于洪喜 周廣成 張華文 李修琨

（1：首鋼股份公司設備部 河北遷安 064400；2：首鋼遷安鋼鐵有限公司熱軋作業(yè)部 河北遷安 064400；3：首鋼股份公司投資管理部 河北遷安 064400）

1 前言

首鋼遷鋼2160熱軋產線定位于高強汽車板，由于產品結構和工藝調整，進一步降低了出爐溫度和成品厚度。隨著下游工序對高強冷軋料鐮刀彎、厚度、楔形精度要求的提高，軋線對粗軋機板型的要求也越來越嚴格。前期經過技術攻關在沖擊輥縫偏差控制技術、傳動綜合負荷分配技術、粗軋機側導板動態(tài)對中技術、粗軋軋制策略優(yōu)化技術、中間坯叩翹頭遺傳控制等方面取得了一些進步，但由于R1軋機缺少可帶載調節(jié)的液壓壓下缸，中間坯鐮刀彎仍難于控制，進而影響了粗精軋的軋制穩(wěn)定性、成品板型和凸度控制精度。

2 項目背景

首鋼遷鋼2160熱軋項目采用半連續(xù)式熱軋帶鋼軋機，設計年產量為400萬t熱軋鋼卷，成品鋼卷量為398萬t，工藝布置如圖1所示。生產品種包含高強度低合金鋼、深沖鋼、汽車用鋼、鍋爐和壓力容器用鋼、船板、管線鋼、Welten800、雙相鋼、多相鋼和IF鋼等高端產品。

產線按工藝流程順序依次有四座步進式加熱爐、粗除鱗機、板坯定寬壓力機、二輥粗軋機R1、立輥軋機E2、四輥粗軋機R2、無芯型熱卷箱、曲柄式飛剪、精除鱗機、六架串列布置四輥精軋機和三套地下卷取機。

圖1 首鋼遷鋼2160熱軋線工藝布置圖

其中，精軋機為液壓壓下；四輥粗軋機R2為電液聯合壓下；二輥粗軋機R1只有電動壓下裝置。由于電動壓下電機和蝸輪蝸桿的傳動特點，存在標定力小和不能帶載調節(jié)的問題。標定沒有足夠的標定力，就不能充分消除機械間隙，軋機標定后的輥縫精度不夠，會造成出口軋件厚度精度失控。隨著3＋3軋制模式的推進，粗軋板型尤其是R1板型顯得尤為重要，而R1又缺少必要的調控手段，造成了諸多影響軋制穩(wěn)定性的問題。

尤其是中間坯C、S型鐮刀彎會惡化如下問題：

（1）中間坯頭尾形狀不規(guī)則而導致飛剪切損大；

（2）中間坯鐮刀彎和楔形容易干擾精軋的板型調節(jié)，進而出現成品鐮刀彎、厚度楔形大而改判，并造成鋼卷塔形等質量問題；

（3）大幅度鐮刀彎和楔形會導致精軋穿帶過程中出現跑偏、堆疊等問題，容易出現甩尾、軋爛、斷尾、堆鋼等事故。

問題根本原因在于遷鋼熱軋R1軋機沒有液壓壓下缸，目前僅靠電動壓下調整，手段過于單一、板型難于控制，給后續(xù)R2和精軋軋制帶來不好的遺傳性，不利于產品質量的提升。

3 改造總體方案

基于上述問題，決定對R1軋機進行改造，增加液壓壓下裝置。輥縫控制由單一電動壓下改為電動壓下和HGC液壓壓下相結合，提高R1軋機的標定力和輥縫調平精度，以期獲得更好的中間坯板型。

經過多方調研，R1增加液壓壓下在技術上具有可實施性，在現場設備上具備安裝空間，且R1具有液壓壓下的軋機應用普遍。因此，此方案具有較強的可實施性。

3.1 機械部分

機械部分的設計嚴格根據現場實際空間限制因地制宜，在不改變R1軋機其它工藝參數的情況下，對原有絲杠進行再加工，并設計一對HGC缸，以替換目前的壓下回油盤和止推軸承。

其中，絲杠長度縮短207mm；花鍵長度不變；螺紋長度縮短92mm；液壓缸（含球面墊）高度增加287mm；絲杠加球面墊總長增加80mm；銅螺母尺寸不變；上軸承中心與上平面高度減少50mm。改造后電動壓下動作行程不變；最大輥徑最大開口度減少30mm，滿足實際工藝需求。

