冷轧4辊轧机倾斜异常的研究与应用

唐会龙

(湖南娄底华菱涟钢冷轧板厂，湖南 娄底 417009)

冷轧4辊轧机在生产过程中，时常出现板型不受控的现象，其中最主要最常发生的就是倾斜异常的问题。倾斜异常是指操作侧与传动侧的压力差值很大或者不稳定突变，此值如果较大，对于操作人员来说无疑增加了操作难度；如果倾斜值发生突变，产生的后果更加恶劣，轻则伤辊、废钢，重则断带等，存在很大的安全隐患。本文以奥钢联4辊平整机压下轧机为例，分析倾斜产生的机理，找出解决倾斜异常的方法。

1 轧制力计算原理和倾斜原因分析

搞清轧制力差值的原因，需从轧机内部的受力分析出发。图1是作用在带钢上的受力示意图。

F-轧制力；DS-传动侧；OS-操作侧；TOP_BUR-上支承辊；TOP_WR-上工作辊；G_SP-主轴和主轴头的重力；G-重力；H-液压测量值；R-轧制力测量；BAL-平衡缸压力；BEN-弯辊力；Apist-活塞面积；Arod-活塞杆面积图1 轧机轧制力测量图Fig.1 Rolling force measurement diagram of rolling mill

油缸液压压下力的计算公式：传动侧压下油缸压力，FH.DS=Ppist.DS×Apist-Prod×Arod；操作侧压下油缸压力，FH.OS=Ppist.OS×Apist-Prod×Arod。通过轧机内部安装的压力传感器测量的压力值来计算轧制力，传动侧轧制力，FR.DS=FH.DS+0.5×FGTOP.BUR+0.5×FGTOP.WR+FG,SPTOP_WR-FBAL.DSTOP_BUR-0.5×FBENWR；操作侧轧制力，FR.OS=FH.OS+0.5×FGTOP.BUR+0.5×FGTOP.WR-FBAL.OSTOP_BUR-0.5×FBENWR；那么轧制力差值DIFF_ROLL_FORCE= FR.DS-FR.OS。从上面的公式可以看出传动侧和操作侧的压力值只有一个区别，就是传动侧需要加上工作辊支承轴的重力。从以上几个公式来分析，影响轧制力差值的因素主要有以下几个方面：

(1)压下油缸泄露引起倾斜异常

压下油缸泄漏会明显影响压下的速率和响应速度，导致明显的倾斜差值。压下油缸泄露的情况分为内泄和外泄。通常外泄很容易发现，出现明显的漏油或者渗油现象，这种情况下必须把油缸解体更换密封或者修复磨损缸体才能解决；内泄就比较隐蔽，也不能通过点检发现。通常解决内泄的方法就是根据厂家提供的油缸说明书，到了年限必须进行解体检查。笔者碰到过压下油缸有直接严重漏油的现象，表现的现象就是轧机倾斜值很大，不受控，板型很难调节；更换油缸之后，倾斜异常现象立即消失。

(2)弯辊系统异常引起倾斜异常

从传动侧轧制力公式和操作侧轧制力公式得知，弯辊系统的问题也会造成倾斜值异常。弯辊系统由2个伺服阀控制4个弯辊油缸来完成，油缸动作通过弯辊滑块来调节，滑块是容易出问题的一个部件，轧机内部经常清洗，加上乳化液等各类混合物会堆积在滑块与牌坊的间隙里，造成滑块动作卡阻。

(3)伺服控制系统异常引起的倾斜异常

轧机内部的压下系统、弯辊系统等全是靠伺服阀来控制执行的，一旦伺服控制阀死区偏大或者液压系统油质油品不好也会造成倾斜异常。

(4)轧机内部传感器异常造成的倾斜异常

轧机内部在传动侧和操作侧分别安装了压下油缸压力传感器和位置传感器，弯辊油缸也安装了压力传感器。位置传感器精度很高，其分别率可达5μm。位置传感器通常在穿带、校辊、辊缝开闭合的过程起到控制反馈作用，在轧钢过程中主要起到监视作用。图2(a)是1个位置传感器异常时的曲线图，从图中可知在穿带过程中，位置控制POS_ON起作用，但是倾斜值dRf_ACT成震荡状态，导致伺服阀的输出也出现震荡情况。图2(b)是正常情况下的曲线图，两个曲线的参数设置一样，从两个图形的对比可以明显看出图2(a)情况下位置控制已经严重失效。更换位置传感器之后故障现象立即消失。

(a) 异常情况 (b)正常情况 图2 位置传感器曲线图Fig.2 Position sensor curve

(5)轧辊轴承间隙偏大造成倾斜异常

影响板材控制精度的因素不仅有来料板厚、板宽的偏差，还有如轴承间隙、油膜厚度、轧辊偏心等轧机方面的干扰因素。当一边轴承间隙慢慢变大时，轧机两侧轧制力差也变大，且是一种加速度变大的趋势，所以当两边轴承间隙不同时，对两边轧制力的影响也越来越严重。图3表明了轧辊轴承间隙与轧制力差的一种关系图，间隙越大，轧制力差值成加速度趋势增大。通常情况下要求轧辊轴承间隙值保证在0.03mm以内。

