王躍民

(安陽鋼鐵股份有限公司)

2800mm中厚板軋機(jī)液壓AGC系統(tǒng)改造

王躍民

(安陽鋼鐵股份有限公司)

針對(duì)2800mm中厚板軋機(jī)液壓AGC系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行了分析。從液壓、機(jī)械、控制和操作等方面入手，對(duì)工藝自動(dòng)化和伺服缸機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)升級(jí)，滿足了生產(chǎn)要求。

中厚板 軋機(jī) 液壓AGC 改造

0 概況

液壓AGC就是借助于軋機(jī)的液壓系統(tǒng)，通過液壓伺服閥調(diào)節(jié)液壓缸的油量和壓力來控制軋輥的位置，對(duì)帶鋼進(jìn)行厚度自動(dòng)控制的系統(tǒng)［1］。液壓AGC系統(tǒng)具有軋制壓力大、控制精度高、響應(yīng)速度快、過載保護(hù)簡(jiǎn)單可靠的顯著特點(diǎn)，已成為現(xiàn)代化軋機(jī)裝機(jī)水平的重要標(biāo)志［2］。通過基礎(chǔ)自動(dòng)化和過程計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了快速、精準(zhǔn)的輥縫控制技術(shù)，滿足了現(xiàn)代化生產(chǎn)工藝要求。安鋼2800mm中厚板軋機(jī)液壓AGC系統(tǒng)是90年代初期設(shè)備，主要由486計(jì)算機(jī)、STD總線﹑液壓站﹑J079－159型電液伺服閥﹑檢測(cè)儀表等部分組成。

1 存在的問題及分析

安鋼2800mm生產(chǎn)線由單機(jī)架改造為雙機(jī)架四輥軋機(jī)，產(chǎn)能由42萬t/年提高到125萬t/年;品種由Q235為主的普碳板轉(zhuǎn)變到低合金系列的16MnQ、16MnR和船板等高強(qiáng)度板;板坯單重由2.5 t上升到7 t;隨著產(chǎn)能的提高、生產(chǎn)節(jié)奏的加快以及軋制強(qiáng)度不斷上升，液壓AGC系統(tǒng)越來越不能滿足生產(chǎn)要求，存在問題主要包括:伺服油缸開裂、液壓系統(tǒng)故障頻繁和控制精度低幾方面。

1.1 伺服油缸開裂

伺服油缸先后兩次出現(xiàn)底部開裂等較大設(shè)備故障，致使軋機(jī)液壓AGC系統(tǒng)停用時(shí)間累計(jì)達(dá)到4個(gè)月以上，給生產(chǎn)組織造成很大影響。分析其原因主要包括:一是支撐輥軸承座與牌坊存在2.5mm左右間隙，而牌坊與伺服油缸間的間隙最小才1mm(現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè))。由于間隙過小，造成軋鋼時(shí)本應(yīng)支撐輥軸承座承受的沖擊力，由伺服油缸承受附加外力，進(jìn)而造成缸底開裂。這一情況，從防轉(zhuǎn)塊固定螺栓多次斷裂可以說明。二是各主要配合尺寸間隙不合理，造成在使用時(shí)伺服油缸局部應(yīng)力過于集中而產(chǎn)生開裂。

1.2 伺服閥塊設(shè)計(jì)繁瑣，故障率高

伺服閥塊采用二缸四閥配置，屬90年代初期水平，理論上可實(shí)現(xiàn)A－C、B－D和A－B－C－D三種控制方式，實(shí)際應(yīng)用中只能實(shí)現(xiàn)前兩種，第三種由于穩(wěn)定性太差，很少在軋鋼生產(chǎn)中應(yīng)用。生產(chǎn)中，由于結(jié)構(gòu)繁瑣，控制復(fù)雜，故障率非常高，不利于快速的故障判斷和處理，檢修、維護(hù)難度大等不利因素。

