H型钢生产自动化(下)

H型钢生产自动化(下)马竹梧马竹梧先生，冶金自动化研究院教授级高级工程师。关键词：H型钢基础自动化过程自动化制造执行系统四主要控制系统简述1.粗轧机小张力控制图4列出了西门子公司的H型钢粗轧机小张力控制系统结构图，粗轧机由3台轧机组成，包括1#万能粗轧机(UR1)、轧边机(ER)以及2#万能粗轧机(UR2)。H型钢万能粗轧机组张力控制采用下游调节方式，当UR1-UR2方向轧制时，以UR1机架为基准，调下游机架速度基准值，使机架间的张力达到设定值；当UR2-UR1方向轧制时，则以UR2机架为基准，同样调下游机架的速度基准值来获得设定的机架间张力。UR1-UR2方向轧制时，UR1机架的小张力调节单元被封锁，只释放轧边机和UR2机架的小张力调节单元。在轧制过程中，图5列出各机架小张力调节单元和负载稳定单元的投切顺序，图中HMD101～HMD110为万能粗轧机组区的热金属检测器。UR2-UR1方向轧制时，轧件头部经过U机架到达HMD105时，轧边机MTC存储UR1机架的电机力矩，即UR1机架的变形力矩。轧件头部咬入轧边机而到达HMD106时，过程控制器释放UR1机架的负载稳定单元(简称“Static”)以及ER机架的MTC。在轧件头部到达UR2机架前的HMDl07时，过程控制器封锁ER的MTC，这主要是考虑到轧边机每个道次的压下量较小，由于孔型设计的偏差以及现场轧制状态(如轧件温度等)的变化，轧边机通常有可能整个道次或一个道次的部分段处于空轧状态，在这种情况下，如果轧边机MTC在整个道次轧制过程中处于释放状态，则轧边机在其MTC的作用下必然不断升速，试图使UR1和ER机架间的张力达到设定值，直至轧边机的速度基准值达到其限幅值，这样，轧边机速度基准值就处于非正常的控制状态。因此，除万能粗轧机组最后一道次外，在其余道次的轧制中，轧边机MTC仅在轧件头部处于ER和UR2之间时投入。UR2机架在机组的最后一道次轧制时处于空过状态。当轧件头部到达HMD108时，UR2机架的MTC释放。在轧件尾部离开HMD103时，UR2机架MTC封锁。待轧件尾部到达HMD104时，UR1机架“Static”单元封锁。对于万能粗轧机组最后一道次，在轧件尾部到达HMD106时，轧边机MTC才封锁，目的是通过轧边机MTC的作用，在轧件尾部离开UR1机架后，使轧边机速度基准值升高，以获轧边机升速抛尾的效果。当UR2-UR1方向轧制时，和UR1-UR2方向轧制时的原理相同，不再叙述。2.尺寸自动控制(AGC)由于型钢轧后断面形状及其尺寸均取决于孔型，孔型是由轧辊对构成，辊缝变化将影响孔型，由于轧机框架不是无限刚性，当钢坯温度变化时，轧制力不同而轧机框架伸长变化，导致辊缝变化(尽管液压缸柱塞位置不变)，使型钢尺寸变化而影响质量，AGC就是补偿各种变化，使实际辊缝恒定。H型钢AGC设在精轧机上，在万能精轧机架水平轧辊上下各装一套、垂直辊在操作侧和非操作侧各一套，共配备6套用于辊缝控制的液压位置控制子系统以执行H型钢的AGC。每套液压位置控制(HAGC)子系统如图6所示，由3部分组成：(1)监视控制(HSC)。其主要功能是接受自计算机的设定值，以确定液压缸工作点及辊缝控制范围；向位置控制子系统送各种设定和指令(控制器释放、位置控制基准值、轧制力控制器释放，轧制力基准值、压头反馈还是油压力反馈选择等控制指令)；监测位置控制子系统和自动辊缝控制子系统的工作状况(轧制力实际值、压头实际值、位置传感器测量的位置实际值、AGC修正值、伺服阀电流基准值等)并做出适时反应，发出逻辑控制指令和协调系统下层的两个子系统的关系(即为在位置控制子系统接通、断开及断开后的不控制状态时，对液压系统中的伺服阀、泄压阀、截断阀、基准值设定选择等进行相应的逻辑组合控制)。(2)自动位置控制(HPC)子系统。它是一个相对独立的系统(由于辊缝难以在线直接测量，故只是一个控制液压缸柱塞位置的系统)，主要根据来自HSC层的设定值和来自AGC系统的位置修正值进行位置控制。由于液压缸柱塞行走速度取决于送入缸体的油量(图7)。而油流量除了取决于伺服阀开度即控制线圈的电流以外，还取决于伺服阀进出口油压差的方根，它是非线性的，且取决于轧制过程中的轧制压力。此外，在图6中，柱塞上升与下降时也是不同的，因为柱塞上升时，电液伺服阀是接到液压源处，故其差压等于：ΔP上升=PS-PZ式中，PZ—随轧制压力变化的液压缸内油压；PS—液压源的油压。油的流量将为:Q上升=KZSP-P式中，K—常数。而液压缸柱塞下降时，电液伺服阀是接到回管，该处压力近于零，故其差压为：ΔP下降=PZ-0=PZ，此时油的流量为：Q下降=KZP，亦即只有负载压力PZ=PS/2时，柱塞上升与下降速度才相同。