高速线材活套常见故障分析

□ 宋滋谭

本钢集团北营轧钢厂 辽宁本溪 117017

1 现场情况

本钢北营轧钢厂第三高速线材生产线投产于2007年,为双线布置。其中,粗轧一机组四架平立交替式轧机,粗轧二、中轧机组十架水平式轧机,自预精轧起分为两线轧制,预精轧为四架平立交替的碳化钨辊环,精轧为十架顶交45°的重型轧机。全线共有42架轧机,均为国产设备。最大轧制速度为90 m/s。主要生产工艺流程为150 mm×150 mm连铸坯,推钢式加热炉,高压水除磷,1号～4号轧机粗轧,脱头辊道,5号～8号轧机粗轧二,9号～14号轧机中轧,15号～18号轧机预精轧,预水冷箱,19号～28号轧机精轧,精轧后1号～3号水冷箱,夹送辊吐丝,斯太尔摩风冷线,集卷,检验,包装,入库。

线材在轧制过程中需要缓冲轧制节奏,因此需要通过自动控制系统调节相邻机架轧机的轧制速度,使机架轧机间产生多余物料,物料在起套装置辅助下,形成且能动态保持的弧状物,即形成活套。要形成活套,对轧件截面积有一定的要求。粗轧机组轧件截面积太大,不便于活套的形成。精轧机组系集体传动,不能设置活套。因此,每条线从中轧末架14号轧机起至精轧机组前共设置五个活套,其中预精轧机组15号～18号轧机设三个立活套,中轧与预精轧机组之间、预精轧与精轧机组之间各设一个水平活套,从而实现无张力轧制。轧件的截面积为600 mm2。

轧机控制系统采用西门子6RA70系列全数字直流调速装置,并配以西门子S7-400可编程序控制器,通过工业以太网完成计算机与可编程序控制器的信息交换,以及PROIFBUS-DP协议,完成可编程序控制器与数字装置、千兆以太网从站的连接,实现三级自动化控制。

2 自动活套控制原理

自动活套控制器是现代线材连轧机速度自动调节控制系统不可缺少的环节,它能使相邻机架轧机间的线材在无张力下贮存一定的活套量,作为机架轧机间速度不协调时的缓冲环节,从而消除轧制中各机架轧机间动态速度误差所引起的轧件尺寸精度波动,改善产品质量。在高速线材生产中,预精轧区由于轧件的截面积较小,基本上都采用活套控制,实现无张力轧制。因此,在实际生产中,为避免或减少活套故障,必须适时控制各工艺环节,以保证现代高速线材轧机生产能力的充分发挥。

自动活套控制原理如图1所示,活套扫描器置于生产线活套架一侧,从上往下通过矩形扫描孔扫描红钢,测得的红钢位置信号加载于标准脉冲上,使其产生相位移,输出的脉冲信号输入位于可编程控制器内的专用解码板,通过专用软件单元得到线材在活套内以轧制线为零位的实际高度值,定时提供给活套控制软件。活套控制软件接收信号后,根据设定的活套高度值调整相应轧机的速度参数,使两机架间轧材秒流量产生变化,实现对活套控制。整个系统的动态响应能力包括直流电机、直流传动柜的阶跃响应能力,越快越平稳,对轧材的控制越好。自动活套控制是在测量两相邻机架轧机间产生多余轧件的基础上进行的,而机架轧机间多余的轧件在专门的起套装置引导下,使其在活套台形成活套。在轧件轧制过程中,根据金属秒流量相等原则,自动按比例设定并按逆轧制方向,对前面各机架轧机的速度作增减调整,实现级联控制。

图1 自动活套控制原理

3 活套主要构成

预精轧机组内采用三个立式活套,主要由起套辊、气动装置及自动控制系统组成,活套机构如图2所示。

图2 活套机构

线材活套的实现,是利用n号轧机与n+1号轧机之间的活套扫描器,测得轧制红钢头部,控制气阀,使活套架的起套辊动作,在活套架内形成活套。活套的形态直接反映了两机架轧机间秒流量不相等而产生的多余物流,而物料的变化呈现在活套高度的变化上。控制系统通过对前后机架轧机直流电机速度的调整,使活套高度保持稳定,从而实现无张力轧制,使n号轧机孔出去的材质更均匀一致,尺寸公差稳定,减少头尾部耳子。

4 活套控制

活套控制系统主要由活套检测、活套逻辑控制和活套模拟量调节等环节组成。目前,国内外的活套控制系统主要由基础自动化和过程自动化两级组成。系统的过程自动化主要是指对生产工艺的管理和控制,用工业计算机或高档的可编程控制器来实现。控制的目的是通过活套扫描器的检测,将测量值与设定值比较,考虑工艺和机械影响因素,将速度控制系统、微张力控制系统通过级联控制达到机架轧机之间金属秒流量的相等,使活套套量稳定,提高成材率,以获得很好的经济效益。

