活套控制在高速线材中的应用研究

杨阳

摘 要：活套控制是现代轧钢工艺中非常重要的环节，能够提高轧钢过程的稳定性和安全性，其目的就是保證稳定轧钢过程中机架之间的张力控制，防止堆钢、拉钢问题的出现。文章以高速线材生产中活套控制为研究对象，通过对活套扫描器的测量原理分析，在实践中形成了一套对活套扫描器的测量校正的方法，利用活套特点介绍实践中起落套的各种情况，达到轧制中无张力控制的目的，并且介绍速度级联参数R因子的计算方法，通过对速度修正值的级联传递和R因子的调整以及在起套和收套时活套辊的动作时序实现活套的优化控制，提高了设备运行的稳定性和可靠性。

关键词：活套扫描器；高速线材；活套控制；速度调节

引言

在现代轧钢技术中，活套控制已被广泛应用于连轧的自动控制之中，成为一项成熟的连轧机组自动速度调节的手段。活套控制是通过活套扫描器检测两相邻机架间的过剩材料形成的弧型曲线轧件高度来间接测量活套的长度，通过比较设定的活套高度与实测活套高度，自动调整各机架的速度，使其测量值始终与设定值保持一致，从而达到两相邻机架间无张力轧制的目的。

1 活套扫描器的测量原理分析

1.1 测量原理

活套扫描器是以扫描方式工作的传感器，它对温度高于250℃的热工件的红外辐射敏感。活套扫描器用于检测位于其视场范围内的热工件（钢，铜，合金及玻璃等）的位置并输出与工件在视场中的角度位置成正比的信号。活套扫描器通过一个旋转的多面反射镜装置扫描传感器的检测视场，工件的红外辐射被这些反射镜反射到光电元件上。传感器通过一个旋转的带反射镜的装置（转鼓）扫描它的视场范围。当传感器的解析光束检测到位于其扫描视场中的热工件的前边沿的红外辐射时，此红外辐射被转鼓上的反射镜反射到光电转换元件上，经光电转换后，得到一个“测量”脉冲序列。

另外，传感器内部也产生一个与扫描视场起始端相对应的参考脉冲。参考脉冲与测量脉冲之间的时间间隔“t”和扫描视场起始端与热工件前边沿位置之间的角度“a”相对应。传感器将时间“t”转换为模拟电压，此电压与角度“a”成正比，而与扫描电机的转速无。

1.2 活套控制的原理分析及活套参数的设定及调整方法

1.2.1 活套控制的基本原理

为便于论述，把两相邻机架通称为（n-1）架和n架。当轧件头部进入n架前，n架轧机速度有动态速降，同时起套辊快速动作，从而形成活套。此时活套扫描器连续地对套的位置进行扫描检测，并通过n架轧机R因子和直接的速度级联对（n-1）架自动进行逆向速度调整控制，始终使实际套高与设定值保持一致。在轧件尾部接近（n-1）架时，控制系统对（n-1）架进行降速，同时起套辊快速收回，从而减轻甩尾。其中R因子是连轧机秒流量相等的忠实表现，每个机架均有一个R因子，它是控制相邻两机架转速比的重要参数。

Rn=■=■ （1）

式中：F■为（n-1）架的轧件断面积；Fn为n架的轧件断面积；V■为（n-1）架的轧机线速度；Vn为n架的轧机线速度。

1.2.2 活套的机械构造及参数分析

轧线上的活套分为立式活套和水平活套两种，活套由台架、气缸、起套辊、支承辊辊及导辊组成，具体形状及参数如图1所示。

图1

实践证明当正常的活套控制曲线是一条标准的正弦曲线时，可以有效的保证活套的稳定性以及减少轧件与机械设备的磨损，如图1所示，活套的最高点应位于活套长度方向的中心，即是安装活套扫描器的位置，为了使形成的活套控制曲线是标准的正弦曲线，活套高度的设定就非常关键，套高设定过高或过低就会使活套曲线变为一条变形的活套曲线，如图2所示的曲线。

当我们把套高设定过低，活套将变成一条三角形曲线如曲线（1），这是由于活套扫描器检测的套高大于设定值，通过对n架轧的R因子的控制而使n-1架轧降速，从而使活套两侧机架之间产生了拉钢轧制，实际套高与设定套高的差值越大，n-1架降速愈厉害，拉钢轧制状态愈严重，一旦形成三角形活套，则两机架间严重处于拉钢轧制状态，成品断面积就会波动。反之当套高设定值过高时活套的套形就会如曲线（2），同理由于n-1架轧机升速，造成大量轧件堆积在两轧机间，活套套型不稳，波动严重，极易造成堆钢，曲线（1）和曲线（2）均是由于不正确的套高设定而得到的。

