一種雙高線的活套控制方案和速度聯(lián)調(diào)方式

劉舒慧，杜珺，劉娟，孫發(fā)瑞，周鋒

（天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津300180）

高速線材是一種重要的鋼鐵產(chǎn)品品種，廣泛應(yīng)用于建筑、包裝、拉絲、工業(yè)制品等行業(yè)。隨著高速線材生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，高速線材軋機技術(shù)也在不斷發(fā)展改進(jìn)，由單線軋機衍生出雙線、多線等不同的工藝布置方式。區(qū)別于傳統(tǒng)單線高速線材軋線系統(tǒng)，雙線高速線材軋線（雙高線）可以節(jié)約廠房用地，降低設(shè)備投入，同時大幅提高生產(chǎn)效率。因此，雙高線一直以“高效、高產(chǎn)”所著稱，因其節(jié)約資源，提高產(chǎn)量被市場所認(rèn)同。

1 雙高線工藝布置及活套控制

1.1 工藝布置

雙線高速線材軋機是指：粗、中軋采用單線軋制，預(yù)精軋、精軋采用雙線軋制，即鋼坯分為2個單線軋制。粗、中軋區(qū)軋輥采用雙孔型設(shè)計，坯料以較快的軋制節(jié)奏單根從加熱爐出料口出來，經(jīng)過分鋼輥道分成兩條軋制線，一前一后進(jìn)入粗、中軋機組中進(jìn)行共同軋制，出中軋機組后，由分鋼道岔將兩條軋制線分開，分別進(jìn)入雙線進(jìn)行后續(xù)軋制。

以山西某軋鋼公司生產(chǎn)規(guī)模為年生產(chǎn)高速線材100×104t 的雙高線軋線系統(tǒng)為例：1#～13#軋機組成單線軋制區(qū)，其中1#～7#軋機為粗軋機組，后設(shè)雙線1#曲柄飛剪，進(jìn)入8#～13#軋機組成的中軋機組。從13#軋機出口處，分鋼道岔將兩條軋線分至安全距離，出分鋼道岔的軋件由A，B區(qū)2#飛剪再次切頭后進(jìn)入后續(xù)A，B區(qū)預(yù)精軋機組、精軋機組。兩軋線獨立進(jìn)行散冷、集卷，下運卷小車后共用一個PF線和打包區(qū)。

1.2 活套控制的作用

根據(jù)秒流量相等的原則，隨著機架孔型連續(xù)縮小，軋件截面積不斷縮小，后續(xù)軋機的速度逐漸增加，才能保證軋件不堆鋼、不拉鋼。所謂“活套”，即當(dāng)相鄰軋機速度出現(xiàn)微小不匹配，軋線上游機架速度比理論值稍快時，機架之間產(chǎn)生的微量多余套裝軋件。為了讓活套能動態(tài)呈弧形狀態(tài)，需要起套落套裝置輔助?；钐籽b置在線棒材連軋生產(chǎn)中具有很重要的作用，雙高線由于同時軋制兩根鋼坯，活套的調(diào)節(jié)尤為重要。

活套控制是棒線材等連續(xù)高速軋制的核心。活套控制是解決連續(xù)高速軋制外部干擾的有效手段，它能消除動態(tài)速度變化、電網(wǎng)變化等對系統(tǒng)的干擾，實現(xiàn)無張力軋制。通過改變軋件間活套存儲量保證軋件不存在拉鋼關(guān)系，即可實現(xiàn)無張力軋制條件。當(dāng)外部干擾導(dǎo)致機架間軋件可能受拉時，套量減小可起緩沖作用，防止機架間產(chǎn)生張力，避免軋件拉鋼甚至斷鋼事故；另一方面當(dāng)外部干擾導(dǎo)致機架間軋件堆積時，套量增大吸收過量軋件，防止造成堆鋼事故。但是活套的套量調(diào)節(jié)范圍是有限的，當(dāng)自動控制系統(tǒng)來不及或無法調(diào)節(jié)時，仍可引起事故。