1.3 控制系統(tǒng)精度低

控制系統(tǒng)由486計(jì)算機(jī)、模擬量檢測(cè)儀表和STD總線等組成。486計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度慢，經(jīng)常出現(xiàn)死機(jī)。系統(tǒng)僅能實(shí)現(xiàn)部分1級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化功能(僅厚度補(bǔ)償)，對(duì)于寬度超過2200mm、厚度小于12mm的品種板來說，不能滿足在4200 t～4800 t之間軋制要求，控制精度很差(當(dāng)鋼坯溫度較好時(shí)精度可達(dá)±0.15mm，鋼坯溫度差時(shí)精度降到±0.35mm)。主要體現(xiàn)在以下兩方面:

1)控制方式以電動(dòng)APC+手動(dòng)壓下+液壓AGC微調(diào)為主，主要問題包括:電動(dòng)壓下的渦輪蝸桿存在間隙，影響產(chǎn)品精度;電磁離合器容易打滑，使軋輥兩側(cè)輥縫出現(xiàn)偏差;人工操作壓下厚度，精度低，隨意性大;液壓AGC工作行程過小，不能滿足成品道次的全液壓軋制，僅能起到道次間的微調(diào)補(bǔ)償作用。

2)頭部沉入現(xiàn)象嚴(yán)重。在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品距離頭、尾約100mm～300mm處同板差普遍較大，甚至超平均值0.3mm。為解決難題，按以下方案采集數(shù)據(jù):軋件咬入后，每16 ms分別從TDC采樣軋制力、壓下絲杠MTS值、油柱MTS值以及總輥縫值，共采樣320 ms，并記錄相應(yīng)項(xiàng)目咬鋼前的穩(wěn)定值。在手動(dòng)狀態(tài)和自動(dòng)狀態(tài)，以軋制20mm厚的Q345軋件為例，所得數(shù)據(jù)繪圖如圖1、圖2所示。

圖1 手動(dòng)狀態(tài)軋件頭部輥縫

圖2 自動(dòng)狀態(tài)軋件頭部輥縫

由以上圖1、圖2可以看出，在軋件咬入時(shí)，軋制力的階躍對(duì)軋機(jī)系統(tǒng)是個(gè)沖擊，造成的影響是輥縫暫時(shí)偏離設(shè)定值，液壓AGC的輥縫閉環(huán)調(diào)節(jié)需要一定響應(yīng)時(shí)間才能把輥縫恢復(fù)到設(shè)定值，造成咬鋼初期產(chǎn)品頭部偏厚，影響相對(duì)AGC鎖定值的準(zhǔn)確度，使得AGC補(bǔ)償不能及時(shí)投入，必須等到輥縫回到預(yù)擺位置才能投入，對(duì)產(chǎn)品的同板厚差和異板厚差都產(chǎn)生較大影響。

2 系統(tǒng)改造

液壓AGC改造首先考慮兩臺(tái)軋機(jī)間的坯料厚度和軋制節(jié)奏銜接問題。粗軋機(jī)是交流電機(jī)，軋制能力強(qiáng)，軋制速度快;精軋機(jī)是直流電機(jī)，成品道次多，軋制速度慢等特點(diǎn)。依據(jù)精軋機(jī)和粗軋機(jī)不同的軋制規(guī)程計(jì)算，確認(rèn)粗軋機(jī)成品厚度應(yīng)控制在40mm～50mm之間，生產(chǎn)節(jié)奏比較合理。另外，通過軋機(jī)牌坊的剛度測(cè)試和壓靠程序，消除高軋制力的軋輥?zhàn)冃巍?/p>

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)伺服油缸

2.1.1 伺服油缸設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)定

伺服油缸連接方式與軋機(jī)壓下的蝸輪蝸桿緊密相關(guān)，而外形尺寸直接受軋機(jī)牌坊的窗口限制，因此，本次改造在保持原有連接方式和外形尺寸不變的前提下，針對(duì)伺服油缸進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。依據(jù)軋機(jī)裝配圖計(jì)算后得出，改造后伺服油缸工作行程不能大于80mm，確保正常的平衡塊更換、伺服油缸更換和前后機(jī)架輥更換。經(jīng)計(jì)算得出:伺服油缸內(nèi)徑由Φ1400mm改進(jìn)為Φ1200mm，活塞桿直徑由Φ1200mm改進(jìn)為Φ1100mm，最大工作行程由20mm改進(jìn)為80mm，改造后伺服油缸參數(shù)為Φ1200mm×Φ1100mm×80mm。

