铝热轧立辊的应用

郑自链 陈秋霞

摘 要：本文主要介绍铝板带热连轧机组中立辊的设备结构和控制方式，以及在实际应用中出现的问题和改进。

关键词：立辊；铝热轧机；控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.12.051

1 立辊的作用

与钢铁行业相比，在铝加工热轧中立辊的作用在宽度控制方面较弱，主要作用还是用于改善边部质量。在轧件厚度在200mm以上的几个道次中，由于轧件的变形量相对绝对厚度比不大，变形通常只发生在轧件表面层，而不深入到轧件内部，这种情况会使轧件的侧面出现双鼓形，导致边部质量不合格的部分增大，最终使后工序切边量增大，造成成品率降低。所以，在铝加工热轧的前几个道次要进行滚边，以消除轧件边部的双鼓形缺陷。同时在轧制5系以上硬铝合金时易出现裂边现象，轧件边部开裂后，也会导致轧制后的切边量加大。所以通过立辊滚边，也可以改善轧件的边部质量，减少或消除轧件边部的开裂缺陷。

2 立辊的设备结构和组成

以中铝瑞闽公司1+3热连轧的立辊为例，介绍一下立辊的设备结构和组成。立辊设备结构布置示意图如图2-1所示。安装在粗轧机对中导尺入口处，采用液压摆辊缝和电动传动的方式。设备主要由立辊牌坊、立辊轧辊、液压装置、电机传动装置、其他传感元器件等组成。立辊牌坊用于固定压下液压缸，承受轧制过程中由带材传递到液压缸缸头的轧制力，完成带材宽度控制。安装于两侧的一对立辊采用锥形辊。锥形辊能够有效抑制侧压时带材往一边上扬的趋势，消除轧件的不稳定性。

液压传动装置主要由分布在牌坊两侧的液压缸、液压伺服系统组成。每侧牌坊上下各一个液压缸，配套使用的液压伺服系统用于驱动压下液压缸完成伸出和收回的精确位置控制。在每个液压缸的活塞腔和杆腔均装有位移传感器和压力传感器。位移传感器用于精确测量液压缸的位置变化量，通过辊缝标定工作实现液压缸位置与立辊辊缝位置的对应关系，进而实现对立辊辊缝的控制。压力传感器主要用于立辊轧制力的计算，通过压力传感器的压力变化准确测量计算立辊实时轧制力值。

电机传动装置采用下卧式传动方式，通过一台1400KW的交流异步电机（带减速箱）经万向联轴器传动立辊轧辊。电机水平布置在地面上，电机传动轴和立辊轧机的传动轴相互垂直，需要人字齿轮装置来改变传动方向。交流异步电机传动控制采用西门子6SE70交直交变频系统，速度控制采用矢量控制方式。

3 立辊的位置控制

立辊是通过位置闭环的控制方式来调节液压缸的行程变化，最终达到调节立辊辊缝大小为目的的宽度控制。立辊辊缝控制结构图如3-1所示。

辊缝控制的核心在于单个液压缸的位置控制闭环。液压缸位置控制闭环是根据立辊位移传感器测量值与给定值的偏差，通过PI调节器去控制液压伺服阀的开口度，达到调整液压缸的行程。立辊两侧上下合计四个液压缸使用各自独立的闭环位置调节器，闭环位置调节器通过位置控制算法将液压伺服阀输出与液压缸位置反馈统一，构成带位置反馈功能的闭环控制系统。

3.1 位置反馈控制

闭环位置控制是以立輥液压缸的实际位置与设定位置的差值为反馈量，对各自压下液压缸的伺服阀进行连续自动的调节。该系统由位移传感器、位置调节器、伺服放大器、执行器和液压伺服系统组成。调节器根据立辊液压缸的实测位置和给定行程之间的偏差，经过运算放大后输出调节信号，驱动执行器调节伺服阀的开口度，从而调整立辊液压缸的行程，使液压缸的行程偏差控制在允许的范围之内。调节器的算法设计一般运用比例积分调节，通过比例系数提高液压缸的动作速度，通过优化积分系数保证控制器的精度，达到消除位置偏差的目的。位置调节器结构如图3-2所示。

3.2 速度平衡控制功能

每个立辊液压缸由于速度或动作响应存在差别，简单的闭环位置控制不能保证同侧液压缸运行的同步性。同侧上下两个液压缸不同步，会导致立辊发生倾斜。严重时会导致立辊发生机械卡阻。速度平衡控制用于立辊液压缸的速度补偿，一要保证同侧液压缸的速度同步，二要保证两侧液压缸的速度同步性。使立辊在运行中出现如果同侧偏差或两侧偏差达到一定值后，系统锁定比例伺服阀不再运行，以保护机械设备。

