冷連軋機(jī)輥縫自動(dòng)標(biāo)定原理及應(yīng)用

摘要：冷連軋機(jī)輥縫自動(dòng)標(biāo)定是液壓輥縫控制中精度要求最高的環(huán)節(jié)之一，2007年鞍鋼股份有限公司新建1 450 mm冷軋機(jī)采用德國(guó)Siemens公司TDC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了輥縫自動(dòng)標(biāo)定功能。作者從應(yīng)用角度分析了軋機(jī)輥縫自動(dòng)標(biāo)定的分類與過(guò)程，闡述了軋機(jī)輥縫自動(dòng)標(biāo)定時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)相對(duì)軋制力、輥縫位置、輥縫傾斜的零點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定過(guò)程出現(xiàn)的典型故障進(jìn)行分析并提出解決方法。實(shí)踐證明通過(guò)輥縫自動(dòng)標(biāo)定，可以提高軋機(jī)HGC精度，保證成品帶鋼的厚度要求。

　　關(guān)鍵詞：冷連軋;TDC自動(dòng)控制;輥縫標(biāo)定;軋制力控制

　　在軋機(jī)正常軋制帶鋼前，更換工作輥或支撐輥后使整個(gè)軋機(jī)的軋制線發(fā)生了改變，所以必須對(duì)軋機(jī)液壓輥縫控制系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)架液壓輥縫零點(diǎn)標(biāo)定，通過(guò)標(biāo)定可以獲得軋制力、輥縫位置、輥縫傾斜的零點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)，只有獲得以上3種變量的零點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)，軋機(jī)才能實(shí)現(xiàn)正常軋制時(shí)HGC系統(tǒng)的自動(dòng)控制功能?？梢哉f(shuō)機(jī)架液壓輥縫標(biāo)定是軋機(jī)進(jìn)行液壓HGC不可或缺的前提，是實(shí)現(xiàn)冷連軋生產(chǎn)高精度成品的必要條件。本文立足于2007年鞍鋼股份有限公司新建1 450 mm冷連軋機(jī)調(diào)試實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)其它生產(chǎn)線冷軋機(jī)輥縫自動(dòng)標(biāo)定過(guò)程進(jìn)行完善與精簡(jiǎn)，從輥縫自動(dòng)標(biāo)定的技術(shù)原理出發(fā)，介紹1 450 mm冷連軋機(jī)標(biāo)定過(guò)程，為生產(chǎn)順行提供依據(jù)和保證。
 

　　1 輥縫標(biāo)定理論基礎(chǔ)

　　軋機(jī)機(jī)架液壓輥縫標(biāo)定是建立在軋機(jī)彈跳方程的基礎(chǔ)上。

　　彈跳方程：h=S0+(P-P )/K (1)

　　式中，h為軋件出口厚度;S0為空載輥縫;P為軋制力;P0為影響輥縫的軋制力極限值;K為軋機(jī)剛度。

　　如圖1所示，軋件塑性線斜率為，軋機(jī)彈性線斜率為K。當(dāng)某種因素影響軋件塑性線由B變化到時(shí)，為保證軋機(jī)出口帶鋼厚度h不變，需調(diào)整軋機(jī)輥縫△S，使軋機(jī)彈性線由A變化到A’。厚度控制的基本原理是：無(wú)論軋制過(guò)程如何變化，總使軋機(jī)彈性線A與塑性線B相交于等厚軋制線C0軋制力在作用的過(guò)程中有一個(gè)從小到大的過(guò)程，對(duì)輥縫的影響會(huì)從大到小變化，在軋制力相對(duì)較小時(shí)，輥縫變化呈非線性，當(dāng)軋制力達(dá)到P0時(shí)，輥縫變化開(kāi)始呈線性趨勢(shì)。而這種影響是通過(guò)軋制力作用在軋輥兩端產(chǎn)生的，輥縫的非線性段計(jì)算方法如下：

　　SP=CP×(P—P0) (2)

　　式中，s 為軋制力對(duì)輥縫的影響值;C 為軋制力對(duì)輥縫影響的補(bǔ)償系數(shù)，當(dāng)P>P。時(shí)，進(jìn)入線性段后則C 為0[3]。

　　通常在軋制前啟動(dòng)輥縫標(biāo)定功能，將軋輥按初始?jí)毫。壓靠到一定程度，并將此時(shí)的輥縫.s。確定為軋機(jī)調(diào)整的零輥縫。通過(guò)輥縫標(biāo)定將圖1中曲線的非線性部分進(jìn)行處理，把s 前面非線性段去除，實(shí)現(xiàn)在正常軋制時(shí)軋制力和輥縫之間的線性化。

