型材開坯機回松裝置壓力異常的分析與改進

劉雪剛，汪昌平，張 宇

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司長材事業部，安徽馬鞍山 243000）

引言

馬鋼中型材生產線于2018年投產，主要生產角鋼、工字鋼、槽鋼和H 型鋼等產品，其粗軋工藝段由2 架兩輥可逆式開坯機軋機組成。開坯機作用是將鋼坯進行粗軋塑性加工，使得軋制坯料截面變小或者變為特定的異形，以達到利于精軋軋機的咬入以及軋制負荷均勻分擔的效果［1］。投產初期，馬鋼中型材開坯機在軋制過程中經常出現上輥壓下機構中的回松裝置壓力大幅度波動，造成輥縫控制的穩定性不理想。一方面開坯機本身在輥縫控制過程中會因回松裝置壓力波動大達到保護閾值觸發保護性停機中斷軋制；另一方面也會導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，導致精軋一架頻繁過負荷甚至斷輥。因此，開坯機回松裝置壓力波動問題急需解決。

1 開坯機軋輥控制系統原理

1.1 軋輥設備系統

中型材開坯機輥縫控制系統設備部分主要由上下水平軋輥輥系、上輥壓下機構和上輥平衡機構組成。下水平軋輥為固定軋輥，上水平軋輥可通過壓下機構與平衡機構聯動，從而實現軋輥輥縫大小的調節。壓下機構為電機傳動蝸輪蝸桿帶動絲桿升降，絲桿下端各有一個回松裝置，傳動側和非傳動側蝸輪蝸桿通過離合裝置實現聯動或者分動，軋制過程中離合裝置處于閉合狀態，回松裝置沖壓，兩蝸輪蝸桿同步運行以保證上軋輥水平?；厮裳b置的主要作用為軋機卡鋼時，通過該裝置泄壓可以讓上輥泄去機械硬力，保證絲杠能夠正常動作，提升上輥，讓卡阻的軋件順利退出軋機［2］。平衡機構為傳動側和非傳動側各一個平衡液壓缸，平衡液壓缸連接上軋輥支撐架，工作時平衡液壓缸始終保持上提壓力狀態。設備系統如圖1所示。

圖1 輥縫控制系統設備組成圖

1.2 壓下回松裝置液壓系統

開坯機輥縫控制液壓系統由粗軋區域液壓站供壓，主泵電機容量為110 kW，額定轉速為1 480 r/min，系統工作壓力為15 MPa?；厮裳b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和軋輥側兩個液壓油腔，當A 通道導通主回路供油P 管，B 通道連接主管回油T管時，絲杠側液壓缸沖壓，液壓缸行程往軋輥方向運動，實現絲桿與軋輥支架的緊密結合；當B通道導通主回路供油P 管，A 通道連接主管路回油T 管時，軋輥側回松裝置沖壓，液壓缸行程往絲桿側方向運動，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

通過液壓原理分析得知，當開坯機進行軋鋼時，壓下系統平衡投入，系統對回松裝置絲杠側發送沖壓命令，此時電磁閥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，回松裝置絲杠側油腔壓力大于軋輥側油腔壓力實現回松裝置往軋輥側運動，絲桿與軋輥緊密連接，此時配合平衡機構的液壓缸向上托起，可以實現水平上軋輥保持平衡，通過壓下絲桿上下運動實現輥縫調節控制。當開坯機因軋制異常造成卡鋼時，鋼坯負載會給上水平軋輥一個向上的頂力，造成絲桿絲牙徑向受力緊密咬合，絲桿無法動作，軋件無法退出，此時可以通過給回松裝置軋輥側發送泄壓命令（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，回松裝置軋輥側油腔壓力大于絲桿側油腔壓力實現回松裝置往絲桿側運動，實現回松裝置軋輥側壓頭與軋輥分離，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構液壓缸提升，輥縫放大，軋件可以輕松退出?；厮裳b置控制程序如圖3 所示，執行沖壓命令時 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，同時泄壓命令Q21.5 取DB220.DBX1.5 的反值置0，即泄壓電磁閥HA/EV15b 關閉并始終保持；執行泄壓命令時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 關閉并始終保持，同時泄壓命令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象及分析

2.1 回松裝置壓力異?，F象

當開坯機處于待軋制爬行狀態或者模擬軋鋼時，回松裝置的壓力均能夠穩定在11 MPa 左右，系統運行正常。當有熱坯軋件進入軋機進行實際軋制時，在咬鋼的瞬間因負載的投入回松裝置壓力會大幅升高，軋件頭部沖擊時段過去之后回松裝置壓力能夠恢復到正常工作壓力即11 MPa左右，但是在軋件進行拋尾離開軋機時，回松裝置壓力會出現大幅下降的現象，嚴重的時候回松裝置壓力會低于9 MPa 觸發保護造成軋制程序中斷，需操作工手動故障復位后方可繼續進行下一道次軋制。這種失壓現象在工藝及程序控制中屬于異常，無法保障開坯機軋制流程的全自動化執行，同時經過對異常道次出口的軋件尺寸進行測量發現軋件壓下量沒有達到預期尺寸，軋件截面尺寸與當前工藝需求有偏差，造成后續工藝實際壓下量偏大，負載增加。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

