高速线材轧机活套套量波动的工艺影响因素及控制方法

高速线材轧机活套套量波动的 影响因素及控制方法 李灿明 　赵 　刚 (武汉科技大学材料与冶金学院 ,湖北 430081) 摘要 :介绍了高速线材预精轧机活套控制的基本原理及活套波动现象的形成原因 ,了工艺影响因素及 其控制方法。 关键词 :活套 ;活套控制 ;稳定性分析 中图分类号 : TG333. 6 + 2　　文献标识码 : A The Process Affective Factor and the ControlMethod of the Looper Fluctuation for the H igh Speed W ire M ill L i Canm ing, Zhao Gang Abstract: The basic p rincip le for the looper control of the high speed wire p re - finishing rolling m ill has been de2 scribed in this article, as well as the form and the reason of the looper fluctuation. Meanwhile the p rocess affective fac2 tor and the control method of which has bee analyzed. Key words: looper; looper control; analysis of stability 　　自动活套控制器是现代棒材连轧机速度自动 调节控制系统不可缺少的环节 ,它能使相邻机架 间的棒材在无张力下贮存一定的活套量 ,作为机 架间速度不协调时的缓冲环节 ,从而消除轧制中 各机架间动态速度所引起的轧件尺寸精度波动 , 改善产品的质量。在高速线材的生产中 ,中轧、预 精轧区由于轧件的截面积较小 ,基本上都采用活 套控制。活套控制系统还是具有自适应功能的有 效控制方式。因此 ,在实际生产中 ,为避免或减少 活套故障 ,必须适时控制各工艺环节 ,以保证现代 高速线材轧机生产能力的充分发挥。 1　自动活套控制的基本原理 自动活套控制是在测量两相邻机架间产生的 “多余 ”的轧件的基础上进行的 ,而机架间“多余 ” 的轧件在专门的起套装置引导下使其在活套台形 成活套。在轧件轧制过程中根据金属秒流量相等 ,自动按比例设定并按逆轧制方向对前面各 机架的速度作增减调整 ,实现级联控制。 在轧制不同规格棒线材时 ,由确定的末机架 轧机速度 (Vn ) ,及各机架金属秒流量相等的原则 有 : A1 V1 = ⋯⋯ = A iV i = ⋯⋯An Vn (1) 式中 , A1、A2 ⋯⋯A i 是各机架孔型面积 ; V1、V2 ⋯⋯ 收稿日期 : 2005 - 06 - 29 V i 是各机架线速度 ; i为机架号。由式 (1)可得 : V i - 1 = (A i ×A ( i- 1) ) /V i (2) 　　式 (2)为速度级联设定和级联调节的基本关 系式。由已知的末机架的基准速度 ,根据式 ( 2) 可以计算出前面各机架的速度 ,即实现了速度的 自动设定。在轧制过程中末机架速度不变 ,来自 手动干预以及机架间活套的调节量都遵循式 ( 2) 的关系式 ,对各机架速度进行调节。 2　活套控制过程 活套控制系统主要由活套、活套逻辑控 制和活套摸拟量调节等环节组成。目前 ,国内外 的活套控制系统主要由基础自动化和过程自动化 两级组成。系统的过程自动化主要是指对生产工 艺的管理和控制 ,用工业 PC机或高档的 PLC来 实现。系统的关键是使速度自动控制、微张力控 制、活套控制、飞剪自动控制成为一个闭环控制系 统。基础自动化主要是依据堆拉关系实时进行调 速 ,采取电流比较法 ,即测量、存储 ,并比较轧件进 入下一机架前、后时本机架电动机的电流稳态值 的大小 ,通过调整本机架电动机的速度来保证本 机架电动机转矩在进入下一机架前后基本保持不 变 ;检测计算轧制过程中的料坯尺寸波动、轧件温 度波动以及轧辊孔型的磨损及计算和调整的误差 等因素 ;计算轧辊的转速实现理论上的各架轧机 金属秒流量相等 ;对各机架的轧辊转速进行动态 12 《重型机械科技 》2005年第 4期 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 调整 ,使轧制过程基本能实现金属秒流量相等 ,避 免轧制过程中出现堆拉钢现象。