1700mm 5機架冷連軋機“甩機架”軋制策略及應用

唐武軍

（武鋼股份公司 冷軋總廠一分廠，湖北 武漢 430083）

武鋼冷軋總廠一分廠1700mm 5機架軋機1978年投產(chǎn)，2003年完成了酸洗生產(chǎn)線與5機架軋機的聯(lián)合改造（酸軋聯(lián)機）。酸軋聯(lián)機融合了工藝、機械、電氣、傳動、儀表和自動化等多方面的技術，高軋機作業(yè)率是酸軋聯(lián)機經(jīng)濟高效運行的關鍵因素之一，當某種故障導致1個機架不能正常運行時，勢必導致酸軋聯(lián)機全線停產(chǎn)，影響產(chǎn)能。在滿負荷生產(chǎn)要求背景下，如何應對突發(fā)的事故提高設備的保障能力是設備人員的課題。2010年成功完成了“5機架主傳動系統(tǒng)改造”項目，此次改造包括了5機架主傳動控制系統(tǒng)、工藝及傳動控制（TDC）系統(tǒng)、HMI系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)（PDA）、計算機過程控制系統(tǒng)（L2）、制冷系統(tǒng)等6大項目，新增和完善了近20項控制功能。在此次技改的新系統(tǒng)中增加了“甩機架”軋制功能，即：當某個機架的設備出現(xiàn)故障需要較長時間處理（或者暫時無備件）時，甩開該機架變成4個機架繼續(xù)生產(chǎn)。

1 冷軋生產(chǎn)軋制規(guī)程的確定

1.1 冷軋工藝的特點及軋制規(guī)程

按照軋鋼原理，冷軋帶鋼生產(chǎn)的軋制工藝特點主要有3點：帶鋼在軋制過程中會產(chǎn)生不同程度的加工硬化；冷軋過程必須采用工藝冷卻和潤滑；冷軋生產(chǎn)采用帶張力軋制。軋制規(guī)程就是要針對冷軋帶鋼生產(chǎn)的特點以及產(chǎn)品的技術要求，制定相應的生產(chǎn)工藝參數(shù)。

由于冷軋時帶材要產(chǎn)生加工硬化，加工硬化超過一定程度后，帶鋼因為過分硬脆就不能繼續(xù)軋制。一般將再次軟化退火之前的冷軋軋制生產(chǎn)稱為一個冷軋軋制規(guī)程，軋制規(guī)程的確定主要取決于所軋鋼種的軟硬特性、原料及產(chǎn)品厚度、所采用的冷軋工藝方式與工藝制度，以及軋機的能力等因素。

5機架冷軋機的軋制規(guī)程是酸軋聯(lián)機生產(chǎn)工藝的主要內(nèi)容之一，直接關系到合乎要求的產(chǎn)品、產(chǎn)量、能耗及成本。1700mm 5機架冷軋機的軋制規(guī)程一般包括：總壓下率、道次壓下率、前后張力、軋制速度、軋輥的輥系和輥形（竄輥）、軋制力、彎輥力、油膜補償系數(shù)、滑動系數(shù)等。制定冷軋規(guī)程的主要依據(jù)是：成品的各項標準，用戶提出的特殊要求，以及設備能力和工藝規(guī)范等因素。如圖1所示，圖1中下角X是機架號，Y是軋制力。一般來說，壓下率越大，功率越大；后張力越大，功率越大；材料硬度越大，功率越大。

圖1 軋制力分配示意圖Fig.1 The distribution of roll force

選擇冷帶鋼原料厚度通常要考慮成品帶材的質(zhì)量要求，包括組織性能和表面質(zhì)量。選擇原料厚度主要考慮冷軋總壓下率，因為對一定鋼種、規(guī)格的產(chǎn)品，必需有一定的冷軋總壓下率，才能通過熱處理獲得一定的晶粒組織和性能。例如：汽車板必須有50%～70%的冷軋總壓下率，高強鋼GQ320系列總壓下率在45%～75%（見表1）。

