1700mm 5机架冷连轧机“甩机架”轧制策略及应用

2012-06-26唐武军

电气传动 2012年3期

唐武军

（武钢股份公司冷轧总厂一分厂，湖北武汉 430083）

武钢冷轧总厂一分厂1700mm 5机架轧机1978年投产，2003年完成了酸洗生产线与5机架轧机的联合改造（酸轧联机）。酸轧联机融合了工艺、机械、电气、传动、仪表和自动化等多方面的技术，高轧机作业率是酸轧联机经济高效运行的关键因素之一，当某种故障导致1个机架不能正常运行时，势必导致酸轧联机全线停产，影响产能。在满负荷生产要求背景下，如何应对突发的事故提高设备的保障能力是设备人员的课题。2010年成功完成了“5机架主传动系统改造”项目，此次改造包括了5机架主传动控制系统、工艺及传动控制（TDC）系统、HMI系统、数据采集及分析系统（PDA）、计算机过程控制系统（L2）、制冷系统等6大项目，新增和完善了近20项控制功能。在此次技改的新系统中增加了“甩机架”轧制功能，即：当某个机架的设备出现故障需要较长时间处理（或者暂时无备件）时，甩开该机架变成4个机架继续生产。

1 冷轧生产轧制规程的确定

1.1 冷轧工艺的特点及轧制规程

按照轧钢原理，冷轧带钢生产的轧制工艺特点主要有3点：带钢在轧制过程中会产生不同程度的加工硬化；冷轧过程必须采用工艺冷却和润滑；冷轧生产采用带张力轧制。轧制规程就是要针对冷轧带钢生产的特点以及产品的技术要求，制定相应的生产工艺参数。

由于冷轧时带材要产生加工硬化，加工硬化超过一定程度后，带钢因为过分硬脆就不能继续轧制。一般将再次软化退火之前的冷轧轧制生产称为一个冷轧轧制规程，轧制规程的确定主要取决于所轧钢种的软硬特性、原料及产品厚度、所采用的冷轧工艺方式与工艺制度，以及轧机的能力等因素。

5机架冷轧机的轧制规程是酸轧联机生产工艺的主要内容之一，直接关系到合乎要求的产品、产量、能耗及成本。1700mm 5机架冷轧机的轧制规程一般包括：总压下率、道次压下率、前后张力、轧制速度、轧辊的辊系和辊形（窜辊）、轧制力、弯辊力、油膜补偿系数、滑动系数等。制定冷轧规程的主要依据是：成品的各项标准，用户提出的特殊要求，以及设备能力和工艺规范等因素。如图1所示，图1中下角X是机架号，Y是轧制力。一般来说，压下率越大，功率越大；后张力越大，功率越大；材料硬度越大，功率越大。

图1 轧制力分配示意图Fig.1 The distribution of roll force

选择冷带钢原料厚度通常要考虑成品带材的质量要求，包括组织性能和表面质量。选择原料厚度主要考虑冷轧总压下率，因为对一定钢种、规格的产品，必需有一定的冷轧总压下率，才能通过热处理获得一定的晶粒组织和性能。例如：汽车板必须有50%～70%的冷轧总压下率，高强钢GQ320系列总压下率在45%～75%（见表1）。

表1 GQ320钢种冷轧的总压下率Tab.1 Total reduction of GQ360steel grade

冷轧轧制变形是在一定的前张力和后张力作用下完成的，不同的机架（轧制道次）、不同的品种规格、要求有不同的轧制张力，在生产中5个机架的前后张力都不同，5机架轧机典型的轧制张力分配图如图2所示。轧制张力主要根据带材的屈服极限σs来定，一般选用的单位张力是（20%～60%）σs，单位张力过大时会造成带材宽度上拉皱，甚至把带材拉断。前3个机架间的张力分配值较大。

图2 GQ系列轧制张力分配示意图Fig.2 Schematic of the distribution of rolling tension of GQ series

1.2 轧制的道次压下率及分配系数

来料厚度及出口厚度基本确定了冷轧总压下率，总压下率确定后要分配到各个机架轧制（道次）。道次压下率的分配原则一般是：第1，2道压下率最大，占70%以上的压下率。随着带材的加工硬化不断增加，而道次压下率逐渐减少，对于5机架轧机而言，前4道次的轧制力大致相同。第5道次为了保证板型及厚度精度，一般按经验取较小的压下率。

