼公司于 2008年在京唐 2250mm 熱軋廠**實(shí)施了雙排式托盤運(yùn)輸技術(shù)，雙排式托盤運(yùn)輸技術(shù)為首鋼集團(tuán)**產(chǎn)品，獲得 2016 年中國(guó)冶金科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。

雙排式托盤運(yùn)輸技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)，既解決了節(jié)奏問(wèn)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(wèn)題，節(jié)省土建投資。因此自 2010 年前后起，國(guó)內(nèi)外新建熱軋帶鋼廠基本都采用了雙排式托盤運(yùn)輸方案。2013 年，韓國(guó) POSCO 公司光陽(yáng) 4 號(hào)熱軋廠也從中國(guó)引進(jìn)了該項(xiàng)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(hù)量大等缺陷。

2.2 非接觸式供電鋼卷運(yùn)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(shí)際需要。其特點(diǎn)是采用非接觸式供電技術(shù)，車輛在軌道上運(yùn)行，可滿足超長(zhǎng)距離、重載情況下的過(guò)馬路、過(guò)車間的運(yùn)輸需求。但供電設(shè)備成本高、運(yùn)輸能力有限，對(duì)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(wú)法滿足熱軋廠連續(xù)運(yùn)輸?shù)囊?，如圖 3所示。

2.3 滑觸線式供電鋼卷運(yùn)輸裝備（含子母車）

該方式為軌道式運(yùn)輸，國(guó)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(guó) SIEMAG公司引進(jìn)。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(shí)際運(yùn)行中暴露出一些問(wèn)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(guó)某鋼廠提供了一套采用垂直接觸式滑觸線供電的鋼卷運(yùn)輸系統(tǒng)，如圖 5 所示。近些年，也有中國(guó)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(zhǎng)距離運(yùn)輸熱軋鋼卷時(shí)滑觸線的可靠性尚有待驗(yàn)證。供電系統(tǒng)維護(hù)工作量較大，在露天運(yùn)輸、改變運(yùn)輸高度、轉(zhuǎn)向運(yùn)輸及與馬路平面交叉時(shí)均需要特殊處理。

近幾年，一種被稱為子母車式的鋼卷運(yùn)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(dú)運(yùn)行，子車可以回到到母車上和母車一起在主軌道方向運(yùn)行，子車接送卷時(shí)脫離開母車，運(yùn)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(shí)現(xiàn)鋼卷運(yùn)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(yùn)輸車可部分替代天車，實(shí)現(xiàn)冷軋成品庫(kù)庫(kù)內(nèi)鋼卷的輸送及倒卷，在熱軋產(chǎn)線上尚無(wú)應(yīng)用業(yè)績(jī)。其設(shè)備基礎(chǔ)較深，子車行走距離有限，車間有縱橫交錯(cuò)的基礎(chǔ)坑。

2.4 超級(jí)電容器供電式鋼卷運(yùn)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(yùn)輸及非接觸式供電運(yùn)輸技術(shù)的各自優(yōu)點(diǎn)，獨(dú)立開發(fā)出的**產(chǎn)品，已獲得歐洲、美國(guó)、韓國(guó)等國(guó)際**授權(quán)，較好解決了生產(chǎn)實(shí)際需要。其特點(diǎn)是采用車載超級(jí)電容器供電，車輛在軌道上運(yùn)行，運(yùn)行途中自動(dòng)充電，可滿足各種運(yùn)輸需求。