　　2 輥縫標(biāo)定測(cè)量系統(tǒng)與軋制線標(biāo)定

　　2.1 輥縫標(biāo)定測(cè)量系統(tǒng)

　　鞍鋼1 450 mm冷連軋機(jī)輥縫標(biāo)定測(cè)量系統(tǒng)主要包括：液壓缸位置檢測(cè)和軋制力檢測(cè)系統(tǒng)。其中，液壓缸位置檢測(cè)元件主要采用日本Sony公司位置傳感器，該位置傳感器精度達(dá)到0.001 mm，可以精確檢測(cè)輥縫標(biāo)定時(shí)液壓缸桿的具體位置。軋制力測(cè)量系統(tǒng)采用德國(guó)HYDAC公司的壓力傳感器，它利用液壓缸油腔將液壓油壓力傳遞給壓力傳感器，測(cè)量到的壓強(qiáng)與相應(yīng)活塞面積相乘，得到實(shí)際軋制力，這種壓力傳感器工作穩(wěn)定，其精度完全滿足現(xiàn)場(chǎng)要求，被廣泛應(yīng)用在輥縫標(biāo)定軋制力測(cè)量系統(tǒng)中[3]。

　　2.2 軋制線標(biāo)定

　　軋制線標(biāo)定是輥縫標(biāo)定的前提。軋機(jī)正常生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)保持一個(gè)穩(wěn)定不變的軋制線，使帶鋼始終處于同一水平高度進(jìn)行軋制，但是更換機(jī)架軋輥以后則會(huì)影響軋制線的位置，因此需要重新調(diào)整軋制線到原定位置[5]。鞍鋼1 450 mm冷連軋機(jī)軋制線標(biāo)定時(shí)，按照軋機(jī)各個(gè)部件數(shù)據(jù)計(jì)算軋制線的調(diào)整高度，其計(jì)算和調(diào)整過(guò)程通過(guò)Siemens公司的PCS7系統(tǒng)中S7實(shí)現(xiàn)，軋制線標(biāo)定原理如圖2所示。

　　為了準(zhǔn)確控制軋制線調(diào)整精度，軋制線調(diào)整裝置采用梯形臺(tái)和精調(diào)斜楔組合來(lái)調(diào)整軋制線高度。其中梯形臺(tái)共有6級(jí)臺(tái)階，通常首階高度為40 mm，其余臺(tái)階高度為30 mm;精調(diào)斜楔的移行距離與高度調(diào)整量之比為20：1。

　　軋制線高度

　　Hpassline=H一(DBR/2+DIR+DWR)+△H (3)

　　式中，H為支撐輥軸承中心線到軋制線距離;DBR為支撐輥直徑;DIR為中間輥直徑;DWR為工作輥直徑;△H為輥徑偏差。

　　梯形臺(tái)水平調(diào)節(jié)量(粗調(diào))

　　Swedge =(Hpassline-H1)H0× 130 (4)

　　式中，H1為首階高度;H2為其余臺(tái)階高度;130 mm為臺(tái)階長(zhǎng)度。

　　斜楔水平調(diào)節(jié)量(精調(diào))

　　Swedge =(Hpassline-Hplate )/tanθ’ (5)

　　式中，Hplate為梯形臺(tái)調(diào)整高度;tanθ’= 1/20為斜楔斜率。

　　軋制線調(diào)整的計(jì)算精度是輥縫標(biāo)定能否成功的關(guān)鍵，通過(guò)軋制線的計(jì)算可以為軋機(jī)輥縫標(biāo)定提供標(biāo)尺和參照，從而保證軋機(jī)輥縫相對(duì)零點(diǎn)在同一水平線上。