為了增大HGC缸安裝空間的需要，保證R1軋機最大開口度，對R1軋機平衡系統(tǒng)和壓下絲杠進行設計和核算。

（1）重新對絲桿進行設計制造，絲桿端長度需要削減，同時加工相應的連接螺栓孔；

（2）上工作輥軸承包需根據安裝HGC缸的需要進行減薄，同時要對減薄的軸承座進行強度核算［1］。

與某設備制造廠合作設計定制特殊的HGC缸，由于絲桿與上工作輥軸承座間現有空間較小，HGC缸設計有如下特點：

（1）HGC缸設計必須結構緊湊、體積盡量小，行程合理；

（2）HGC缸與絲桿間連接取消止推軸承設計，改用球面墊連接，有利于節(jié)省空間。

表1 HGC液壓缸參數

3.2 液壓部分

為了達到最優(yōu)的輸出力，新HGC設計的工作油壓較高，原粗軋低壓液壓系統(tǒng)工作壓力不滿足新HGC液壓缸的需求。因此將處于備用的2＃運輸線液壓系統(tǒng)利舊，重新移位安裝在粗軋R1地下室，并對液壓泵站和出口閥塊進行重新改造，滿足壓力和流量要求，改造后的液壓壓下裝置見圖2。

圖2 改造后帶液壓壓下裝配圖

表2 液壓泵站參數

同時在R1軋機兩側出口增加與HGC缸配套的控制閥臺和中間配管，增加與HGC液壓缸壓下相配套的伺服控制系統(tǒng)，見圖3。每側無桿腔有兩個伺服閥控制，可以通過模式選擇來控制兩側液壓鎖，在1，2，1＋2，2＋1這4個模式之間進行切換。兩側有桿腔各由一個比例閥來控制工作和卸荷壓力切換。

3.3 控制部分

控制系統(tǒng)采用西門子TDC控制系統(tǒng)，增加相應的高速控制器及信號接口處理單元。根據當前自動化系統(tǒng)硬件配置以及現場增加的壓力及位置檢測單元數量測算，在原控制系統(tǒng)基礎上新增部分硬件擴展是可行的。

表3 控制設備清單

系統(tǒng)改造升級完畢后，效仿電液結構典型控制方式，在原有控制系統(tǒng)的基礎上進行優(yōu)化完善，將純電動壓下控制方式升級為電液結合的控制方式。

圖3 HGC液壓系統(tǒng)圖

4 自動控制方案

自動控制整體設計以輥縫位置閉環(huán)控制（APC）為基礎，加上以軋制力AGC為主的多種自動輥縫補償功能。

4.1 輥縫位置閉環(huán)控制（APC）

4.1.1 軋機輥縫計算

軋機的輥縫是指在工作輥平衡狀態(tài)下，下工作輥上表面和上工作輥下表面的距離。輥縫計算原理如圖4。

圖4 輥縫計算原理圖

電動壓下絲桿的位置是由安裝在軋機電動壓下絲桿上的位置傳感器檢測；HGC液壓缸的位置是由安裝在缸上的位置傳感器來檢測的。

在不考慮軋機彈跳的情況下，軋機輥縫的變化與電動壓下絲杠和液壓壓下HGC缸的伸縮呈線性關系。

知道了電動壓下絲杠的移動距離，或者是HGC缸的移動距離，就知道了輥縫的變化大小。

因此，標定的原理就是：在某一個已知的輥縫位置值的情況下，記錄下此時的MTS檢測值。那么就可以根據其它任何時刻的MTS值，計算出此時的輥縫實際值。

選擇已知的輥縫值的常見方法：

（1）使用已知厚度的標定板（如某些夾送輥的標定）；

（2）使用測量工具手動測量（如某些側導板的標定）；

（3）在一定的載荷下，對兩輥進行壓緊，此時認為零輥縫（平輥軋機多用此方法）。

4.1.2 電＋液聯合壓下負荷分配

接收到二級下發(fā)的設定輥縫后，一級自動化首先對EGC和HGC設定輥縫進行負荷分配。負荷分配遵循以下原則，如圖5所示。

圖5 電＋液聯合壓下負荷分配流程圖

（1）在預擺輥縫時，當實際輥縫與預設輥縫相差較大時，調用電動EGC，對輥縫進行粗調整。在調整過程中，如果實際輥縫與目標值相近，電動EGC停止動作，由液壓HGC完成輥縫的精調；

（2）當實際輥縫與預設輥縫相差較小時，則直接調用液壓HGC完成預擺輥縫。

圖中，Gr—設定輥縫；Ga—實際輥縫；glim—擺輥縫偏差限；Er—設定電動壓下位置；Ea—實際電動壓下位置；E0—電動壓下清零位置；e0—電動位置最小偏差；Hr—設定液壓缸位置；Ha—實際液壓缸位置；H0—液壓清零位置；h0—液壓位置最小偏差。