表1 GQ320鋼種冷軋的總壓下率Tab.1 Total reduction of GQ360steel grade

冷軋軋制變形是在一定的前張力和后張力作用下完成的，不同的機架（軋制道次）、不同的品種規(guī)格、要求有不同的軋制張力，在生產(chǎn)中5個機架的前后張力都不同，5機架軋機典型的軋制張力分配圖如圖2所示。軋制張力主要根據(jù)帶材的屈服極限σs來定，一般選用的單位張力是（20%～60%）σs，單位張力過大時會造成帶材寬度上拉皺，甚至把帶材拉斷。前3個機架間的張力分配值較大。

圖2 GQ系列軋制張力分配示意圖Fig.2 Schematic of the distribution of rolling tension of GQ series

1.2 軋制的道次壓下率及分配系數(shù)

來料厚度及出口厚度基本確定了冷軋總壓下率，總壓下率確定后要分配到各個機架軋制（道次）。道次壓下率的分配原則一般是：第1，2道壓下率最大，占70%以上的壓下率。隨著帶材的加工硬化不斷增加，而道次壓下率逐漸減少，對于5機架軋機而言，前4道次的軋制力大致相同。第5道次為了保證板型及厚度精度，一般按經(jīng)驗取較小的壓下率。

確定冷軋壓下率時，先按經(jīng)驗對各機架的壓下進行分配，然后按工藝要求并參考經(jīng)驗數(shù)據(jù)，選定各機架的單位張力，最后校對設備的負荷等各項限制條件，并做出適當修正。

軋制的道次可以有1～5次，對于5機架有5道次軋制，在甩機架模式下，變成4道次。分配各機架的壓下率，可以采用能耗法，先確定各機架負荷分配比，算出壓下量；也可以根據(jù)經(jīng)驗采用分配壓下系數(shù)的表格（見表2），各道次壓下量Δf公式如下：

式中：ΔF為軋制的總壓下量；ki為壓下分配系數(shù)，即絕對壓下率。

各道次的分配系數(shù)對于不同鋼種、不同規(guī)格是不同的，需要自學習優(yōu)化調(diào)試，建立軋制的2級計算機過程控制數(shù)據(jù)庫。表2是某鋼種不同道次生產(chǎn)時的分配系數(shù)，顯然在3個道次情況下，第3機架作為軋機用，而不是平整機架。

表2 不同道次壓下的分配系數(shù)Tab.2 The distribution coefficient of different stands

1.35 機架生產(chǎn)的軋制規(guī)程

1700mm 5機架軋機生產(chǎn)材質(zhì)分：普板（含深沖、高強、耐候等）、鍍鋅板（含彩板基材）、中低牌號電工鋼、鍍錫板。另外，5機架軋機的第1機架入口采用了大張力的張緊輥組，第1機架功率是后4個機架的一半，經(jīng)過30a生產(chǎn)總結(jié)，優(yōu)化確定的軋制規(guī)程的模型多達140個以上。表3是5機架生產(chǎn)的1個典型品種的軋制規(guī)程示例。

表3 CS－B鋼種軋制規(guī)程Tab.3 The rolling schedule of CS－B steel grade

2 “甩機架”軋制的實現(xiàn)策略

2.1 “甩機架”軋制功能

“甩機架（out of service）”功能是一種緊急情況下的軋制功能，當1個機架有故障不能投入正常運行時，其余4個機架完成軋制功能，而且要能夠提供跟5個機架普通軋制時同樣的產(chǎn)品質(zhì)量。甩開1個機架軋制，從普通軋制到甩機架軋制的模式切換必須順暢，操作簡單，轉(zhuǎn)換過程只需要在HMI上進行一些手動的設置。在“甩機架”軋制狀態(tài)下，一級基礎自動化系統(tǒng)中的軋制力、速度、張力、厚度等各種閉環(huán)系統(tǒng)全部切除，完成一些穿帶、運行、甩尾等操作條件及傳動系統(tǒng)的模擬，保證軋機其他4個機架能高速穩(wěn)定運行。二級過程自動化中包括幾個方面的改變，一是新增“甩機架”服務的操作軋制指令；二是在模型中需要修改軋制參數(shù)，將原來5個機架生產(chǎn)時系統(tǒng)的負荷分配到其他4個機架。