　3 輥縫標(biāo)定分析

　　3.1 輥縫標(biāo)定分類

　　輥縫標(biāo)定可分為無(wú)帶標(biāo)定和有帶標(biāo)定，無(wú)(有)帶標(biāo)定是在機(jī)架內(nèi)沒(méi)有(有)帶鋼的情況下進(jìn)行的標(biāo)定。這兩種標(biāo)定過(guò)程存在很大差別，無(wú)帶標(biāo)定是對(duì)“零點(diǎn)”的校正，即輥縫標(biāo)定必須達(dá)到設(shè)定的基準(zhǔn)位置;而有帶標(biāo)定繼承了無(wú)帶標(biāo)定的軋制力和輥縫基準(zhǔn)值，標(biāo)定的最終目標(biāo)是達(dá)到原來(lái)的輥縫位置[3]。通常在液壓缸實(shí)際位置和位置計(jì)數(shù)器數(shù)值之間出現(xiàn)偏差時(shí)，必須進(jìn)行無(wú)帶標(biāo)定;另外，如果更換支撐輥或位置計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)突然丟失(控制器復(fù)位、電源掉電或位置計(jì)數(shù)器失效導(dǎo)致)，也應(yīng)該進(jìn)行無(wú)帶標(biāo)定。在軋機(jī)有帶鋼存在并且更換工作輥或中間輥重新調(diào)整水平軋制線后，應(yīng)該進(jìn)行有帶標(biāo)定。由于有帶標(biāo)定相對(duì)比較簡(jiǎn)單且原理與無(wú)帶標(biāo)定相同，因此本文僅介紹無(wú)帶標(biāo)定。

　　3.2 無(wú)帶標(biāo)定過(guò)程

　　鞍鋼1 450 mm冷連軋機(jī)無(wú)帶標(biāo)定執(zhí)行順序見(jiàn)圖3，其中控制方式包括位置控制方式、軋制力控制方式、單軋制力控制方式和傾斜控制方式。啟動(dòng)標(biāo)定功能之前，需要滿足如下基本條件：軋機(jī)沒(méi)有快停信號(hào)和維護(hù)方式信號(hào)、位置計(jì)數(shù)器無(wú)報(bào)錯(cuò)、HGC系統(tǒng)狀態(tài)OK、乳液系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)OK。在無(wú)帶標(biāo)定過(guò)程中，需要對(duì)HGC、彎輥控制、竄輥控制、乳液噴射控制、傳動(dòng)控制等多方面因素進(jìn)行檢查校準(zhǔn)，完成相對(duì)軋制力、輥縫位置、輥縫傾斜的零點(diǎn)標(biāo)定，最終找到正常軋制時(shí)HGC的零點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)。自動(dòng)標(biāo)定過(guò)程是通過(guò)Siemens公司的TDC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)順序控制，當(dāng)標(biāo)定條件滿足時(shí)，可以在操作面板或HMI中啟動(dòng)自動(dòng)標(biāo)定過(guò)程，然后通過(guò)SFC軟件實(shí)現(xiàn)基本順序控制功能，步驟之間轉(zhuǎn)換條件收集和中斷報(bào)警功能由CFC軟件實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)對(duì)每一步執(zhí)行過(guò)程都設(shè)有超時(shí)監(jiān)控功能，一旦超時(shí)順控過(guò)程會(huì)立即終止且系統(tǒng)恢復(fù)到自動(dòng)標(biāo)定之前的狀態(tài)。前一步完成后，下一步包括它的連鎖條件就立即執(zhí)行，只有步驟之間的轉(zhuǎn)換條件全部滿足后，才能完成自動(dòng)標(biāo)定的全部過(guò)程。當(dāng)完成全部標(biāo)定過(guò)程后，說(shuō)明軋機(jī)狀態(tài)正常，可以開(kāi)始軋制，并將輥縫位置合到15 mm，為穿帶生產(chǎn)準(zhǔn)備條件。

 3.2.1 軋制力標(biāo)定過(guò)程

　　標(biāo)定過(guò)程軋制力變化曲線如圖4所示。初始化自動(dòng)標(biāo)定參數(shù)過(guò)程中，將上次標(biāo)定形成的相對(duì)軋制力修改為絕對(duì)軋制力，那就意味著已經(jīng)考慮了輥重、軸承重和彎輥力等對(duì)軋制力的影響因素，完全依靠壓力傳感器檢測(cè)軋制力數(shù)據(jù)。在軋制力和傾斜控制方式下，合輥縫到軋制力最小(1 MN)，保證此時(shí)上下工作輥恰好接觸但卻沒(méi)有相互作用，同時(shí)檢查此時(shí)輥縫位置與接觸位置偏差是否在容限范圍內(nèi)(2 mm)，其中接觸位置通過(guò)軋輥數(shù)據(jù)計(jì)算得出：

　　Hcontact= (DBR/2+DIR+DwR)一H’ (6)