1.3 雙高線活套的特點

普通的單線高速線材生產(chǎn)線全線共7 架活套，其中1#，2#，4#，5#，6#為立活套，3#，7#為側(cè)活套。

雙高線活套的安裝位置和形式見圖1，為了保證自動控制的精度，A 線和B 線使用獨立的一組7架活套進(jìn)行控制，達(dá)到在1個活套器內(nèi)只有1根軋件，用1 臺活套掃描儀來檢測此單根軋件的活套量的效果。

以圖1 所示的軋線為例，雙線的1#，2#立活套并排位于中軋區(qū)11#～12#軋機、12#～13#軋機之間，雙線獨立的活套布置，用于實現(xiàn)中軋區(qū)的無張力控制軋制。由于13#軋機后軋線分為獨立的兩條軋制線，在從單線軋制到雙線軋制過渡時需要儲存更多的套量，因此雙高線的3#側(cè)活套較普通高線的側(cè)活套面積更大，形成自由套，為操作工調(diào)整全線軋制速度預(yù)留了時間，可有效降低堆套事故的發(fā)生率。

1.4 活套控制系統(tǒng)

活套控制是在測量相鄰機架間金屬秒流量差異的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，金屬秒流量差異導(dǎo)致機架間形成多余軋件，起套輥抬起使其形成活套。起套輥的執(zhí)行元件是一個通過二位五通電磁閥控制的雙向氣缸，自動控制系統(tǒng)向其發(fā)送脈沖信號控制起套輥的抬起和落下。

活套長度計算，如圖2所示。

圖2 活套長度計算Fig.2 looper length calculate

由于活套是軋件自由形成的弧形，活套掃描儀模擬信號采集的是弧形頂點距軋線的高度，因此在控制系統(tǒng)中參與控制的活套高度與活套套量呈非線性關(guān)系。設(shè)活套弧形曲線近似為一段圓弧，則有：

按傅氏級數(shù)展開反正弦函數(shù)，得：

式中：H 為活套掃描儀檢測到的套高；M 為活套兩支承輥之間的水平距離；S 為軋件弧形長度。實際中，由于H 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于M，式（2）中忽略H后，得：

活套套量ΔS 為S 與M 之差，則

某雙高線活套的控制系統(tǒng)采用全數(shù)字自動控制，控制運算全部由PLC 程序?qū)崿F(xiàn)，套高設(shè)定、速降補償?shù)扔缮衔粰C給定，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 活套控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of looper control system

為保證精軋機出口處的軋件精度，一般對棒線材采取逆向級聯(lián)調(diào)方式。此時，活套掃描儀輸出脈沖信號控制起套，模擬信號實時反饋活套高度?；钐卓刂葡到y(tǒng)通過采集活套掃描儀的脈沖信號給出起套信號，通過采集活套掃描儀模擬信號形成的套高測量值控制活套前后相關(guān)機架速度，來實現(xiàn)套量的穩(wěn)定控制?？刂葡到y(tǒng)將套高測量值與設(shè)定值進(jìn)行比較，然后根據(jù)其偏差值作為活套調(diào)節(jié)器的修正信號，作為軋機速度的一個修正信號疊加到對上游機架速度的調(diào)整中，以維持活套高度在給定值上不變，從而實現(xiàn)其前后機架間軋機速度的正確配合。當(dāng)外界條件變化或干擾引起活套套量偏離設(shè)定值時，活套調(diào)節(jié)器便有輸出，根據(jù)不同的工藝要求進(jìn)行級聯(lián)調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)會在過每一條鋼時都不相同，調(diào)節(jié)持續(xù)作用在控制系統(tǒng)中，直到套高穩(wěn)定為止。