确定冷轧压下率时，先按经验对各机架的压下进行分配，然后按工艺要求并参考经验数据，选定各机架的单位张力，最后校对设备的负荷等各项限制条件，并做出适当修正。

轧制的道次可以有1～5次，对于5机架有5道次轧制，在甩机架模式下，变成4道次。分配各机架的压下率，可以采用能耗法，先确定各机架负荷分配比，算出压下量；也可以根据经验采用分配压下系数的表格（见表2），各道次压下量Δf公式如下：

式中：ΔF为轧制的总压下量；ki为压下分配系数，即绝对压下率。

各道次的分配系数对于不同钢种、不同规格是不同的，需要自学习优化调试，建立轧制的2级计算机过程控制数据库。表2是某钢种不同道次生产时的分配系数，显然在3个道次情况下，第3机架作为轧机用，而不是平整机架。

表2 不同道次压下的分配系数Tab.2 The distribution coefficient of different stands

1.35 机架生产的轧制规程

1700mm 5机架轧机生产材质分：普板（含深冲、高强、耐候等）、镀锌板（含彩板基材）、中低牌号电工钢、镀锡板。另外，5机架轧机的第1机架入口采用了大张力的张紧辊组，第1机架功率是后4个机架的一半，经过30a生产总结，优化确定的轧制规程的模型多达140个以上。表3是5机架生产的1个典型品种的轧制规程示例。

表3 CS－B钢种轧制规程Tab.3 The rolling schedule of CS－B steel grade

2 “甩机架”轧制的实现策略

2.1 “甩机架”轧制功能

“甩机架（out of service）”功能是一种紧急情况下的轧制功能，当1个机架有故障不能投入正常运行时，其余4个机架完成轧制功能，而且要能够提供跟5个机架普通轧制时同样的产品质量。甩开1个机架轧制，从普通轧制到甩机架轧制的模式切换必须顺畅，操作简单，转换过程只需要在HMI上进行一些手动的设置。在“甩机架”轧制状态下，一级基础自动化系统中的轧制力、速度、张力、厚度等各种闭环系统全部切除，完成一些穿带、运行、甩尾等操作条件及传动系统的模拟，保证轧机其他4个机架能高速稳定运行。二级过程自动化中包括几个方面的改变，一是新增“甩机架”服务的操作轧制指令；二是在模型中需要修改轧制参数，将原来5个机架生产时系统的负荷分配到其他4个机架。

2.2 “甩机架”功能的操作策略

“甩机架”模式通过基础自动化的HMI画面选择，发送给过程自动化系统。激发1个新的轧制规程的计算，分配到4个机架。通过手动进行必需的操作，例如打开辊缝（HGC及斜铁的位置）等动作。

2.2.1 “甩机架”功能实现的前提

当一个机架或者机架的重要部件发生故障不能参与轧制生产时，投入“甩机架”功能。对1＃～5＃机架全部有效。前提条件是，与机架功能相关的产品质量必须得到严格控制，否则“甩机架”没有意义了。

对于每个机架，都可以选择“甩机架”模式，或者非“甩机架”模式。选择必须在空载状态而且主传动停止（即速度n＝0）条件下进行。“甩机架”模式只能用于1个机架，其余4个机架必须具备生产条件。如果2个机架故障不能运行，则不能应用“甩机架”功能，由表2可以看出，仅仅使用3个道次生产时，最后1个道次是轧制模式而不是平整模式，产品的厚差难以确保。

2.2.2 “甩机架”的选择设置

通过HMI系统在画面上选择／取消“甩机架”模式，必须由专门的主操作人员完成，设有密码保护。

在主操作画面上，点击进入机架模式（stand mode），会弹出1个窗口，选择对应机架，点击“Out of Service”，再点击“Apply”则选择完成，在主画面上相应机架显示“甩机架”的蓝色标识。