活套控制包括四个阶段:活套预形成、活套形成、活套控制及甩尾。

(1) 活套预形成。轧件头部咬入辊缝产生动态速降,前后机架轧机之间形成微堆现象,参照实际套高值与设定套高参数,修正后机架轧制轧辊的速度,发出起套辊起套控制命令。

(2) 活套形成。轧件一旦咬入辊缝,控制系统便进入活套形成阶段。此时起套辊已在向上抬起的过程中,系统根据活套扫描器测得的实际活套高度与设定高度比较,不断修正后机架轧机的速度,直到下游活套检测器测到轧件。

(3) 活套控制。轧件在起套辊的支撑作用下,形成活套,控制系统根据活套套量实测值和设定值,不断修正前机架轧机的速度,同时逆向级联控制也参与对后机架轧机和前一机架轧机直流电机速度的修正。这一过程中同样受到活套形成过程中各因素的影响,并且比上述过程更复杂,同时速度级联控制介入。

(4) 甩尾。当轧件的尾部接近上游机架轧机时,就进入收套阶段。为了防止轧件甩尾,预先将收套速度加入到相关机架轧机中,通过调节上游机架轧机的速度来降低活套高度,让活套降低到安全活套范围内,为防止轧件尾部的摆动,一般设为100 mm左右。在实际应用中,收变速度取机架轧机给定速度的3%。收套完成以后,系统进入下一轧件的控制。

5 常见故障及处理方法

经过大量生产实践,现场技术人员通过反复比对、分析日常生产中出现的活套不稳定原因,结合活套系统原理,通过分析数据反馈,总结出了实现活套稳定性的控制方法以及如何快速排查活套故障,得到稳定性的活套,从而提高产品精度,减少故障发生,提升生产效益。

在实际生产过程中,常会遇到各种各样的故障,归结起来主要有以下几类:活套检测不到轧件,活套起高套或低套,活套不起套,活套抖动大,活套甩尾,活套打结,轧件拉断。

(1) 活套检测不到轧件。原因主要是活套扫描器镜头有雾水或灰尘,造成镜头污染而检测不到轧件或是活套扫描器没有对准轧件。处理方法为先擦拭活套扫描器镜头,如果还不能检测到轧件,则是活套扫描器安装偏离了位置,可用测试棒放在活套的走钢线内,将测试棒从走钢线的零位慢慢往上移动,从主控室人机画面观察是否有信号及套量,若没有则说明扫描器安装偏离了正常位置,需要移动扫描器,直至正常为止。

(2) 活套起高套或低套。这是由于套高参数设置不正确造成的,修改套高参数即可解决,一般套高参数控制在300 mm为宜,不宜过大或过小。

(3) 活套不起套。一种原因是活套没有检测到轧件,可按上述方法处理,另一种原因是活套检测正常,仍不起套,可能原因有机械卡死、气阀漏风或压力不够、气阀未通电、可编程序控制器程序故障等,可以通过维修或电气检查修理来解决。

(4) 活套抖动大。可能原因有水雾太大影响信号检测或是电机转速波动太大,对于水雾引起的抖动,可在活套扫描器旁安装一台风机进行吹风解决,如果是电机转速波动太大,可在电机控制系统上找原因。

(5) 活套甩尾。主要原因有套高参数设置不正确,起套辊收落时间设定不正确,轧件尺寸严重超差,前一机架轧机入口导卫开口度过大或导轮损坏等,可通过精确设定套高量及落套时间来解决。若落套时间太迟,会造成轧件甩尾。对于轧件尺寸超差及导卫开口度过大,可通过调节辊缝或更换导卫装置来解决。

(6) 活套打结、轧件拉断事故。轧件刚咬入下一架轧机或轧制过程当中,在活套两机架轧机间会出现活套打结、轧件拉断事故,主要原因有下游机架轧机速度突然变化或设定速度不正确,实际轧件尺寸偏差大,起套辊未动作等,可通过查证主控室历史趋势数据,观察电机速度变化,确认活套控制检测系统是否正常及轧制速度调整是否合理来解决。另外,还可排查现场轧件尺寸是否达到工艺要求,起套辊气压是否正常,起套辊是否被卡死等情况,进一步排除故障,解决活套打结、轧件拉断事故。

6 结束语

活套作为轧制过程中实现无张力控制的缓冲物在棒材、线材生产中有着广泛的应用。随着轧钢技术水平的不断提高,活套在消除张力、提高产品质量和产量方面起着重要作用。笔者通过剖析自动活套系统原理及控制过程,并结合生产实践分析日常生产中常见活套故障的原因,总结出活套控制方法及快速排查故障方法,以便得到稳定运行的活套,从而提高产品精度,减少故障发生,提升企业效益。