4 现场应用中的典型故障

立辊轧机与平轧机相比，有着自身的特殊性。立辊轧机的正常工作需要四套电液伺服系统的协同配合，即由四个液压伺服系统分别对四个液压缸进行控制。

比例伺服阀是立辊液压伺服系统中的核心元件，也是最容易出故障的部件。当立辊单个液压缸不动作或者同侧上下液压缸同步性差别较大时候，首先要排查比例伺服阀是否有异常。比较容易的方法是检测比例伺服阀的给定阀位和实际反馈阀位，如果比例伺服阀工作异常，在PI的调节下，阀位给定逐渐变大直到饱和。比例伺服阀工作异常又有可能是阀自身故障和外围控制回路故障两种。

以现场常用的Rexroth的4WRDE型三级高频响方向阀为例，该阀可用于开环控制或闭环调节液流的大小和方向。先导阀通过电气连接线插头实现信号的给定，如图4-1所示，当输入电源电压为24V直流电压时，阀闭环控制回路使能。给定值接入D和 E端子，反馈值接F和E端子。

其中阀位给定信号电压值-10V到10V对应阀给定开口的-100%-100%。阀位反馈信号电压值与阀开口度信号也一致。如果给定信号与控制给定一致，而反馈信号偏差很大，则可以判断比例伺服阀异常。这种情况多发生于比例伺服阀先导部分有异物，导致油路工作异常，需要拆解清洗先导阀。

如果给定信号与控制给定偏差大，甚至无给定信号，则可能是给定回路电路异常。需要逐级排查信号，如AI输出板，各个信号接头松动等。

5 现场应用中的使用优化

在立辊轧机的运行中，立辊采用位置闭环控制，即辊缝控制。测量的轧制力用于显示和压力极限保护。在铝加工热轧中，立辊的宽度控制功能较弱，主要用于滚边以改善边部质量防止裂边。辊缝的给定值实际上只采用开环控制，即在立辊咬料时给定值不自动调整。轧件通过立辊只需要达到一定的滚边轧制力即可（50-100吨），因此立辊运行的平顺性就显得比较重要。下面根据现场的实际情况，提出以下几个改善运行平顺性的措施。

5.1 头部咬料速度补偿

按照正常的轧制流程，立辊道次时立辊的线速度与辊道速度是一致的，但在立辊咬料的瞬间，立辊轧机的速度因咬料冲击造成速降，速度的下降值随着头部咬料轧制力的增大而增大。而此时输送辊道速度相对立辊速度较快，两者速度不一致，易造成板锭输送辊道电机跳闸。针对该问题，可对立辊的速度控制引入头部速度补偿系数。在立辊咬料前，將立辊速度按照正常给定速度的1.1倍运行，当带材咬入后，再将立辊速度按照设定速度值运行，在实际应用中，这种速度提前补充的方式可以有效降低咬料速降，减少输送辊道电机跳闸故障。

5.2 辊缝补偿

立辊的工艺设定宽度由二级模型根据板锭宽度计算给定。当模型给定宽度偏小时，轧件咬入立辊轧机时，如果辊缝目标值设定与实际带材宽度相差较大，咬料瞬间会对液压缸造成很大的冲击。而此时立辊的轧制力和立辊电机的扭矩也会偏大，甚至达到上限值。立辊主传动堵转，轧件卡在立辊轧机位置。如果手动干预辊缝（开辊缝）不及时，会造成立辊传动过流跳闸和辊道跳闸，影响生产节奏。针对该问题，可以设计一个上限保护功能，即根据轧制力和扭矩的值进行适当的辊缝补偿，当实际轧制力或扭矩饱和后，辊缝会自动打开一定宽度，以便该板锭能够顺利的轧制。

5.3 安全控制的改进

在立辊打开、关闭辊缝的过程中，会因各种故障出现单侧油缸卡阻的现象，按照原来的控制方式，检测到比例伺服阀给定电流很大或是上下缸位置偏差超过一定值后，控制系统将伺服阀输出锁定，让油缸停在当前位置。但此时如果是因为伺服阀阀芯卡阻的故障，伺服阀开口度不受信号控制，液压缸还是会继续按照伺服阀实际开口度的方向运行到最小或最大辊缝，这样对液压缸和机械设备有很大冲击，而且也失去了保护功能。针对该问题，将保护逻辑同时引到伺服阀前的进油阀控制联锁中，即发现位置偏差大的同时关闭进油阀，防止误动作，以减少不必要的机械和液压损伤。

6 结束语

本文介绍了铝热连轧机组中立辊的工艺作用、设备结构和控制方式，以及在实际运行中的典型故障和改善运行平顺性的改进措施。

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