2.2.3 新轧制规程运算

预选择完成后，过程自动化（L2）计算新的轧制规程，在设定值电文中将数据以及“甩机架”信号发送到基础自动化系统（L1）。轧制的总压下率由4个机架分配，甩开机架的轧制力、速度、压下率、前滑补偿值等设置为0，甩开机架的传动轴力矩及输出功率也是0。表4是甩开第4机架生产的轧制规程部分参数。

表4 甩开第4机架的轧制规程实例Tab.4 Example of rolling schedule without 4th stand

2.3 “甩机架”在基础自动化中的蕴义

“甩机架”功能目的是允许轧制的正常进行，通过选择“甩机架”功能，被选机架在基础自动化控制中的重要联锁被屏蔽了，即运行条件、设定值是否到达、带钢通过被选机架等联锁的监控作用被禁止了。监控被选机架设备的联锁成为操作人员的职责。

在“甩机架”模式下，所有LCO（全线协调控制器）汇集的指定机架的信号被“旁路”了，不再区分故障的原因，例如：来自传动系统或者液压辊缝的故障。

在“甩机架”模式下，网络的通讯还是要进一步监控并且起作用。假设在机架的设备部件发生故障时，基础自动化系统间的通讯仍然不受影响。如果辊缝控制、换辊等动作的操作底板坏了，即使在“甩机架”模式下，也不能正常轧钢，因为来自机架以及中间机架的一些辅助功能在轧制中是不可或缺的，一旦操作底板损坏，这些功能就失效了。

传动控制器的自动化部件损坏是唯一例外，这部分是可以停止的（不影响生产），当传动有缺陷时可以通过选择“某机架甩开”来旁通所有受影响的通讯部件。

2.4 应用程序中需要修改的软件

轧机的生产有许多应用程序，在“甩机架”模式下，下列自动化应用程序必须修改：1）一个机架甩开后的全线协调；2）被选择机架的主传动的处理。所选机架的主速度、电流等控制环不激活；3）工艺控制模式的处理；4）材料跟踪；5）回馈给L2的实际值处理。

3 “甩机架”轧制的应用

3.1 “甩机架”轧制的应用

在此次改造之前，5机架出现过1个机架故障不能投入正常生产的情况，工艺生产、设备专业曾配合调试，试验甩开机架生产，二级模型虽能给定，但是由于PLC，TDC上需要修改的变量太多，变量间的“互锁”相互制约，并不能形成稳定的控制闭环，切换调试需要2个多小时，而且更换钢种时需要重新设定及调试，轧制一卷的缓慢间歇动作，轧制完一卷前后需要近40min的时间，生产的连续性、高效性得不到保证，产品质量也无法保证。

改造后，一级和二级已经建立了良好的控制模型和闭环回路，操作工仅需要通过HMI画面选中甩轧制信号，该机架就可以立即脱开控制系统，设定值和控制值均稳定，切换的平台界面良好，较改造前大大缩短了时间。

3.2 “甩机架”生产的应用实例

参照前面章节的描述，我们以生产DC01钢种为例，来料规格：3.5mm×1269mm 轧机出口：1.455mm×1269mm，则甩开第2机架的新规程如表5所示。

表5 甩开第2机架的轧制规程实例Tab.5 The example of rolling schedule without 2th stand

由表5可见，该品种轧制的总压下量是3.5 mm－1.455mm＝2.045mm，第1，3，4，5机架的压下系数分别是42%，38.5%，18.7%和0.8%。

图3为甩开第2机架，生产DC01钢种（来料规格：4.5mm×1274mm 轧机出口：2.07mm×1274mm）时的实际值图示。

图3 甩第2机架轧制规程的各实际值示例图Fig.3 Sample figure of the actual values of rolling schedule without 2th stand

在实际的生产中，“甩机架”功能已经得到了几次应用。2011年2月6日夜班3∶00，第4机架爆辊故障，“甩机架”轧制6h，产量1500t；2月17日中班9∶40，第3机架上下电流不匹配，主传动跳闸，当班人员未查出故障原因，“甩机架”生产近10h，产量2250t。生产的产品均为合格产品。这2次切换生产时间不足30min，切换后操作人员可以与平常生产一样顺畅，保障了酸轧机组的生产。