劉雪剛，汪昌平，張 宇

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司長材事業(yè)部，安徽馬鞍山 243000）

引言

馬鋼中型材生產(chǎn)線于2018年投產(chǎn)，主要生產(chǎn)角鋼、工字鋼、槽鋼和H 型鋼等產(chǎn)品，其粗軋工藝段由2 架兩輥可逆式開坯機(jī)軋機(jī)組成。開坯機(jī)作用是將鋼坯進(jìn)行粗軋塑性加工，使得軋制坯料截面變小或者變?yōu)樘囟ǖ漠愋?，以達(dá)到利于精軋軋機(jī)的咬入以及軋制負(fù)荷均勻分擔(dān)的效果［1］。投產(chǎn)初期，馬鋼中型材開坯機(jī)在軋制過程中經(jīng)常出現(xiàn)上輥壓下機(jī)構(gòu)中的回松裝置壓力大幅度波動(dòng)，造成輥縫控制的穩(wěn)定性不理想。一方面開坯機(jī)本身在輥縫控制過程中會(huì)因回松裝置壓力波動(dòng)大達(dá)到保護(hù)閾值觸發(fā)保護(hù)性停機(jī)中斷軋制；另一方面也會(huì)導(dǎo)致粗軋出口的半成品尺寸有偏差，給精軋咬入道次增加額外軋制量，導(dǎo)致精軋一架頻繁過負(fù)荷甚至斷輥。因此，開坯機(jī)回松裝置壓力波動(dòng)問題急需解決。

1 開坯機(jī)軋輥控制系統(tǒng)原理

1.1 軋輥設(shè)備系統(tǒng)

中型材開坯機(jī)輥縫控制系統(tǒng)設(shè)備部分主要由上下水平軋輥輥系、上輥壓下機(jī)構(gòu)和上輥平衡機(jī)構(gòu)組成。下水平軋輥為固定軋輥，上水平軋輥可通過壓下機(jī)構(gòu)與平衡機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)軋輥輥縫大小的調(diào)節(jié)。壓下機(jī)構(gòu)為電機(jī)傳動(dòng)蝸輪蝸桿帶動(dòng)絲桿升降，絲桿下端各有一個(gè)回松裝置，傳動(dòng)側(cè)和非傳動(dòng)側(cè)蝸輪蝸桿通過離合裝置實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)或者分動(dòng)，軋制過程中離合裝置處于閉合狀態(tài)，回松裝置沖壓，兩蝸輪蝸桿同步運(yùn)行以保證上軋輥水平?；厮裳b置的主要作用為軋機(jī)卡鋼時(shí)，通過該裝置泄壓可以讓上輥泄去機(jī)械硬力，保證絲杠能夠正常動(dòng)作，提升上輥，讓卡阻的軋件順利退出軋機(jī)［2］。平衡機(jī)構(gòu)為傳動(dòng)側(cè)和非傳動(dòng)側(cè)各一個(gè)平衡液壓缸，平衡液壓缸連接上軋輥支撐架，工作時(shí)平衡液壓缸始終保持上提壓力狀態(tài)。設(shè)備系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 輥縫控制系統(tǒng)設(shè)備組成圖

1.2 壓下回松裝置液壓系統(tǒng)

開坯機(jī)輥縫控制液壓系統(tǒng)由粗軋區(qū)域液壓站供壓，主泵電機(jī)容量為110 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 480 r/min，系統(tǒng)工作壓力為15 MPa。回松裝置工作壓力為11 MPa 左右，其液壓控制原理圖如圖2 所示，回松裝置具有絲桿側(cè)和軋輥側(cè)兩個(gè)液壓油腔，當(dāng)A 通道導(dǎo)通主回路供油P 管，B 通道連接主管回油T管時(shí)，絲杠側(cè)液壓缸沖壓，液壓缸行程往軋輥方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)絲桿與軋輥支架的緊密結(jié)合；當(dāng)B通道導(dǎo)通主回路供油P 管，A 通道連接主管路回油T 管時(shí)，軋輥側(cè)回松裝置沖壓，液壓缸行程往絲桿側(cè)方向運(yùn)動(dòng)，軋輥受絲桿壓下力解除［3］。