2017 年，該運(yùn)輸技術(shù)**在某 2050 熱軋生產(chǎn)線投入使用，已穩(wěn)定運(yùn)行了 6 年，不僅工程總體投資節(jié)省了 1/3，而且實(shí)現(xiàn)了運(yùn)輸能耗是托盤式運(yùn)輸?shù)娜种?，顯著優(yōu)于其它傳統(tǒng)鋼卷運(yùn)輸方式。單臺(tái)車出現(xiàn)故障時(shí)將其吊離運(yùn)輸線即可，運(yùn)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(shí)設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)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(jiǎn)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(duì)“銜接-匹配、協(xié)調(diào)-緩沖、穩(wěn)定”的要求，使相應(yīng)工序的運(yùn)行特征可以協(xié)調(diào)、耦合到生產(chǎn)流程的時(shí)間軸上，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)連續(xù)和連續(xù)的時(shí)鐘推進(jìn)計(jì)劃。優(yōu)化了鋼卷庫(kù)生產(chǎn)工藝，促進(jìn)了智能化庫(kù)管的實(shí)現(xiàn)?！靶乱淮悄芑喙δ茕摼磉\(yùn)輸系統(tǒng)成功投運(yùn)”獲評(píng) 2019 年世界鋼鐵工業(yè)十大技術(shù)要聞第四位。超級(jí)電容器供電的鋼卷運(yùn)輸技術(shù)獲 2021 年冶金科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)，2022 年冶金行業(yè)優(yōu)良設(shè)計(jì)成果一等獎(jiǎng)。

2.5 AGV 鋼卷運(yùn)輸車

AGV 是指自動(dòng)導(dǎo)向運(yùn)輸車。特點(diǎn)是輪式運(yùn)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(yùn)行，工藝靈活。但需要天車上下卷、專門的道路、充電時(shí)間長(zhǎng)、電池壽命較短，能耗大、日常維修保養(yǎng)及人工費(fèi)用較貴，無(wú)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(duì)比

目前 3 種*常用的熱軋-冷軋界面新裝備技術(shù)對(duì)比見表 1。

從上述對(duì)比可知，超級(jí)電容器供電式鋼卷運(yùn)輸技術(shù)在已有技術(shù)里具有突出優(yōu)勢(shì)，因此也得到越來(lái)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(yùn)輸系統(tǒng)馬鋼 2250mm 熱軋帶鋼生產(chǎn)線于 2007 年投入正式運(yùn)行。這是世界首例雙層式托盤鋼卷運(yùn)輸方式，開創(chuàng)了托盤式運(yùn)輸在熱軋廠鋼卷運(yùn)輸上的先河。

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

3.2 首鋼京唐 2250mm 熱軋鋼卷運(yùn)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(yùn)行，這是世界首例雙排式托盤鋼卷運(yùn)輸方式。圖 10 為其工藝平面布置圖。運(yùn)輸系統(tǒng)從卷取機(jī)處直接接卷，將鋼卷運(yùn)往四個(gè)熱軋成品庫(kù)，并直接將鋼卷送往后續(xù)冷軋廠的原料庫(kù)。

在此之后，世界范圍內(nèi)新建或改造的熱軋線、包括韓國(guó) POSCO 光陽(yáng) 4 號(hào)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(yùn)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(yùn)輸系統(tǒng)在首鋼遷安硅鋼項(xiàng)目中投入使用，已成功穩(wěn)定運(yùn)行 10 多年。

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

但由于其自身對(duì)環(huán)境要求苛刻、施工難度大、供電系統(tǒng)價(jià)格昂貴等原因，這項(xiàng)技術(shù)只適用于特殊的運(yùn)輸場(chǎng)景，沒有得到大規(guī)模應(yīng)用。

3.4 山鋼日照 2050mm 熱軋鋼卷運(yùn)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(dòng)化運(yùn)行。這是世界首例采用超級(jí)電容器供電的自行駛鋼卷車式的運(yùn)輸系統(tǒng)，開創(chuàng)了新能源智能化鋼卷車式運(yùn)輸技術(shù)在常規(guī)熱連軋鋼卷運(yùn)輸上的先河。圖 12 為其工藝平面布置圖。

運(yùn)輸系統(tǒng)直接從卷取機(jī)接卷，將鋼卷運(yùn)往 3 個(gè)熱軋成品庫(kù)，并可直接向平整機(jī)組供料，還可以通過(guò)馬路將鋼卷運(yùn)往冷軋廠的 2 個(gè)原料庫(kù)。整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)與鋼卷庫(kù)的自動(dòng)化庫(kù)管系統(tǒng)無(wú)縫銜接，實(shí)現(xiàn)了智能化無(wú)人庫(kù)管，大大降低天車負(fù)荷及庫(kù)管系統(tǒng)的建設(shè)難度。