2.1.2 調(diào)整伺服油缸配合間隙

在缸體、止推軸承和壓下螺絲三者之間參考國(guó)內(nèi)同類機(jī)組間隙數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)(如圖3所示)，間隙參數(shù)見表1。

圖3 間隙示意圖

2.1.3 增加伺服油缸抗壓強(qiáng)度

經(jīng)計(jì)算，伺服油缸缸底厚度增加+50mm，缸璧增加+50mm(相當(dāng)于油缸內(nèi)徑減小100mm)。

表1 間隙參數(shù)

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)液壓閥塊

閥塊優(yōu)化設(shè)計(jì)采用二缸二閥配置，依據(jù)三位四通特性，將南、北閥塊上的A、B工作油口，分別對(duì)應(yīng)軋機(jī)操作側(cè)伺服油缸和傳動(dòng)側(cè)伺服油缸。這樣，對(duì)于同一個(gè)伺服閥而言，在操作側(cè)安裝的伺服閥是A口工作，而傳動(dòng)側(cè)安裝的伺服閥是B口工作，具體原理如圖4所示。

圖4 閥塊原理

伺服閥在使用一定時(shí)間后可進(jìn)行換位工作，極大延長(zhǎng)了伺服閥使用壽命。對(duì)于同一型號(hào)的兩個(gè)伺服閥，機(jī)械“零位”和工作狀態(tài)時(shí)的“零位”由電氣信號(hào)保證。

2.3 優(yōu)化控制系統(tǒng)

軋機(jī)壓下控制系統(tǒng)的功能是在指定時(shí)刻，通過電動(dòng)壓下和液壓壓下將輥縫調(diào)節(jié)到給定的目標(biāo)值上，使調(diào)節(jié)后的輥縫實(shí)際值與目標(biāo)值之差保持在允許的誤差范圍內(nèi)，主要包括空載的預(yù)擺輥縫和帶載的輥縫快速調(diào)整。電動(dòng)APC和液壓AGC的基本控制原理如圖5所示。

圖5 電動(dòng)APC和液壓AGC控制原理

1)優(yōu)化電液聯(lián)擺方式。直接采用電動(dòng)APC和液壓AGC聯(lián)合控制方式為主控制模式，突出實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)APC的“快”和液壓AGC的“準(zhǔn)”兩大優(yōu)點(diǎn)。電液聯(lián)擺方式有兩種:①軋制規(guī)程每一道次，先按軋制狀態(tài)的基本設(shè)定油柱為基準(zhǔn)給定液壓位置，即液壓系統(tǒng)不動(dòng)，電動(dòng)壓下系統(tǒng)按設(shè)定的位移－速度曲線快速壓下，當(dāng)電動(dòng)到位(比如偏差＜0.5mm)后，保持電動(dòng)輥縫，讓液壓系統(tǒng)動(dòng)作以補(bǔ)償電動(dòng)死區(qū)。②在軋制規(guī)程的末兩道次，在油柱不超過液壓缸有效工作行程范圍時(shí)，電動(dòng)不動(dòng)，全用液壓油柱伸縮完成擺輥縫。規(guī)程的其余道次液壓系統(tǒng)始終在該軋制狀態(tài)的初始位置保持不動(dòng)，全部由電動(dòng)完成輥縫調(diào)整。如果超過液壓缸有效工作行程，程序?qū)⒆詣?dòng)切換到上一模式。

從實(shí)際運(yùn)用效果看，方式①和方式②相比，有明顯的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)樵趪?guó)內(nèi)現(xiàn)有中厚板生產(chǎn)中，厚板所占比重較少，末兩道次行程和一般都較小(大部分小于12mm)。

方式①也有它獨(dú)特之處，當(dāng)液壓缸行程很小，而對(duì)輥縫準(zhǔn)確要求很高時(shí)，就可用它。在改造實(shí)施過程中，利用原有伺服油缸(有效行程為8mm)，采用方式①進(jìn)行生產(chǎn)，取得了較好效果。