圖2 回松裝置液壓控制原理圖

1.3 回松裝置液壓電控系統(tǒng)

通過液壓原理分析得知，當(dāng)開坯機(jī)進(jìn)行軋鋼時(shí)，壓下系統(tǒng)平衡投入，系統(tǒng)對回松裝置絲杠側(cè)發(fā)送沖壓命令，此時(shí)電磁閥HC/EV15a 得電，電磁閥HC/EV15b失電，A通道與主回路供油P管連通，B通道與主回路回油T 管連通，回松裝置絲杠側(cè)油腔壓力大于軋輥側(cè)油腔壓力實(shí)現(xiàn)回松裝置往軋輥側(cè)運(yùn)動(dòng)，絲桿與軋輥緊密連接，此時(shí)配合平衡機(jī)構(gòu)的液壓缸向上托起，可以實(shí)現(xiàn)水平上軋輥保持平衡，通過壓下絲桿上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)輥縫調(diào)節(jié)控制。當(dāng)開坯機(jī)因軋制異常造成卡鋼時(shí)，鋼坯負(fù)載會(huì)給上水平軋輥一個(gè)向上的頂力，造成絲桿絲牙徑向受力緊密咬合，絲桿無法動(dòng)作，軋件無法退出，此時(shí)可以通過給回松裝置軋輥側(cè)發(fā)送泄壓命令（程序控制中定義為回松裝置泄壓），電磁閥HC/EV15b得電，電磁閥HC/EV15a 失電，B 通道與主回路供油 P 管連通，A 通道與主回路回油T 管連通，回松裝置軋輥側(cè)油腔壓力大于絲桿側(cè)油腔壓力實(shí)現(xiàn)回松裝置往絲桿側(cè)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)回松裝置軋輥側(cè)壓頭與軋輥分離，絲桿絲牙徑向受力解除，絲杠可以操作提升，軋輥上輥可通過平衡機(jī)構(gòu)液壓缸提升，輥縫放大，軋件可以輕松退出。回松裝置控制程序如圖3 所示，執(zhí)行沖壓命令時(shí) DB220.DBX1.5 的值為 1，沖壓命令 Q21.4 取DB220.DBX1.5 的值置1，即沖壓電磁閥HA/EV15a打開并始終保持，同時(shí)泄壓命令Q21.5 取DB220.DBX1.5 的反值置0，即泄壓電磁閥HA/EV15b 關(guān)閉并始終保持；執(zhí)行泄壓命令時(shí)DB220.DBX1.5 的值為 0，沖壓命令 Q21.4 取 DB220.DBX1.5 的值置 0，即沖壓電磁閥HA/EV15a 關(guān)閉并始終保持，同時(shí)泄壓命令Q21.5 取DB220.DBX1.5 的反值置1，即泄壓電磁閥HA/EV15b打開并始終保持。

圖3 回松裝置壓力原控制程序

2 回松裝置壓力異?，F(xiàn)象及分析

2.1 回松裝置壓力異?，F(xiàn)象

當(dāng)開坯機(jī)處于待軋制爬行狀態(tài)或者模擬軋鋼時(shí)，回松裝置的壓力均能夠穩(wěn)定在11 MPa 左右，系統(tǒng)運(yùn)行正常。當(dāng)有熱坯軋件進(jìn)入軋機(jī)進(jìn)行實(shí)際軋制時(shí)，在咬鋼的瞬間因負(fù)載的投入回松裝置壓力會(huì)大幅升高，軋件頭部沖擊時(shí)段過去之后回松裝置壓力能夠恢復(fù)到正常工作壓力即11 MPa左右，但是在軋件進(jìn)行拋尾離開軋機(jī)時(shí)，回松裝置壓力會(huì)出現(xiàn)大幅下降的現(xiàn)象，嚴(yán)重的時(shí)候回松裝置壓力會(huì)低于9 MPa 觸發(fā)保護(hù)造成軋制程序中斷，需操作工手動(dòng)故障復(fù)位后方可繼續(xù)進(jìn)行下一道次軋制。這種失壓現(xiàn)象在工藝及程序控制中屬于異常，無法保障開坯機(jī)軋制流程的全自動(dòng)化執(zhí)行，同時(shí)經(jīng)過對異常道次出口的軋件尺寸進(jìn)行測量發(fā)現(xiàn)軋件壓下量沒有達(dá)到預(yù)期尺寸，軋件截面尺寸與當(dāng)前工藝需求有偏差，造成后續(xù)工藝實(shí)際壓下量偏大，負(fù)載增加。通過PDA記錄回松裝置壓力異常曲線如圖4所示。