需要特別說(shuō)明的是：在 5 個(gè)鋼卷庫(kù)內(nèi)，鋼卷運(yùn)輸系統(tǒng)除了 3 個(gè)回轉(zhuǎn)臺(tái)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(yùn)輸系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)庫(kù)內(nèi)的倒卷。這是其它運(yùn)輸技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。

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

3.5 首鋼京唐 MCCR 熱軋鋼卷運(yùn)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(yùn)行。這是新能源智能化鋼卷車式運(yùn)輸技術(shù)在無(wú)頭軋制生產(chǎn)線上的**應(yīng)用。圖 13 為其工藝平面布置圖。

運(yùn)輸系統(tǒng)直接從卷取機(jī)接卷，將鋼卷運(yùn)往 3 個(gè)熱軋成品庫(kù)。在 3 個(gè)成品庫(kù)內(nèi)，運(yùn)輸系統(tǒng)只有 1 個(gè)回轉(zhuǎn)臺(tái)，沒有其他地面設(shè)備。運(yùn)輸系統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)與鋼卷庫(kù)的自動(dòng)化庫(kù)管系統(tǒng)無(wú)縫銜接，已實(shí)現(xiàn)了黑燈倉(cāng)庫(kù)、無(wú)人庫(kù)管。

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

3.6 首鋼京唐高強(qiáng)鋼鍍鋅線智能鋼卷運(yùn)輸系統(tǒng)

該項(xiàng)目于2019年10月投入無(wú)人化運(yùn)行。這是超級(jí)電容器供電的鋼卷運(yùn)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(yùn)輸，而且實(shí)現(xiàn)了智能運(yùn)輸和智能庫(kù)管，通過(guò)與無(wú)人天車的配合實(shí)現(xiàn)了智能倉(cāng)儲(chǔ)的目標(biāo)。特別需要說(shuō)明的是，在該項(xiàng)目中**次真正實(shí)現(xiàn)了鋼卷運(yùn)輸與廠區(qū)道路的平面交叉運(yùn)行，通過(guò)智能交管系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了鋼卷運(yùn)輸與其他車輛、人員的智能交替通行。圖 14 為其實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。

現(xiàn)在越來(lái)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(xiàng)目已投用 4 臺(tái)以這種運(yùn)輸車為核心設(shè)備的智能鋼卷運(yùn)輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了鋼卷的地面運(yùn)輸與天車的“天地協(xié)同”。與項(xiàng)目投用前相比，平均每卷減少天車運(yùn)輸距離 200m，倒垛率減少 30%~50%，有效減小了現(xiàn)有天車的運(yùn)行壓力和中間庫(kù)叉車、汽車倒運(yùn)量，既提高了運(yùn)輸效率，又降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，并且更加環(huán)保節(jié)能。圖 15 為其應(yīng)用場(chǎng)景。

4 結(jié)論與展望

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

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

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

（4）鋼卷運(yùn)輸發(fā)展趨勢(shì)是：運(yùn)輸技術(shù)從引進(jìn)國(guó)外技術(shù)到自主集成再**，從機(jī)械搬運(yùn)式向軌道運(yùn)輸式，從傳統(tǒng)的工業(yè)控制到充分利用無(wú)線通訊、大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)。

20 年來(lái)，在我國(guó)冶金科技工作者的不斷努力下，伴隨著中國(guó)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(kù)之間的鋼卷運(yùn)輸裝備技術(shù)也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，已達(dá)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(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)單元裝置的自動(dòng)化、無(wú)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(guò)程，解決了局部的問(wèn)題，然而這只是實(shí)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(guó)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?？梢灶A(yù)見，在不長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)我國(guó)冶金智能化界面技術(shù)及新型的智能裝備技術(shù)將會(huì)產(chǎn)生，并將帶來(lái)冶金企業(yè)內(nèi)部界面技術(shù)及總圖布置的變化。