4.1.3 電動輥縫控制（EGC）原理（見圖6）

當控制器接收到輥縫分配系統(tǒng)下發(fā)的輥縫設定值時，與相應的實際值進行比較，經過位置控制器后，再進入限幅器，輸出壓下速度設定。傳動側和操作側采用的主從模式即傳動側為主，操作側為從，所以經過轉換后的速度附加到傳動側壓下電機上，操作側電機跟隨其動作。

當實際值與設定值偏差大于0.8mm時，壓下抱閘系統(tǒng)接受到打開命令，兩側電機各自通過相應的減速單元后帶動絲杠做相應的動作；當實際值與設定值偏差小于0.1mm時，系統(tǒng)會認為壓下輥縫調整到位，相應的抱閘系統(tǒng)將接受到關閉命令，進而使得兩側壓下電機速度為0mm／s。

圖6 EGC原理圖

4.1.4 液壓輥縫控制（HGC）原理（見圖7）

圖7 HGC原理圖

HGC采用簡單的偏差比例調節(jié)（P調節(jié)），主要實現以下功能：

（1）根據HGC的設定位置對輥縫進行精確調節(jié)；

（2）調平相對于軋制力方向的上輥位置和調平輥縫標定時的上輥位置；

（3）如果在軋制過程中電動壓下有移動，可以用液壓壓下校正總輥縫；

（4）液壓壓下用于換輥后標定輥縫時進行軋制力的標定。

4.2 AGC系統(tǒng)

4.2.1 軋制力AGC

軋制力AGC是利用彈跳方程，通過軋制力計算軋機彈跳值進行反饋控制，這是AGC系統(tǒng)中基本的控制功能［2］，見圖8。

式中，h為軋機實際輥縫；S0為空載輥縫；P為實際軋制力；M為軋機剛度。

圖8 軋機彈跳曲線

4.2.2 油柱壓縮補償（原理見圖9）

液壓缸行程不同導致油柱高度的不同，不同的油柱高度將使油柱產生不同的壓縮比。

在西門子控制系統(tǒng)中，油柱壓縮補償控制采用了專用功能塊（OCC4F），操作側和傳動側輸出的油柱壓縮補償系數相同。功能塊OCC4F采用的油柱壓縮補償系數為線性關系，當不采用油柱壓縮補償時，系數為“1”。

圖9 油柱壓縮補償原理圖

圖中，WD＝軋輥直徑；S＝位置；C＝補償系數；PMAX_C＝最大補償系數；h1＝最大軋輥直徑時的油柱高度；h2＝最小軋輥直徑時的油柱高度，PSL_D＝與C軸交點。

4.2.3 閥特性補償（蝶形曲線）（見圖10）

伺服閥是一個非線性元件，其流量不但與伺服閥電流有關，還取決于伺服閥兩側的壓力差。液壓缸在其工作區(qū)間，隨著方向、軋制力的變化，其特性是不對稱的，往返運動時差異很大，且動態(tài)特性變化也很大。由于其內縮和外伸方向運動時的速度與液壓缸油壓的關系呈蝶形，也稱為蝶形曲線。

圖10 閥特性補償（蝶形曲線）

伺服閥這種變增益特性，不利整定參數。為此，加入非線性補償環(huán)節(jié)，以改善系統(tǒng)性能。

5 應用效果

傳統(tǒng)的電動壓下控制系統(tǒng)速度慢、精度差，改造后的電液壓下自動控制系統(tǒng)可更有效提升軋制精度，解決負荷狀態(tài)下輥縫因擾動所產生的變化問題，其應用效果主要體現在以下方面。

（1）電液聯合壓下自動控制系統(tǒng)靈敏度高，控制信號響應速度更快，調整精度更高。能夠達到的最大控制精度為1μm，而純電動壓下系統(tǒng)最大控制精度則只能到0.1mm；

（2）液壓壓下自動控制系統(tǒng)具有可靠的過載保護，可有效地避免因軋機過載而出現的軸承與軋輥被損壞等問題。液壓壓下自動控制系統(tǒng)可在異常運行狀況下如堆鋼、卡鋼時，快速排除液壓缸中的壓力油進行卸荷，從而與廢鋼快速脫離接觸［3］，可減少30%以上的故障處理時間。

（3）增加液壓壓下后，標定力由原來的2MN提升至20MN，輥縫精度提升4.5%。

（4）增加液壓壓下后，可以實現帶載輥縫調節(jié)。在軋制力AGC、軋制力自動糾偏等自動控制功能的聯合作用下，軋機出口鐮刀彎±10mm內命中率提升30%，因鐮刀彎過大造成的停機和廢鋼回爐降為0。

6 結束語

綜上所述，熱軋粗軋機增加液壓壓下自動控制系統(tǒng)后，響應速度快、調節(jié)精度高，其應用有效地提升了輥縫控制精度和產品質量，有效地降低了生產成本，有利于生產企業(yè)經濟效益目標的實現。