圖4 回松裝置壓力異常曲線記錄（X-工序時(shí)間，Y-壓力值（MPa））

2.2 回松裝置壓力異常原因分析

針對開坯機(jī)回松裝置軋鋼時(shí)壓力異?，F(xiàn)象的PDA 數(shù)據(jù)研究分析發(fā)現(xiàn)，咬鋼瞬間由于軋制沖擊的存在，回松裝置壓力波動(dòng)在短時(shí)上升是正常的。但是，軋件尾部離開軋機(jī)時(shí)，回松裝置壓力下降，且失壓時(shí)間較長就屬于異常情況，通過數(shù)據(jù)記錄發(fā)現(xiàn)持續(xù)1～2 s 的失壓狀態(tài)在BD 機(jī)軋制過程中被判定為回松裝置失壓，導(dǎo)致自動(dòng)軋制程序中斷。

咬鋼過程軋輥受力分析如圖5。

圖5 咬鋼過程軋輥受力分析

圖5 中F1為壓下系統(tǒng)對軋輥的壓下力，F(xiàn)2為系統(tǒng)平衡時(shí)軋制力，F(xiàn)3 為咬鋼前后鋼坯動(dòng)量變化對軋輥沖擊力，F(xiàn)4為軋輥對鋼坯水平阻力

根據(jù)現(xiàn)場軋制工藝m=2 000 kg，v0=4.8 m/s，v1=1.0 m/s，咬鋼沖擊時(shí)間t=0.001 s，系統(tǒng)壓力15 MPa，壓下螺母接觸面積為0.38 m2計(jì)算。將公式（2）、（3）帶入公式（1）可得：

通過綜合分析計(jì)算確定了當(dāng)軋制力等于F2 即1 900 000 N 時(shí)，軋件咬鋼沖擊和軋制力共同作用，此時(shí)軋件對軋輥的向上作用力與回松裝置系統(tǒng)最大壓力下的作用力形成平衡，當(dāng)現(xiàn)場軋制壓下量比較大的規(guī)格時(shí)經(jīng)查詢軋制工藝手冊軋制力最大可達(dá)到2 450 000 N，此時(shí)造成軋輥對回松裝置的壓力將大于15 MPa，同時(shí)電磁閥HC/EV15a 為持續(xù)得電打開狀態(tài)，造成了絲桿側(cè)的油腔內(nèi)介質(zhì)往供壓管路回流，油缸行程被迫往絲桿側(cè)運(yùn)動(dòng)了，輥縫同步被迫增大減小軋制壓下量直至軋制力到達(dá)1 900 000 N的平衡狀態(tài)。當(dāng)軋件脫離軋機(jī)后絲桿側(cè)的油腔受到的軋輥側(cè)壓力瞬間消失，此時(shí)液壓系統(tǒng)迅速形對絲桿側(cè)油腔進(jìn)行補(bǔ)油，這個(gè)補(bǔ)油的時(shí)間約為1～2 s。故障道次回松裝置壓力曲線如圖6所示。