这样，在进行位置控制系统整定时，为了避免振荡，必须考虑最坏的情况，因而放大系数就设定得较低，导致系统的控制精确度和响应频率都恶化。为此，必须加上流量补偿环节，亦即柱塞上升时，乘以系数1/ZSP-P；下降时，乘以系数1/ZP。HPC子系统可以作为恒压控制方式，亦即以允许压力作为设定值，以实测轧制压力作为反馈值，这主要用以保护设备。它由AGC系统自动转换。(3)自动尺寸控制(AGC)子系统。它监视实际轧制压力与设定轧制压力的差别，进行相应的计算，然后向HPC子系统发出辊缝修正值，由HPC来执行，进行补偿以使目标厚度不变。相对于6套HPC子系统，万能精轧机共配有3套AGC子系统：水平辊压下，传动侧立辊压入和非传动侧立辊压入各一套。H型钢AGC和热轧带钢AGC类似，但有其不同之点，类似点是由于难以直接在辊缝处测量H型钢的尺寸，故都采用厚度计AGC(gaugeAGC的BISRA方式)控制尺寸，即厚度h为轧辊未咬钢时开口度加上由于咬钢后因轧制压力导致轧机框架等伸长值(弹跳)：h=s+F/C式中，s—轧辊开口度(辊缝)，mm；F—轧制力，t；C—轧机刚度系数，t/mm。故在轧钢过程中，为了获得目标厚度，须预先估计弹跳值(轧制力)而预设定轧辊辊缝以使轧件厚度为目标厚度，然而在轧制过程中，由于轧件变化等原因导致轧制力偏离原来设定值就会使厚度变化，为使厚度保持为目标厚度，就得改变辊缝值(ΔS)，即：ΔS=Δh(C+M)/CΔh=(F1-F0)/C式中，M—轧件变形抗力系数，t/mm；F0—设定的轧制力，t；F1—实际轧制力，t。得出的ΔS，通过与AGC补偿系数(其值为0.8～1.0)相乘得出AGC实际值即辊缝修正值，然后向HPC子系统发出辊缝修正值，由HPC来执行，进行补偿以使目标厚度不变。和热轧带钢AGC不同之点是：(1)由于轧机结构和操作不同(如热轧带钢一般采用预压以消除间隙等非线性现象)而不同，首先是为了确保精确，在每次换辊后要对刚度系数C作实际校正并应考虑如图8所示的轧制力在不同方向变化时的回线现象，按下式计算刚度系数C：C=(F2-F1)/[(A2+B2-A1-B1)/2]式中，F1、F2—不同的轧制力，t；A1、B1、A2、B2—在不同轧制力下的辊跳，mm。(2)由于一架万能轧机有3个配对辊缝，分别控制两个翼缘和腹板的厚度尺寸，任何一个辊缝变化都会影响其他辊缝，故须采用协调耦合系统，利用测力系统和位置控制环等确定耦合因子加以修正。AGC的工作方式有两种：相对方式和绝对方式。绝对方式是按上述的AGC实际值由HPC子系统执行；相对方式是当若F实测和F设(对应于各种坯料、钢种和产品规格，系统存有相应的轧制程序，从中可得轧制力设定值F设)之差大于允许值，为保护设备，将通过控制开关使HPC子系统执行恒压控制方式(即不再前压以免压力进一步增大)。相对方式和绝对方式是自动转换的，当轧件咬入机架后，若测的实际轧制力与F设之差大于允许值，则将通过控制开关使系统工作在相对方式，否则，系统工作在绝对方式。如上所述，H型钢的万能轧机AGC系统有3组闭环回路，虽然用耦合因子加以修正，以协调翼缘和腹板的相互作用，但由于翼缘和腹板间的金属转移量不仅与腹板和翼缘的延伸率相关，而且与腹板和翼缘的面积相关。轧制不同的H型钢翼缘和腹板的相互作用大小不同，且实际轧制时翼缘和腹板的温度不均匀，翼缘的温度要高于腹板温度，故要确定相当合理的耦合因子是十分困难的。同时由于H型钢的翼缘是由立辊辊面和水平辊的侧面加工而成，水平辊的轴向串动同样会影响H型钢的翼缘厚度尺寸精度，而此时在立辊的压力上难以反应。另外，腹板的厚度比翼缘要薄，温度低且波动大，尺寸控制难度大，且对于翼缘由于其尺寸要求相对较低，尺寸较厚，变形温度较高，尺寸控制相对比较容易，在没有AGC控制的条件下，厚度尺寸精确度同样能满足要求。日本的一些H型钢厂开发了H型钢高精确度尺寸的轧制技术，主要是万能轧机水平辊单控AGC，而腹板部分用简单的方法进行控制。H型钢生产对质量要求是比较高的，也是比较困难的，自动化对H型钢生产的高效化、产品质量等有重要的甚至是关键的作用。目前，良好运行的现代化H型钢轧机及其先进的自动化系统大都是从国外引进的(主轧线自动化几乎全部是引进的，这就花费大量资金)，为了获得更大的经济效益和满足市场要求，许多钢铁公司已不满足于棒线材生产，而纷纷要求建设H型钢及其他形状型钢的生产线，故研究现代化H型钢的先进自动化系统及其设备并国产化是急不容缓了，这是节约大量资金的重要途径。（全文完）来源：《世界仪表与自动化》出版日期：2005年12月