針對開坯機回松裝置軋鋼時壓力異?，F象的PDA 數據研究分析發現，咬鋼瞬間由于軋制沖擊的存在，回松裝置壓力波動在短時上升是正常的。但是，軋件尾部離開軋機時，回松裝置壓力下降，且失壓時間較長就屬于異常情況，通過數據記錄發現持續1～2 s 的失壓狀態在BD 機軋制過程中被判定為回松裝置失壓，導致自動軋制程序中斷。

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為壓下系統對軋輥的壓下力，F2為系統平衡時軋制力，F3 為咬鋼前后鋼坯動量變化對軋輥沖擊力，F4為軋輥對鋼坯水平阻力

根據現場軋制工藝m=2 000 kg，v0=4.8 m/s，v1=1.0 m/s，咬鋼沖擊時間t=0.001 s，系統壓力15 MPa，壓下螺母接觸面積為0.38 m2計算。將公式（2）、（3）帶入公式（1）可得：

通過綜合分析計算確定了當軋制力等于F2 即1 900 000 N 時，軋件咬鋼沖擊和軋制力共同作用，此時軋件對軋輥的向上作用力與回松裝置系統最大壓力下的作用力形成平衡，當現場軋制壓下量比較大的規格時經查詢軋制工藝手冊軋制力最大可達到2 450 000 N，此時造成軋輥對回松裝置的壓力將大于15 MPa，同時電磁閥HC/EV15a 為持續得電打開狀態，造成了絲桿側的油腔內介質往供壓管路回流，油缸行程被迫往絲桿側運動了，輥縫同步被迫增大減小軋制壓下量直至軋制力到達1 900 000 N的平衡狀態。當軋件脫離軋機后絲桿側的油腔受到的軋輥側壓力瞬間消失，此時液壓系統迅速形對絲桿側油腔進行補油，這個補油的時間約為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-工序時間，Y-壓力值（MPa））

3 回松裝置壓力異常改進措施

根據故障發生的機理現場采取了對液壓系統改進和控制算法優化的措施。針對開坯機回松裝置絲桿側油腔受到軋件咬鋼沖擊力矩造成介質往供油P 管路回流的現象，對原回松裝置液壓供油P管路新增了一個電磁閥HC/EV16 并對該電磁閥進行條件性開閉控制，即當回松裝置壓力小于9 MPa時或者執行回松裝置沖壓操作時電磁閥HC/EV16得電導通，當回松裝置壓力大于14 MPa 時電磁閥HC/EV16 失電關閉。通過改進后，在軋鋼的過程中當咬鋼壓力大于保護壓力14 MPa（保護壓力設置可調整，比系統壓力15 MPa 低）情況再次發生時因為電磁閥HC/EV16 失電關閉讓回松裝置的絲桿側油腔形成了密閉容器，保障了油腔內介質不會回流，回松裝置油缸行程也就不會發生移動了。最終回松裝置的壓力在軋件拋尾離開軋機后不再發生失壓現象，再次記錄曲線如圖7所示，同時軋件在離開該軋機后的截面尺寸也符合了工藝需求。液壓改進原理圖如圖8。

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

圖8 改進后的液壓原理圖

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

圖9 改進后的電氣控制程序

4 項目成效

對馬鋼中型材開坯機回松裝置實施優化改進后，取得了良好的效果。一是相比改進前因回松裝置原因的故障時間實現清零；二是回松裝置壓力的穩定保證了軋機輥縫控制的穩定，使得工藝控制更加精準，也為后續軋制工藝提供了保障；三是開坯機自動軋制程序沒有再發生過中斷情況，保障了軋制節奏的高效。經現場測算，相比于改造前每月開坯機減少因回松裝置故障時間約200 min，同時回松裝置的穩定運行使得軋線軋制節奏提升了約10%，以原班均產量400 t 進行測算每班可提升約40 t 軋制量，每年增產約 40（t/班）×3（班/天）×365 天=43 800 t。

5 結語

綜上所述，馬鋼中型材開坯機回松裝置優化改進后，系統運行穩定性與高效性大大提升。根據改造思路進行推廣，在對于其他液壓驅動的有沖擊性或大慣量的負載條件時，使用換向閥加先導電磁閥控制工藝的液壓系統采取工作壓力條件性控制，可以有效地保證液壓系統的工作穩定性。