型材开坯机回松装置压力异常的分析与改进

刘雪刚，汪昌平，张 宇

（马鞍山钢铁股份有限公司长材事业部，安徽马鞍山 243000）

引言

马钢中型材生产线于2018年投产，主要生产角钢、工字钢、槽钢和H 型钢等产品，其粗轧工艺段由2 架两辊可逆式开坯机轧机组成。开坯机作用是将钢坯进行粗轧塑性加工，使得轧制坯料截面变小或者变为特定的异形，以达到利于精轧轧机的咬入以及轧制负荷均匀分担的效果［1］。投产初期，马钢中型材开坯机在轧制过程中经常出现上辊压下机构中的回松装置压力大幅度波动，造成辊缝控制的稳定性不理想。一方面开坯机本身在辊缝控制过程中会因回松装置压力波动大达到保护阈值触发保护性停机中断轧制；另一方面也会导致粗轧出口的半成品尺寸有偏差，给精轧咬入道次增加额外轧制量，导致精轧一架频繁过负荷甚至断辊。因此，开坯机回松装置压力波动问题急需解决。

1 开坯机轧辊控制系统原理

1.1 轧辊设备系统

中型材开坯机辊缝控制系统设备部分主要由上下水平轧辊辊系、上辊压下机构和上辊平衡机构组成。下水平轧辊为固定轧辊，上水平轧辊可通过压下机构与平衡机构联动，从而实现轧辊辊缝大小的调节。压下机构为电机传动蜗轮蜗杆带动丝杆升降，丝杆下端各有一个回松装置，传动侧和非传动侧蜗轮蜗杆通过离合装置实现联动或者分动，轧制过程中离合装置处于闭合状态，回松装置冲压，两蜗轮蜗杆同步运行以保证上轧辊水平。回松装置的主要作用为轧机卡钢时，通过该装置泄压可以让上辊泄去机械硬力，保证丝杠能够正常动作，提升上辊，让卡阻的轧件顺利退出轧机［2］。平衡机构为传动侧和非传动侧各一个平衡液压缸，平衡液压缸连接上轧辊支撑架，工作时平衡液压缸始终保持上提压力状态。设备系统如图1所示。

图1 辊缝控制系统设备组成图

1.2 压下回松装置液压系统

开坯机辊缝控制液压系统由粗轧区域液压站供压，主泵电机容量为110 kW，额定转速为1 480 r/min，系统工作压力为15 MPa。回松装置工作压力为11 MPa 左右，其液压控制原理图如图2 所示，回松装置具有丝杆侧和轧辊侧两个液压油腔，当A 通道导通主回路供油P 管，B 通道连接主管回油T管时，丝杠侧液压缸冲压，液压缸行程往轧辊方向运动，实现丝杆与轧辊支架的紧密结合；当B通道导通主回路供油P 管，A 通道连接主管路回油T 管时，轧辊侧回松装置冲压，液压缸行程往丝杆侧方向运动，轧辊受丝杆压下力解除［3］。

图2 回松装置液压控制原理图

1.3 回松装置液压电控系统

通过液压原理分析得知，当开坯机进行轧钢时，压下系统平衡投入，系统对回松装置丝杠侧发送冲压命令，此时电磁阀HC/EV15a 得电，电磁阀HC/EV15b失电，A通道与主回路供油P管连通，B通道与主回路回油T 管连通，回松装置丝杠侧油腔压力大于轧辊侧油腔压力实现回松装置往轧辊侧运动，丝杆与轧辊紧密连接，此时配合平衡机构的液压缸向上托起，可以实现水平上轧辊保持平衡，通过压下丝杆上下运动实现辊缝调节控制。当开坯机因轧制异常造成卡钢时，钢坯负载会给上水平轧辊一个向上的顶力，造成丝杆丝牙径向受力紧密咬合，丝杆无法动作，轧件无法退出，此时可以通过给回松装置轧辊侧发送泄压命令（程序控制中定义为回松装置泄压），电磁阀HC/EV15b得电，电磁阀HC/EV15a 失电，B 通道与主回路供油 P 管连通，A 通道与主回路回油T 管连通，回松装置轧辊侧油腔压力大于丝杆侧油腔压力实现回松装置往丝杆侧运动，实现回松装置轧辊侧压头与轧辊分离，丝杆丝牙径向受力解除，丝杠可以操作提升，轧辊上辊可通过平衡机构液压缸提升，辊缝放大，轧件可以轻松退出。回松装置控制程序如图3 所示，执行冲压命令时 DB220.DBX1.5 的值为 1，冲压命令 Q21.4 取DB220.DBX1.5 的值置1，即冲压电磁阀HA/EV15a打开并始终保持，同时泄压命令Q21.5 取DB220.DBX1.5 的反值置0，即泄压电磁阀HA/EV15b 关闭并始终保持；执行泄压命令时DB220.DBX1.5 的值为 0，冲压命令 Q21.4 取 DB220.DBX1.5 的值置 0，即冲压电磁阀HA/EV15a 关闭并始终保持，同时泄压命令Q21.5 取DB220.DBX1.5 的反值置1，即泄压电磁阀HA/EV15b打开并始终保持。