控制的目的是通 过活套扫描器的检测将测量值与设定值比较 ,考 虑工艺和机械影响因素 ,将速度控制系统、微张力 控制系统通过级联控制达到机架之间金属秒流量 的相等 ,使活套套量稳定 ,提高成材率 ,获得很好 的经济效益。 活套控制包括四个阶段 :活套预形成、活套形 成、活套控制及甩尾。 (1)活套预形成 :轧件头部咬入辊缝产生动 态速降 ,前后机架之间形成堆钢现象 ,考虑此套 高 ,参照实际套高与设定套高修正 (降低 )后机架 轧辊的速度 ,发出起套辊起套控制命令。 (2)活套形成 :轧件一旦咬入辊缝 ,控制系统 便进入活套形成阶段。此时起套辊已在向上抬起 的过程中 ,系统根据活套扫描器测得的实际活套 高度与设定高度比较 ,不断修正后架轧机的速度 , 直到下游活套检测器测到轧件。 (3)活套控制 :轧件在起套辊的支撑作用下 , 形成一个圆弧状的活套。控制系统根据活套套量 实测值和设定值不断修正前轧机的速度 ,同时逆 向级联控制也参与对后机架和前一机架直流电机 速度的修正。此过程中同样受到活套形成过程中 各因素的影响 ,并且比上述过程更复杂 ,且速度级 联控制介入。 (4)甩尾 :当轧件的尾部接近上游机架时 ,就 进入收套阶段。为了防止轧件甩尾 ,预先将收套 速度加入到相关机架中 ,通过调节上游机架的速 度来降低活套高度 ,让活套降低到安全活套范围 内。为防止轧件尾部的摆动 ,一般设为 100 mm 左右。在实际应用中 ,收变速度取机架给定速度 的 3%。收套完成后 ,系统进入下一轧件的控制。 3　活套稳定性分析 影响活套运行和套量大小的因素很多 ,如 :机 械电器、工艺设定、人工操作等。下面分别作具体 分析。 3. 1　活套扫描器故障分析 活套扫描器常见的故障有 :气缸活套的漏气 ; 速度难以调整稳定 ;赃物或油污使传动机构卡塞 或动作失灵 ;密封件由于装配质量和材料质量问 题短期内损坏 ,导致某些元件工作不稳定 ,或运行 一段时间后 ,各类元件 /组件因为工作频率和负载 条件的差异 ,个别易磨损超差。这个阶段的故障 特征是反馈接触不良 ,定位进度差 ,稳定性下降 , 效率显著降低 ,故障率逐渐增加。出现“假头 部 ”、“假尾部 ”现象。可从以下三个方面避免。 (1)保持扫描器探测镜头的干净。维护人员 必须全天内多次用镜头纸擦拭玻璃 ,以保持干净 ; (2)每根钢的头尾间隙时间要大于 3 s以上 , 避免控制系统误认为是“假头部 ”,而拒绝执行正 常的活套控制 ; (3)避免轧件周围水蒸汽等影响扫描器扫 描 ,才不会出现因此而产生的“假头部 ”、“假尾 部 ”的报警信号。 3. 2　轧件温度的影响 线材轧制过程中 ,线材的温度是直接影响轧 机负荷合理分配、最终产品尺寸精度和组织性能 的重要因素之一。在轧制过程中 ,由于轧件在辊 道上的热传导、辐射以及周围空气流动带走热量 使通过同一机架的轧件的不同位置的温度不同 (即温度在同一轧件纵向上的波动 ) ,另外因轧机 冷却水的分布不均匀和轧辊各部分的温度不同 , 从而导致轧件横向散热也不一样 (即轧件温度在 横向上的波动 )。而轧件同一部位对不同轧机而 言 ,由于在轧机之间的辊道上产生热损失和各轧 机冷却水量的不等也导致轧件同一部位在不同机 架间的温度波动。 3. 3　变形抗力的影响 轧件的变形程度、变形速度、轧制温度决定着 轧件的变形抗力。在轧件咬入过程中 ,由于轧机 的动态速降和速度回复使轧机速度在这个过程中 很不稳定 ,且此时轧件还未充满轧制区 ,轧件轧制 面积在不断的增加 ,这样就决定了轧件的变形速 度和变形程度在不断变化 ;另外从上面的分析知 道轧件头部的温度最高 ,随后温度不断降低 ,即轧 件温度在不断的变化 ,这就决定轧件变形抗力在 轧件咬入过程中不停地波动。当轧件充满轧制区 后 ,由于轧件在纵向上存在温度差 ,则在纵向上就 存在着因热轧时奥氏体晶粒回复和再结晶不同而 产生的组织差异 ,其结果是轧件的变形抗力不停 的变化。 3. 4　轧件变形区面积的影响 在轧件咬入的过程中 ,轧制面积不断的增加 , 在轧件充满轧制变形区以后 ,由于轧制压力不断 地波动导致轧机辊缝也在不断地波动 ,自然轧件 变形区的面积也在随着不断地波动。 3. 5　轧制压力的影响 轧机压力主要由轧件压下量、轧制面积、轧件 温度、变形抗力等因素决定。