式（4）體現(xiàn)了活套套量ΔS 與活套高度H 的非線性關(guān)系。在閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)主傳動速度時，采用比例積分調(diào)節(jié)的活套調(diào)節(jié)器要適應(yīng)系統(tǒng)的非線性關(guān)系，分段選取調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)。

活套控制包括起套、穩(wěn)定調(diào)節(jié)和收套3 個階段。

1）起套階段。起套時刻需在活套下游軋機咬鋼之后。軋件頭部進(jìn)入活套器，活套掃描儀輸出脈沖信號，此時自動控制系統(tǒng)不能向起套輥電磁閥送出起套信號，而是要延時t1s 后送出起套信號，并且延時時長應(yīng)保證軋件咬入下游機架時，起套輥剛好啟動。起套輥啟動前，活套上游機架做升速處理，運送“多余”軋件至兩架軋機之間以生成活套；起套過程結(jié)束后，上游機架恢復(fù)原始速度設(shè)定值，軋線恢復(fù)速度穩(wěn)定。根據(jù)電機的動態(tài)特性，當(dāng)軋件剛咬入下游機架時，下游機架電機會產(chǎn)生一個動態(tài)速降，一般控制系統(tǒng)會預(yù)先給下游機架一個2%～4%的動態(tài)速降補償，從而保證不會因動態(tài)速降而使剛咬入時產(chǎn)生過量的活套套量。

2）穩(wěn)定調(diào)節(jié)階段。在活套穩(wěn)定調(diào)節(jié)階段，活套掃描儀連續(xù)測得不斷變化的套高，傳遞給自動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)按級聯(lián)控制的方向調(diào)整一系列機架的速度，保證活套的高度與設(shè)定值一致。穩(wěn)定調(diào)節(jié)時，操作人員也要密切關(guān)注活套的情況，當(dāng)套量超出自動控制調(diào)整范圍時，應(yīng)及時對機架速度采取手動干預(yù)控制，以保證生產(chǎn)的安全進(jìn)行。

3）收套階段。當(dāng)軋件尾部到上游第2個機架時，標(biāo)志控制系統(tǒng)進(jìn)入收套階段。此時仍然需要經(jīng)過一個延時t2后，自動控制系統(tǒng)向起套輥電磁閥送出落套信號，起套輥落下。為了安全落套，防止突然落套有可能引起的軋件甩尾，在收套階段要降低下游機架的速度。落套延時t2的設(shè)定要保證起套輥不能落套過早或過遲，落套過早會使軋件在活套器內(nèi)產(chǎn)生堆鋼或甩尾；落套過遲，下一軋件到來之前還未完全落套就會造成沖鋼，影響軋制節(jié)奏的提升。

2 雙高線的級聯(lián)調(diào)速控制方案

2.1 級聯(lián)調(diào)速原理

高速線材軋機為連續(xù)式軋機，全線各機架間的速度必須根據(jù)軋制規(guī)程設(shè)定的各機架壓下量保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系。采用級聯(lián)調(diào)速是為了在單獨調(diào)整某一架軋機時，控制系統(tǒng)保證相鄰機架的速度關(guān)系自動隨之調(diào)節(jié)，不對軋線其他機架間已有的速度關(guān)系造成影響。

2.2 常見控制方案

普通單線高速線材生產(chǎn)線采取逆向級聯(lián)調(diào)方案，以精軋機架作基準(zhǔn)機架。這樣可降低精軋機出口的速度波動，使吐絲機能夠穩(wěn)定運行，確保成品的高質(zhì)量。

但是對于雙高線，A，B 兩條軋線精軋機的實際速度不可能完全一致，在級聯(lián)調(diào)速方式上一般有：

1）全部逆向；

2）中軋前逆向+中軋后順向。

兩種級聯(lián)調(diào)速控制系統(tǒng)概念圖如圖4所示。

圖4 雙高線速度級聯(lián)控制系統(tǒng)圖Fig.4 Speed control system of double line wire mill

由圖4a 可知，以A，B 兩線的精軋機速度作為基準(zhǔn)，逆向調(diào)速，兩條軋線的調(diào)速量加和后全部作用到13#軋機上，之后依次逆向調(diào)整至1#軋機。