图3 回松装置压力原控制程序

2 回松装置压力异常现象及分析

2.1 回松装置压力异常现象

当开坯机处于待轧制爬行状态或者模拟轧钢时，回松装置的压力均能够稳定在11 MPa 左右，系统运行正常。当有热坯轧件进入轧机进行实际轧制时，在咬钢的瞬间因负载的投入回松装置压力会大幅升高，轧件头部冲击时段过去之后回松装置压力能够恢复到正常工作压力即11 MPa左右，但是在轧件进行抛尾离开轧机时，回松装置压力会出现大幅下降的现象，严重的时候回松装置压力会低于9 MPa 触发保护造成轧制程序中断，需操作工手动故障复位后方可继续进行下一道次轧制。这种失压现象在工艺及程序控制中属于异常，无法保障开坯机轧制流程的全自动化执行，同时经过对异常道次出口的轧件尺寸进行测量发现轧件压下量没有达到预期尺寸，轧件截面尺寸与当前工艺需求有偏差，造成后续工艺实际压下量偏大，负载增加。通过PDA记录回松装置压力异常曲线如图4所示。

图4 回松装置压力异常曲线记录（X-工序时间，Y-压力值（MPa））

2.2 回松装置压力异常原因分析

针对开坯机回松装置轧钢时压力异常现象的PDA 数据研究分析发现，咬钢瞬间由于轧制冲击的存在，回松装置压力波动在短时上升是正常的。但是，轧件尾部离开轧机时，回松装置压力下降，且失压时间较长就属于异常情况，通过数据记录发现持续1～2 s 的失压状态在BD 机轧制过程中被判定为回松装置失压，导致自动轧制程序中断。

咬钢过程轧辊受力分析如图5。

图5 咬钢过程轧辊受力分析

图5 中F1为压下系统对轧辊的压下力，F2为系统平衡时轧制力，F3 为咬钢前后钢坯动量变化对轧辊冲击力，F4为轧辊对钢坯水平阻力

根据现场轧制工艺m=2 000 kg，v0=4.8 m/s，v1=1.0 m/s，咬钢冲击时间t=0.001 s，系统压力15 MPa，压下螺母接触面积为0.38 m2计算。将公式（2）、（3）带入公式（1）可得：

通过综合分析计算确定了当轧制力等于F2 即1 900 000 N 时，轧件咬钢冲击和轧制力共同作用，此时轧件对轧辊的向上作用力与回松装置系统最大压力下的作用力形成平衡，当现场轧制压下量比较大的规格时经查询轧制工艺手册轧制力最大可达到2 450 000 N，此时造成轧辊对回松装置的压力将大于15 MPa，同时电磁阀HC/EV15a 为持续得电打开状态，造成了丝杆侧的油腔内介质往供压管路回流，油缸行程被迫往丝杆侧运动了，辊缝同步被迫增大减小轧制压下量直至轧制力到达1 900 000 N的平衡状态。当轧件脱离轧机后丝杆侧的油腔受到的轧辊侧压力瞬间消失，此时液压系统迅速形对丝杆侧油腔进行补油，这个补油的时间约为1～2 s。故障道次回松装置压力曲线如图6所示。

图6 故障道次的回松装置失压情况（X-工序时间，Y-压力值（MPa））

3 回松装置压力异常改进措施

根据故障发生的机理现场采取了对液压系统改进和控制算法优化的措施。针对开坯机回松装置丝杆侧油腔受到轧件咬钢冲击力矩造成介质往供油P 管路回流的现象，对原回松装置液压供油P管路新增了一个电磁阀HC/EV16 并对该电磁阀进行条件性开闭控制，即当回松装置压力小于9 MPa时或者执行回松装置冲压操作时电磁阀HC/EV16得电导通，当回松装置压力大于14 MPa 时电磁阀HC/EV16 失电关闭。通过改进后，在轧钢的过程中当咬钢压力大于保护压力14 MPa（保护压力设置可调整，比系统压力15 MPa 低）情况再次发生时因为电磁阀HC/EV16 失电关闭让回松装置的丝杆侧油腔形成了密闭容器，保障了油腔内介质不会回流，回松装置油缸行程也就不会发生移动了。最终回松装置的压力在轧件抛尾离开轧机后不再发生失压现象，再次记录曲线如图7所示，同时轧件在离开该轧机后的截面尺寸也符合了工艺需求。液压改进原理图如图8。

图7 液压回路与电控程序改进后记录的回松装置压力曲线（X-工序时间，Y-压力值（MPa））

图8 改进后的液压原理图

电控程序修改如图9 即增加了实际压力判断，回松缸压力小于9 MPa 时Q21.6 置1 电磁阀HC/EV16 得电导通让回松缸与系统连通并保持冲压状态，回松缸压力大于保护压力14 MPa 时Q21.6 置0电磁阀HC/EV16 失电关闭让回松缸与系统隔离形成密闭容器。

图9 改进后的电气控制程序

4 项目成效

对马钢中型材开坯机回松装置实施优化改进后，取得了良好的效果。一是相比改进前因回松装置原因的故障时间实现清零；二是回松装置压力的稳定保证了轧机辊缝控制的稳定，使得工艺控制更加精准，也为后续轧制工艺提供了保障；三是开坯机自动轧制程序没有再发生过中断情况，保障了轧制节奏的高效。经现场测算，相比于改造前每月开坯机减少因回松装置故障时间约200 min，同时回松装置的稳定运行使得轧线轧制节奏提升了约10%，以原班均产量400 t 进行测算每班可提升约40 t 轧制量，每年增产约 40（t/班）×3（班/天）×365 天=43 800 t。

5 结语

综上所述，马钢中型材开坯机回松装置优化改进后，系统运行稳定性与高效性大大提升。根据改造思路进行推广，在对于其他液压驱动的有冲击性或大惯量的负载条件时，使用换向阀加先导电磁阀控制工艺的液压系统采取工作压力条件性控制，可以有效地保证液压系统的工作稳定性。