根据以上分析可以 22 《重型机械科技 》2005年第 4期 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 看出不论在轧件咬入阶段还是在轧件充满轧制区 以后 ,轧件温度、变形抗力、轧制面积都在不停地 波动 ,那么轧机压力自然也在不停地波动着。 3. 6　速度级联的影响 高速线材、型材的控制重心在主轧线上 ,而主 轧线的速度控制又是控制的核心 ,故要求各机架 的速度必须精确匹配 ,以保证机架间金属秒流量 相等 ,以实现微张力或无张力轧制。但当轧件由 上个机架进入下个机架的时候 ,由于下轧机的动 态速降形成了初期的活套量 ,在接下来的轧制过 程中 ,轧件的不同部位进入轧辊 ,而轧件的不同部 位的温度不同 (尤其水印区跟轧件前后部位的温 度相差较大 )造成轧件变形抗力不同 ,自然轧制 压力也不同。因此 ,轧制压力波动导致了轧机的 辊缝发生波动 ,最终孔型发生变化 ,即轧件的横截 面积发生变化 ,其结果导致轧件的秒流量不同 ,活 套量就跟着变。此时 ,可能导致轧线上出现堆钢、 拉钢或断钢的现象。 决定金属秒流量大小的两大要素是轧机的孔 型和速度。就速度控制而言速度级联控制就要介 入 ,根据逆向调节原理通过 R因子进行调节 (A1 / A2 =V2 /V1 = R )。R 与坯料在各个辊缝中的变化 率相对应 ,在自动活套控制中 ,速度设定是通过 R 系数一级一级的联系起来 ,向上游分配时除以 R, 向下游分配时乘以 R。而速度参考信号由两部分 组成 ,一部分是决定轧钢生产的主速度信号 ,它以 最末一架为基准向上游分配 ,每过一个辊缝 ,除以 一个 R,越到上游 ,主速度信号越小 ,轧机速度越 慢 ;另一部分是叠加在主信号基础上的修正值 ,根 据线速度和电机转速之间的关系 ,即可求得电机 转速设定值 : N = V × ( 60 ×I / ( 3. 14 ×D ) )。式 中 , I为传动比 , D为轧辊直径 , V为线速度。 3. 7　轧制速度变化的影响 图 1是轧速变化的套量波动图 ,分别用 V1、 V2、V3 标示 N - 1轧机的三个不同的轧制速度 ,在 活套形成阶段 V1 波动最大 ,其对应的活套套量波 动也最大。分析可知 :轧机机架的速度发生变化 , 产生速差 ,速差越大产生的套量波动越大 ,活套需 要调节的时间越长。活套稳定套量在稳定许可范 围内发生偏差 ,即稳定套高在稳定允许的范围内 波动 ,而轧制速度最终由秒流量相等的原则通过 单级或级联校正 ,影响逐步清除 ,速度达到同一 值。 3. 8　轧制过程中速度调节时套量的变化 在活套控制过程中 ,由于级联控制的影响 ,轧 机的速度发生波动 (见图 2) ,轧机的秒流量也发 生波动 ,其波动就体现在活套套量的波动上 ,从下 面的模拟仿真演示图 (见图 3)也说明了这一点。 图 1　轧速变化时套量波动图 Figure. 1　The sketch of the looper fluctuation at the time of variable rolling speed 图 2　级联控制速度波动图 Figure. 2　The sketch of the fluctuation for the tandem connection speed control 图 3　级联控制速度波动时套量波动图 (轧件进入 N机架开始记时 ) Figure. 3　The sketch of the looper fluctuation when tandem connection speed control 3. 9　活套套量计算分析 在线材轧制系统中 ,线材在两机架间形成的 套量不能直接检测 ,只能通过由活套支撑器的高 度间接求得。因此如何选取套量计算数学模型在 很大程度上决定了活套高度控制系统的控制质 量。而选取套量数学模型主要要解决精度和模型 实际复杂程度的矛盾。套量与活套支撑器高度的 关系可以通过下图 4用几何关系求出。 图 4　活套长度的计算 Figure. 4　The calculation of the loope length 32 《重型机械科技 》2005年第 4期 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 设活套曲线近似为两段圆弧 ,则 : S1 = L1 2 + H2 2H arcsin 2L1 H L1 2 + H2 　　按傅氏级数展开反正弦函数 ,并取前两项得 : S1 = 2 3 × H2 L1 3 L1 4 - H4 + L1 　　因 H <