在实际生产中，由于惧怕套高过高而产生堆钢事故，所以普遍把套高设定值取小，这样就产生拉钢轧件而使轧件哈夫偏小，为了弥补这一缺陷，操作工片面的放大前道的辊缝，而当轧件脱尾或头部进入轧机时轧件处于无张力状态，这时由于前道断面积的增大，使该道轧件的头尾超差，若有若干架间的套高设定不正确，便会使成品出现头尾耳子。

1.2.3 活套参数的设定及调整方法

实践证明，在测得活套的机械位置后，设定合适的活套高度，能够得到完美的活套控制，并保证良好的尺寸公差。

根据活套台架的高度一般为500～800mm，为保证活套有足够的调节空间，套高的最佳设定值在200～300mm之间时，活套能够最有效及安全地进行控制，如果我们把套高设定在200～300mm间，而忽视了起套辊的高度时，同样无法正常地进行活套控制，若起套辊抬起过高，则会使轧件在起套辊上形成突弯，从而对支承辊形成一个直坡，该直坡会在活套中产生过量的张力，其原理与套高设定不正确相同。

2 活套的控制

2.1 起套和收套控制

轧件头部进入下游机架时，下游机架的速度由于动态速降会适当降低，轧件咬入该架后能在起套辊的作用下形成活套。下游机架的速度修正量与设定的起套高度Hs有关。通常，起套时不是一步就把活套升到正常活套高度Hn，而是先升到Hs，再调节到Hn上，Hs的设定要小于或等于Hn。

系统要精确地控制起套辊的动作，使其在轧件咬入下游机架时，恰好它已开始动作。动作过早，可能造成轧件咬不进下游机架而使起套失败；反之，动作太迟，一旦轧件咬入了下游机架，起套辊的动作就相当困难了。因此需要系统准确地跟踪轧件头部位置和起套辊的动作时间。根据跟踪轧件头部位置距下游机架的距离和轧件的速度计算出头部距下游机架的时间t，当t等于起套辊的动作时间时产生W1信号，W1信号作为PLC发出的起套辊动作命令如图3所示。在起套阶段，对下游机架的速度修正仅限于其本身，此时要封锁该部分的级联控制，否则会对其他机架产生干扰。

当轧件的尾部接近上游机架时，即进入了收套阶段。为了安全收套并防止突然收套可能引起的“甩尾”，要先调节上游机架的速度来降低活套的高度到Ht位。Ht的值由人工设定，一般在100mm左右。同时，起套器回落到底部位置，用调节上游机架的速度来降低活套高度也是为了避免对其他机架产生干扰。收套完成后，控制返回到下一轧件的起套阶段。

2.2 活套控制

起套完成后，即进入活套控制阶段。此时，系统按正常的级联方向，对所有与此轧件有关的机架进行实时的速度修正。活套控制是采用一个PI调节器进行的，系统按主级联控制的方向把PI调节器的输出叠加在上游机架的速度给定值上，这就相当于连续地修正上游机架的速度，以保证活套的高度与设定值一致，并通过主级联控制相应地改变与此轧件有关的上游其他机架的速度。从级联控制的角度看，活套的比例调节相当于当实际套高与设定套高绝对差值大于某一设定值时，直接调节上游机架的速度，活套的积分调节相当于通过不断地修改下游机架的R因子来改变上游机架的速度。一旦活套高度与设定高度近似相等且不再波动，控制器就会将正确的R因子存储并用于下一轧件的活套。

3 结束语

现代高速线材轧机，最主要的特点是机架间距小，连续轧制，速度快，要求控制精度高，稳定性好，调速快，反应灵敏，自适应功能强。活套控制系统是具有自适应功能的有效控制方式。在实际生产中，为避免或减少活套故障，必须在掌握其基本原理的前提下，适时控制各工艺环节，以促使现代高速线材轧机生产能力的充分发挥。

参考文献

[1]MILLRD Guidelines Automatic Loop Control，ABB Automation Products，2009.

[2]Loop Scanner Delta scan file， DELTA Sensor （China），2010.