(6)辊缝异常打开造成的倾斜异常

高速轧钢的过程中，如果出现辊缝打开的现象，将直接会切换到位置控制模式，同时延伸率闭环控制转为开环。倾斜控制会出现一个阶跃响应，这个阶跃响应会造成倾斜值在短短几秒内从正偏差直接跳到负偏差，极易伤辊。图4为高速轧制过程中出现的异常情况。

图3 轧辊轴承间隙与轧制力差关系图Fig.3 Relationship between roller bearing clearance and rolling force difference

2解决方案

(1)压下油缸泄漏的问题，对于外泄现象发现比较容易，主要解决方案是加强日常点检。内泄则需要经过分析，笔者的经验是通过一定的过程分析软件(比如IBA在线监测分析软件)，分析两边油缸的动作情况是否同步等综合来判断。

(2)弯辊系统输出的弯辊力是总轧制力的一部分，如果弯辊系统出现问题也会造成倾斜偏大，弯辊的作用主要用来调整板型以及在位置控制过程中用来调整辊缝。弯辊出问题有几个方面，最多的是铜滑块起毛或者润滑不好造成卡阻，这样在开闭辊缝的过程中势必造成操作侧和传动侧压下不一致，解决方法就是每个换辊周期对滑块进行打油润滑，每隔半年更换滑块一次；另外弯辊伺服系统也会造成倾斜偏大，主要解决方案就是对伺服阀系统进行清洗，滤芯及时更换必要时更滑伺服阀。

(3)液压伺服控制系统也会造成倾斜变大，主要是对压下油、油缸的伺服控制系统进行及时点检定修。主要包括压下油缸伺服阀按年限更换，密封要保持良好，滤芯要及时更换。

(4)轧机内部压力传感器和位置传感器异常造成倾斜异常的情况。压力传感器用来测量压下油缸的输出力，一旦异常，整个轧制力控制闭环将会失效，影响倾斜变化是肯定的。压力传感器安装的油缸上，通常无外力作用下不容易损坏，所以日常需要加强点检，但压力传感器损坏有个明显的特点就是一旦损坏将没法进行轧钢生产。另外位置传感器的损坏也会造成倾斜异常，但和压力传感器损坏表现的故障现象是完全不同的，位置传感器的作用主要用于位置控制，而位置控制主要起作用是在换辊过程和轧机开闭辊缝过程中，轧钢的时候位置控制是没有起作用的，所以位置传感器失效的时候主要就是在穿带过程或校辊过程中倾斜异常。笔者所处理的位置传感器问题是由于位置传感器采用的PROFIBUS通讯协议来传输数据，所以网络通讯电缆、屏蔽、终端电阻、接口板等都有可能发生异常，从而导致倾斜异常。

(5)轧辊轴承间隙偏大也是造成倾斜变大的原因，这是个系统工作，解决的方案就是日常轧辊管理精度要可控，数据能够追溯，超过范围的淘汰，轧机的精度管理务必到位落实。

(6)轧钢过程中倾斜异常突变，这种情况最为复杂，主要是发生时间、持续时间很短，操作人员无法做有效处理，只能任其伤辊甚至断带。此问题主要原因是轧制过程中突然从轧制力控制切换到位置控制，延伸率控制瞬间失效，位置倾斜会有一个短时间的大波动。轧制力控制突然切换到位置控制的根源在于轧制力突然变得很小(小于50t)，或者是个误信号导致开辊缝，持续时间很短(约0.1s)，在0.1s之后系统又恢复到轧制力控制。在这个过程中，倾斜控制的策略是从“ramp”控制变成了“balance”控制，从而在这几秒内发生了几次控制切换，造成倾斜值从正几十kN到负几十kN(图4)。

主要解决方案就是完善控制程序，尽可能的解决现场对压力油缸、弯辊油缸等信号的干扰，主要包括更换线路和传感器，伺服阀检查更换，EMC检查等。若完成上述方法仍出现倾斜突变现象，只能从完善工艺控制程序上来规避。对延伸率控制、轧制力控制、位置控制的信号做低通滤波，排除干扰因素。对倾斜控制来说，发生此种现象不能直接从“ramp”控制直接切到“balance”控制，因为这两种控制的初始值不一样，一旦直接切换，势必会产生突变。笔者的做法是废掉“balance”控制，从“ramp”到“ramp”，这样就会有个缓冲，程序完善后的效果如图5，和图4明显不同。

3 结语

近几年我厂反反复复出现倾斜异常的问题，每次都会给生产造成很大的困扰。特别是高速轧钢过程中，倾斜异常突变给我们造成了非常大的困扰，经过此番研究，目前已经解决了倾斜异常突变的问题。