2.2 “甩機架”功能的操作策略

“甩機架”模式通過基礎自動化的HMI畫面選擇，發(fā)送給過程自動化系統(tǒng)。激發(fā)1個新的軋制規(guī)程的計算，分配到4個機架。通過手動進行必需的操作，例如打開輥縫（HGC及斜鐵的位置）等動作。

2.2.1 “甩機架”功能實現(xiàn)的前提

當一個機架或者機架的重要部件發(fā)生故障不能參與軋制生產(chǎn)時，投入“甩機架”功能。對1＃～5＃機架全部有效。前提條件是，與機架功能相關的產(chǎn)品質(zhì)量必須得到嚴格控制，否則“甩機架”沒有意義了。

對于每個機架，都可以選擇“甩機架”模式，或者非“甩機架”模式。選擇必須在空載狀態(tài)而且主傳動停止（即速度n＝0）條件下進行?！八C架”模式只能用于1個機架，其余4個機架必須具備生產(chǎn)條件。如果2個機架故障不能運行，則不能應用“甩機架”功能，由表2可以看出，僅僅使用3個道次生產(chǎn)時，最后1個道次是軋制模式而不是平整模式，產(chǎn)品的厚差難以確保。

2.2.2 “甩機架”的選擇設置

通過HMI系統(tǒng)在畫面上選擇／取消“甩機架”模式，必須由專門的主操作人員完成，設有密碼保護。

在主操作畫面上，點擊進入機架模式（stand mode），會彈出1個窗口，選擇對應機架，點擊“Out of Service”，再點擊“Apply”則選擇完成，在主畫面上相應機架顯示“甩機架”的藍色標識。

2.2.3 新軋制規(guī)程運算

預選擇完成后，過程自動化（L2）計算新的軋制規(guī)程，在設定值電文中將數(shù)據(jù)以及“甩機架”信號發(fā)送到基礎自動化系統(tǒng)（L1）。軋制的總壓下率由4個機架分配，甩開機架的軋制力、速度、壓下率、前滑補償值等設置為0，甩開機架的傳動軸力矩及輸出功率也是0。表4是甩開第4機架生產(chǎn)的軋制規(guī)程部分參數(shù)。

表4 甩開第4機架的軋制規(guī)程實例Tab.4 Example of rolling schedule without 4th stand

2.3 “甩機架”在基礎自動化中的蘊義

“甩機架”功能目的是允許軋制的正常進行，通過選擇“甩機架”功能，被選機架在基礎自動化控制中的重要聯(lián)鎖被屏蔽了，即運行條件、設定值是否到達、帶鋼通過被選機架等聯(lián)鎖的監(jiān)控作用被禁止了。監(jiān)控被選機架設備的聯(lián)鎖成為操作人員的職責。

在“甩機架”模式下，所有LCO（全線協(xié)調(diào)控制器）匯集的指定機架的信號被“旁路”了，不再區(qū)分故障的原因，例如：來自傳動系統(tǒng)或者液壓輥縫的故障。

在“甩機架”模式下，網(wǎng)絡的通訊還是要進一步監(jiān)控并且起作用。假設在機架的設備部件發(fā)生故障時，基礎自動化系統(tǒng)間的通訊仍然不受影響。如果輥縫控制、換輥等動作的操作底板壞了，即使在“甩機架”模式下，也不能正常軋鋼，因為來自機架以及中間機架的一些輔助功能在軋制中是不可或缺的，一旦操作底板損壞，這些功能就失效了。

傳動控制器的自動化部件損壞是唯一例外，這部分是可以停止的（不影響生產(chǎn)），當傳動有缺陷時可以通過選擇“某機架甩開”來旁通所有受影響的通訊部件。

2.4 應用程序中需要修改的軟件

軋機的生產(chǎn)有許多應用程序，在“甩機架”模式下，下列自動化應用程序必須修改：1）一個機架甩開后的全線協(xié)調(diào)；2）被選擇機架的主傳動的處理。所選機架的主速度、電流等控制環(huán)不激活；3）工藝控制模式的處理；4）材料跟蹤；5）回饋給L2的實際值處理。