2)頭部沉入的改進(jìn)措施對(duì)整個(gè)改造工作至關(guān)重要，起到標(biāo)尺作用。如果頭部補(bǔ)償值過小，起不到相應(yīng)的補(bǔ)償作用，如果頭部補(bǔ)償值過大，容易造成超調(diào);如果補(bǔ)償時(shí)間不合理，又容易造成頭尾較長(zhǎng)范圍內(nèi)的厚度波動(dòng)。經(jīng)測(cè)試計(jì)算，主要包括以下改進(jìn):①咬鋼延時(shí)200ms后，開始計(jì)算80ms區(qū)間內(nèi)的兩側(cè)輥縫值和軋制力，其均值作為鎖定值，咬鋼300ms之后投入相對(duì)AGC補(bǔ)償，頭部沉入補(bǔ)償值為0.18mm。②降低進(jìn)鋼速度，做到平穩(wěn)咬鋼。③加強(qiáng)對(duì)軋機(jī)冷卻水的管理，包括擋水板、膠木條的維護(hù)。④保證加熱質(zhì)量，使坯料表面加熱溫度均勻。

3 效果

通過上述改造措施的全面實(shí)施，達(dá)到了良好效果，主要體現(xiàn)在以下幾方面:

1)控制方面，基礎(chǔ)自動(dòng)化使用SIMATIC TDC全數(shù)字控制系統(tǒng);過程控制使用HP等高端服務(wù)器，配有軋機(jī)操作系統(tǒng)和人機(jī)界面(HMI);檢測(cè)儀表采用MTS數(shù)字位置傳感器和HYDAC壓力傳感器;通訊連絡(luò)使用現(xiàn)場(chǎng)總線、遠(yuǎn)程I/O和工業(yè)以太網(wǎng)，把檢測(cè)儀表、基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)、過程計(jì)算機(jī)、操作臺(tái)、人機(jī)界面HMI、液壓站等有機(jī)的連接在一起，完成所有控制功能，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行速度由10 ms提高到1 ms。

2)液壓方面，采用了Rexroth系列恒壓變量泵，工作壓力由17 MPa提升到25 MPa;采用了HYDAC高精度過濾器，系統(tǒng)清潔度長(zhǎng)期保持在NAS163～5級(jí)運(yùn)行，伺服閥壽命由1年延長(zhǎng)至3年。

3)操作方面，實(shí)現(xiàn)了道次自動(dòng)下移、電液聯(lián)擺等;控制方式有手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)、全液壓等;實(shí)現(xiàn)了Win CC畫面顯示和計(jì)算機(jī)故障檢測(cè)記錄、規(guī)程優(yōu)化和自學(xué)習(xí);2000 t自動(dòng)壓靠、紅外線溫度顯示補(bǔ)償、計(jì)算機(jī)各道次參數(shù)計(jì)算、成品道次全液壓壓下;油缸行程由25mm提高到80mm。

4)產(chǎn)品精度，同板差控制精度達(dá)到 ±0.042mm，異板差控制精度達(dá)到±0.016mm，系統(tǒng)投用率達(dá)到99% 以上，提高產(chǎn)品成材率0.1% 以上。

4 結(jié)語

軋制生產(chǎn)正沿著高精度、連續(xù)化、高速化、大型化、自動(dòng)化、信息化和智能化方向迅速發(fā)展。通過改造，安鋼2800mm中厚板軋機(jī)裝機(jī)水平有了質(zhì)的飛躍，達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。為新工藝軋制、新品種開發(fā)提供了有力的設(shè)備和技術(shù)保障，在中厚板行業(yè)中具有較大的借鑒和推廣價(jià)值。

［1］鄭申白，曾慶亮，李子林.軋制過程自動(dòng)化基礎(chǔ).北京:冶金工業(yè)出版社，2005:35.

［2］楊安，歐陽奇.軋機(jī)液壓AGC系統(tǒng)建模與仿真.機(jī)床與液壓，2008(9):243－246.

HYDRAULIC AGC SYSTEM REFORMATION IN2800mm MEDIUM AND HEAVY PLATE MILL

Wang Yuemin
(Anyang Iron and Steel Stock Co.，Ltd)

After analyzing the existing problems of hydraulic AGC system in2800mm medium and heavy plate mill，the process automation and servo cylinder mechanical structure were reformed from hydraulic，mechanical，control and operation system，which implemented system upgrade and met production requirements.

medium and heavy plate rolling millhydraulic AGC reformation

2012—4—2