圖6 故障道次的回松裝置失壓情況（X-工序時(shí)間，Y-壓力值（MPa））

3 回松裝置壓力異常改進(jìn)措施

根據(jù)故障發(fā)生的機(jī)理現(xiàn)場采取了對液壓系統(tǒng)改進(jìn)和控制算法優(yōu)化的措施。針對開坯機(jī)回松裝置絲桿側(cè)油腔受到軋件咬鋼沖擊力矩造成介質(zhì)往供油P 管路回流的現(xiàn)象，對原回松裝置液壓供油P管路新增了一個(gè)電磁閥HC/EV16 并對該電磁閥進(jìn)行條件性開閉控制，即當(dāng)回松裝置壓力小于9 MPa時(shí)或者執(zhí)行回松裝置沖壓操作時(shí)電磁閥HC/EV16得電導(dǎo)通，當(dāng)回松裝置壓力大于14 MPa 時(shí)電磁閥HC/EV16 失電關(guān)閉。通過改進(jìn)后，在軋鋼的過程中當(dāng)咬鋼壓力大于保護(hù)壓力14 MPa（保護(hù)壓力設(shè)置可調(diào)整，比系統(tǒng)壓力15 MPa 低）情況再次發(fā)生時(shí)因?yàn)殡姶砰yHC/EV16 失電關(guān)閉讓回松裝置的絲桿側(cè)油腔形成了密閉容器，保障了油腔內(nèi)介質(zhì)不會(huì)回流，回松裝置油缸行程也就不會(huì)發(fā)生移動(dòng)了。最終回松裝置的壓力在軋件拋尾離開軋機(jī)后不再發(fā)生失壓現(xiàn)象，再次記錄曲線如圖7所示，同時(shí)軋件在離開該軋機(jī)后的截面尺寸也符合了工藝需求。液壓改進(jìn)原理圖如圖8。

圖7 液壓回路與電控程序改進(jìn)后記錄的回松裝置壓力曲線（X-工序時(shí)間，Y-壓力值（MPa））

圖8 改進(jìn)后的液壓原理圖

電控程序修改如圖9 即增加了實(shí)際壓力判斷，回松缸壓力小于9 MPa 時(shí)Q21.6 置1 電磁閥HC/EV16 得電導(dǎo)通讓回松缸與系統(tǒng)連通并保持沖壓狀態(tài)，回松缸壓力大于保護(hù)壓力14 MPa 時(shí)Q21.6 置0電磁閥HC/EV16 失電關(guān)閉讓回松缸與系統(tǒng)隔離形成密閉容器。

圖9 改進(jìn)后的電氣控制程序

4 項(xiàng)目成效

對馬鋼中型材開坯機(jī)回松裝置實(shí)施優(yōu)化改進(jìn)后，取得了良好的效果。一是相比改進(jìn)前因回松裝置原因的故障時(shí)間實(shí)現(xiàn)清零；二是回松裝置壓力的穩(wěn)定保證了軋機(jī)輥縫控制的穩(wěn)定，使得工藝控制更加精準(zhǔn)，也為后續(xù)軋制工藝提供了保障；三是開坯機(jī)自動(dòng)軋制程序沒有再發(fā)生過中斷情況，保障了軋制節(jié)奏的高效。經(jīng)現(xiàn)場測算，相比于改造前每月開坯機(jī)減少因回松裝置故障時(shí)間約200 min，同時(shí)回松裝置的穩(wěn)定運(yùn)行使得軋線軋制節(jié)奏提升了約10%，以原班均產(chǎn)量400 t 進(jìn)行測算每班可提升約40 t 軋制量，每年增產(chǎn)約 40（t/班）×3（班/天）×365 天=43 800 t。

5 結(jié)語

綜上所述，馬鋼中型材開坯機(jī)回松裝置優(yōu)化改進(jìn)后，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性與高效性大大提升。根據(jù)改造思路進(jìn)行推廣，在對于其他液壓驅(qū)動(dòng)的有沖擊性或大慣量的負(fù)載條件時(shí)，使用換向閥加先導(dǎo)電磁閥控制工藝的液壓系統(tǒng)采取工作壓力條件性控制，可以有效地保證液壓系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。