3 “甩機架”軋制的應用

3.1 “甩機架”軋制的應用

在此次改造之前，5機架出現(xiàn)過1個機架故障不能投入正常生產(chǎn)的情況，工藝生產(chǎn)、設備專業(yè)曾配合調(diào)試，試驗甩開機架生產(chǎn)，二級模型雖能給定，但是由于PLC，TDC上需要修改的變量太多，變量間的“互鎖”相互制約，并不能形成穩(wěn)定的控制閉環(huán)，切換調(diào)試需要2個多小時，而且更換鋼種時需要重新設定及調(diào)試，軋制一卷的緩慢間歇動作，軋制完一卷前后需要近40min的時間，生產(chǎn)的連續(xù)性、高效性得不到保證，產(chǎn)品質(zhì)量也無法保證。

改造后，一級和二級已經(jīng)建立了良好的控制模型和閉環(huán)回路，操作工僅需要通過HMI畫面選中甩軋制信號，該機架就可以立即脫開控制系統(tǒng)，設定值和控制值均穩(wěn)定，切換的平臺界面良好，較改造前大大縮短了時間。

3.2 “甩機架”生產(chǎn)的應用實例

參照前面章節(jié)的描述，我們以生產(chǎn)DC01鋼種為例，來料規(guī)格：3.5mm×1269mm 軋機出口：1.455mm×1269mm，則甩開第2機架的新規(guī)程如表5所示。

表5 甩開第2機架的軋制規(guī)程實例Tab.5 The example of rolling schedule without 2th stand

由表5可見，該品種軋制的總壓下量是3.5 mm－1.455mm＝2.045mm，第1，3，4，5機架的壓下系數(shù)分別是42%，38.5%，18.7%和0.8%。

圖3為甩開第2機架，生產(chǎn)DC01鋼種（來料規(guī)格：4.5mm×1274mm 軋機出口：2.07mm×1274mm）時的實際值圖示。

圖3 甩第2機架軋制規(guī)程的各實際值示例圖Fig.3 Sample figure of the actual values of rolling schedule without 2th stand

在實際的生產(chǎn)中，“甩機架”功能已經(jīng)得到了幾次應用。2011年2月6日夜班3∶00，第4機架爆輥故障，“甩機架”軋制6h，產(chǎn)量1500t；2月17日中班9∶40，第3機架上下電流不匹配，主傳動跳閘，當班人員未查出故障原因，“甩機架”生產(chǎn)近10h，產(chǎn)量2250t。生產(chǎn)的產(chǎn)品均為合格產(chǎn)品。這2次切換生產(chǎn)時間不足30min，切換后操作人員可以與平常生產(chǎn)一樣順暢，保障了酸軋機組的生產(chǎn)。

4 結(jié)論

“甩機架”軋制功能增加了軋機在突發(fā)事故下繼續(xù)滿負荷生產(chǎn)的能力，是故障狀態(tài)下一種有效的生產(chǎn)保障措施。在“甩機架”模式下，一方面生產(chǎn)得以順行，保持產(chǎn)能，降低了故障成本；另一方面，機架出故障的部件處于安全的機械及電氣狀態(tài)控制下，維護人員可以進行搶修及其他作業(yè)。

“甩機架”的另一個優(yōu)點是，不但節(jié)約了軋輥、乳化液等消耗，而且還可以節(jié)約主傳動4臺1500 kW電機以及風機的電耗，降低其他備品備件的消耗。

“甩機架”生產(chǎn)是事故狀態(tài)下的應急措施，并不是適合所有規(guī)格鋼種的生產(chǎn)，對于較寬規(guī)格的超深沖及高強鋼，由于4個機架生產(chǎn)負荷可能超過電機的額定功率，或者電機會長時間過負荷運行，所以此類鋼種不易排程生產(chǎn)。

［1］趙家駿，魏立群.冷軋帶鋼生產(chǎn)問答［M］.第2版.北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

［2］傅作寶.冷軋薄鋼板生產(chǎn)［M］.第2版.北京：冶金工業(yè)出版社，2006.