這種調(diào)速方式雖然保證了A，B 兩線精軋機出口速度穩(wěn)定，但卻給13#軋機后的2 個側(cè)活套（自由套）的調(diào)節(jié)帶來困難，從而破壞兩條軋線的級聯(lián)調(diào)關(guān)系，在中軋區(qū)造成工藝堵鋼。

由圖4b可知，以中軋13#軋機為基準(zhǔn)機架，單線上采用逆向級聯(lián)的方式確定12#～1#機架的速度；雙線仍以13#機架速度為基準(zhǔn)速度，兩線上分別采用順向級聯(lián)的方式確定預(yù)精軋至精軋的速度。這種控制方式能保證兩條線分別進(jìn)行人工調(diào)節(jié)時互不干擾，雙線從13#軋機分離后其自身的各種調(diào)整不影響整條軋線的軋制，但是2 個精軋機的出口速度將始終處于波動狀態(tài)，因此對之后的飛剪、吐絲機、夾送輥的速度造成影響，導(dǎo)致吐絲不穩(wěn)定，影響成品質(zhì)量。

2.3 實際控制效果

綜上兩種方案各有利弊，但綜合考慮軋制連續(xù)性和產(chǎn)品質(zhì)量，第1 種方案的優(yōu)勢在于嚴(yán)格保證精軋出口速度的穩(wěn)定，提高產(chǎn)品質(zhì)量，但對機械上孔型研磨以及工藝設(shè)定要求較高，需要機械、電氣、工藝設(shè)定等多方面配合調(diào)試，調(diào)試周期長且事故率高，頻繁的停車檢修不利于連續(xù)生產(chǎn)，因此大多數(shù)場合不會采用第1 種方案。第2種方案通常匹配大套量的水平活套，保證軋件通過較大的調(diào)節(jié)量完成自動控制，同時可通過控制鋼坯質(zhì)量、合理的孔型擺放和工藝設(shè)定降低精軋機波動幅度，實踐證明該方案對精軋出口速度的影響并不大，最大限度地保證了最終產(chǎn)品質(zhì)量。因此，山西某軋鋼公司雙高線車間選擇了第2 種級聯(lián)調(diào)控制方案。

控制系統(tǒng)通過速度設(shè)定與自動級聯(lián)調(diào)節(jié)相結(jié)合的方式為軋線各機架提供速度給定。速度設(shè)定首先確定軋線基準(zhǔn)速度，之后確定各機架相關(guān)速度系數(shù)，計算得出各機架的設(shè)定速度。自動級聯(lián)調(diào)節(jié)通過活套調(diào)節(jié)控制算法，根據(jù)套量偏差計算出速度修正信號，對上述速度設(shè)定進(jìn)行修正，從而實現(xiàn)機架間更精確的速度匹配。此外，操作人員還可根據(jù)每根鋼坯的運行狀態(tài)對軋機速度進(jìn)行微調(diào)，系統(tǒng)通過對軋制速度的不斷積累修正軋制規(guī)程。

3 結(jié)論

本文系統(tǒng)地介紹了雙高線主軋區(qū)的工藝布置特點，針對雙高線的活套控制和級聯(lián)調(diào)速度控制方案。該套控制系統(tǒng)經(jīng)山西某軋鋼公司實地運行，可靠性高，功能齊全，在保證成品質(zhì)量的同時加快了軋制節(jié)奏，可以實現(xiàn)用較小的場地和設(shè)備投入帶來雙倍產(chǎn)出，提高了生產(chǎn)效率。

［1］ 強十涌，喬德庸，李曼云.高速線材軋機生產(chǎn)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

［2］ 袁仁平.雙線高速線材軋機速度控制系統(tǒng)［J］.江西冶金，2005，25（2）：10-12.