　　式中，Hcontact為接觸位置;H’為軋制線到下支撐輥中心線距離。

　　這時(shí)主要為了檢查軋輥數(shù)據(jù)是否正確，并繼續(xù)以單軋制力控制方式使軋輥兩側(cè)達(dá)到接觸軋制力(1 MN)，保證軋輥兩側(cè)在上下輥系之間產(chǎn)生相互作用并造成一定程度的輥系變形。然后在位置和傾斜控制方式下將輥縫在當(dāng)前位置的基礎(chǔ)上打開(kāi)5 mm，如圖3中第7步所示，根據(jù)液壓和輥系變形原理以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，一般認(rèn)為在接觸軋制力輥系變形的基礎(chǔ)上輥縫打開(kāi)5 mm，會(huì)使上下輥系之間恰好接觸卻沒(méi)有相互作用，此時(shí)再將檢測(cè)實(shí)際軋制力的固定載荷質(zhì)量影響因素去掉，即對(duì)壓力傳感器系統(tǒng)做一次軋制力清零操作，就可以得到相對(duì)軋制力零點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

　　3.2.2 輥縫位置標(biāo)定過(guò)程

　　標(biāo)定過(guò)程中輥縫位置變化曲線如圖5所示。首先，將液壓缸全部縮回，完全打開(kāi)輥縫，同步位置計(jì)數(shù)器完成從相對(duì)位置到絕對(duì)位置的轉(zhuǎn)換過(guò)程，將液壓缸絕對(duì)位置置為150 mm。如圖6所示，液壓缸的絕對(duì)位置s 是以液壓缸上限位置為零點(diǎn)，液壓缸釋放到底位置為下限位置(150 mm)。根據(jù)工藝要求，零輥縫的選擇采用兩側(cè)軋制力均達(dá)到5 MN時(shí)的輥縫位置，所以作為軋機(jī)液壓缸的相對(duì)位置S =0是在標(biāo)定軋制力F =10 MN時(shí)產(chǎn)生的。因?yàn)闄C(jī)架處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)合輥縫到較大的標(biāo)定軋制力F =10 MN會(huì)損傷輥系，且機(jī)架處于動(dòng)態(tài)過(guò)程會(huì)更接近軋機(jī)正常生產(chǎn)狀態(tài)，所以實(shí)現(xiàn)標(biāo)定軋制力F =10 MN應(yīng)該在輥系正常噴射乳液潤(rùn)滑、軋機(jī)處于動(dòng)態(tài)過(guò)程中完成。同時(shí)，考慮到在正常軋制帶鋼過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生軋機(jī)彈性變形和軋件塑形變形，也只有在標(biāo)定軋制力F =10 MN時(shí)產(chǎn)生的輥縫位置零點(diǎn)才會(huì)有效補(bǔ)償以上兩種變形帶來(lái)的誤差影響。

　　3.2.3 傾斜標(biāo)定過(guò)程

　　在釋放方式下將液壓缸釋放到底并同步位置計(jì)數(shù)器，由于傳動(dòng)側(cè)和操作側(cè)液壓缸實(shí)際位置存在偏差，造成此時(shí)的傾斜值(傳動(dòng)側(cè)與操作側(cè)位置差)不為零，在同步位置計(jì)數(shù)器后會(huì)造成傾斜值清零，所以在同步之前必須記錄此時(shí)實(shí)際傾斜值。如圖3所示，當(dāng)執(zhí)行第4步時(shí)，選擇位置和傾斜控制方式并將輥縫合到釋放位置150 mm之上5 mm時(shí)，給調(diào)整傾斜值提供條件，同時(shí)對(duì)記錄的實(shí)際傾斜值進(jìn)行補(bǔ)償，保證實(shí)際合輥縫時(shí)軋輥兩側(cè)完全處于水平狀態(tài)。選擇單軋制力控制方式且機(jī)架兩側(cè)同時(shí)合輥縫到接觸軋制力時(shí)，將實(shí)際產(chǎn)生的傾斜值作為此時(shí)傾斜的設(shè)定值，同時(shí)打開(kāi)輥縫5 mm，開(kāi)始標(biāo)定軋制力零點(diǎn)。最后，在進(jìn)行到噴射乳液軋機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)，選擇單軋制力控制方式，合輥縫使兩側(cè)軋制力達(dá)到標(biāo)定軋制力F =10 MN(單側(cè)為5 MN)，將實(shí)際絕對(duì)傾斜值作為傾斜設(shè)定并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，當(dāng)兩側(cè)位置計(jì)數(shù)器同時(shí)清零后，導(dǎo)致傾斜數(shù)值清零，此時(shí)將絕對(duì)傾斜值轉(zhuǎn)化為相對(duì)傾斜值，完成傾斜零點(diǎn)標(biāo)定。

　　3.3 無(wú)帶標(biāo)定典型故障分析

　　經(jīng)過(guò)這幾年冷連軋機(jī)的生產(chǎn)和實(shí)踐，我們對(duì)軋機(jī)輥縫標(biāo)定有了更深入的了解，也獲得了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)，以下對(duì)無(wú)帶標(biāo)定的典型故障進(jìn)行分析。在鞍鋼1 450 mm冷連軋機(jī)的標(biāo)定過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)接觸位置偏差超限和軋制力過(guò)負(fù)荷問(wèn)題，導(dǎo)致標(biāo)定失敗。故障主要發(fā)生在標(biāo)定順序進(jìn)行到軋制力控制，即在標(biāo)定進(jìn)行到第5步軋機(jī)未轉(zhuǎn)傳動(dòng)前，如果這時(shí)輥縫位置與接觸位置的偏差超過(guò)容限范圍(2 mm)，軋機(jī)標(biāo)定會(huì)自動(dòng)過(guò)載停止;另一種是軋制力過(guò)負(fù)荷故障，它出現(xiàn)在軋機(jī)轉(zhuǎn)傳動(dòng)過(guò)程中標(biāo)定順序進(jìn)行到單軋制力控制方式，即標(biāo)定進(jìn)行到第14步時(shí)，這時(shí)一旦出現(xiàn)軋輥傾斜過(guò)大(大于2.5 ram)，將導(dǎo)致標(biāo)定失敗甚至?xí)?dǎo)致斷輥事故。

　　經(jīng)分析輥系數(shù)據(jù)與實(shí)際不符是經(jīng)常導(dǎo)致軋機(jī)出現(xiàn)上述兩種問(wèn)題的原因之一。如果實(shí)際輥徑小于輸入輥徑，按照軋制線標(biāo)定結(jié)果會(huì)造成上下輥無(wú)法接觸，標(biāo)定無(wú)法達(dá)到預(yù)期的最小軋制力2 MN;反之，如果實(shí)際輥徑大于輸入輥徑，將出現(xiàn)軋制力在靜態(tài)情況下超過(guò)2 MN，導(dǎo)致標(biāo)定異常中斷。因此為避免過(guò)負(fù)荷現(xiàn)象發(fā)生，一方面需提高軋輥輥徑測(cè)量精度，保證輥徑數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，避免由于輥徑數(shù)據(jù)錯(cuò)誤造成標(biāo)定故障;另一方面需要在標(biāo)定到第5步或第l4步時(shí)，充分關(guān)注此時(shí)軋制力與輥縫位置狀態(tài)，一旦出現(xiàn)較大偏差立即人為中斷標(biāo)定過(guò)程，并重新校驗(yàn)軋輥輥徑數(shù)據(jù)。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　鞍鋼1 450 mm冷連軋機(jī)自2007年投入生產(chǎn)以來(lái)，輥縫自動(dòng)標(biāo)定功能的應(yīng)用大幅度提高了軋機(jī)控制精度，已經(jīng)生產(chǎn)出厚度與板形都符合用戶要求的高品質(zhì)家電板。軋機(jī)液壓輥縫標(biāo)定是HGC的前提和保證，標(biāo)定過(guò)程的每一步都有非常嚴(yán)格的轉(zhuǎn)換條件，只有清楚軋機(jī)標(biāo)定過(guò)程和細(xì)節(jié)才能準(zhǔn)確判斷標(biāo)定中出現(xiàn)的問(wèn)題。結(jié)論如下：

　　(1)建立在軋機(jī)彈跳方程基礎(chǔ)上的液壓輥縫無(wú)帶標(biāo)定是冷連軋機(jī)能否正常工作的前提，只有機(jī)架通過(guò)無(wú)帶標(biāo)定所有步驟，才能真正找到相對(duì)軋制力、輥縫位置和輥縫傾斜的零點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)。從而保證軋機(jī)的厚度控制精確執(zhí)行。

　　(2)在無(wú)帶標(biāo)定時(shí)，除了以上分析的幾項(xiàng)功能以外，還需對(duì)液壓彎輥(包括工作輥和中間輥)、竄輥、軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)、乳液系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)，保證軋制時(shí)軋機(jī)控制功能正常執(zhí)行。

　　(3)軋機(jī)無(wú)帶標(biāo)定和有帶標(biāo)定都是建立在軋制線位置正確的基礎(chǔ)上，只有計(jì)算出不同軋輥數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的軋制線位置，才能計(jì)算出上下工作輥的正確接觸位置[3]。