郗九生 王建武 王向斌 叶孝斌 蔡仁吉 (陕西龙钢集团西安轧钢厂，陕西 西安，710021)
摘 要：针对龙钢半连轧棒材轧线生产过程中出现的头尾缺陷问题，从工艺、机械、电气、操作四方面进行分析，并提出有效的解决办法，即调整速度参数、严格料型控制和优化设备改造，并在生产实践中得到验证，不仅提高了作业率，而且降低了轧制废品量，企业效益大为改善。
关键词：棒材连轧；动态速降；速度补偿；活套
The practices of Remove Head and Tail Drawback of Stick Type Steel Roolling
Process
XI jiu-sheng, WANG Jian-wu , WANG xiang-bin, YE xiao-bin, CAI Ren-ji (Xi’an steel rolling factory of Shaanxi Longmen Steel Group,Xi’an, 710021,
China)
Abstract: In accordance with the head and tail drawback of stick type steel roolling process of Xi’an steel rolling factory of Shaanxi Longmen Steel Group, the paper deals with the reasons from art, machinery, electrics and processing , find out the effective method, that is, adjusting the speed index of machine, controlling the types of steel strictly and improving the equipment, all of that has been acquired from the practices. It is not only enhance the operation rate, but also reduce the waste product rate.
Key words: Continue steel rolling of stick type steel material; dynamic fall-speed; Speed recovery; Moved loop
1. 前言
陕西龙门钢铁集团有限责任公司西安轧钢厂是一条由重钢院设计，1998年投产的半连续棒材生产线，全线共有13架全水平闭口式轧机。
轧线按照粗轧机组（Φ650mm×1，高压交流电机拖动，120mm×120mm方坯三辊往复式五道次轧制)；中轧机组（Φ450mm×2、Φ400mm×2、Φ350mm×2，直流电机一拖二微张力轧制）及精轧机组（Φ300mm×6，直流电机一拖一，每两架之间一个活套的无张力轧制）布置，产品为Ф12mm-Ф32mm螺纹钢、圆钢，钢种为低合金钢、普碳钢，终轧速度最高为9m/s，年设计生产能力为20万吨/年。在随后的生产中，先后进行多次技术改造，
原料改为150mm×150mm方坯在粗轧进行3道次大压下量轧制，脱头进入12架连轧机组：中轧前四架继续采用一拖二直流传动，后两架改造为一拖一，中轧继续为微张力轧制。产品为Ф12mm-Ф40mm螺纹钢、圆钢，钢种为低合金钢、普碳钢，Ф12mm-Ф16mm螺纹采用两切分轧制，终轧速度最高为13m/s，产能大幅提高，目前年产能力已达到80万吨/年。但是生产过程中出现了严重的头尾缺陷--大头大尾无纵筋，严重影响钢材综合成材率，制约了企业效益的提升，尤其是在切分轧制轧制时，表现尤为突出。图1为改造后的中精轧工艺布置图。
图1 轧线工艺布置
2 .连轧生产过程中头尾缺陷产生的原因
在实际生产过程中，要保证连轧条件就必须遵守轧件在轧制中每一架秒流量都相等的原则，即连轧常数。然而由于工艺、设备、操作等原因都会使连轧常数发生偏差，造成质量问题。
2.1工艺原因
我厂是半连续棒材生产线，在中轧无套轧机之间为微张力轧制，轧制过程易造成头尾较大，这种情况在负载轻、速度低时反映并不明显，在技术改造过程中，我们将加热炉进行适当延长，（原为步进梁式，延长部分采用推钢式，改为步进梁式和推钢式相结合），强化加热能力，粗轧由五道轧制改为三道轧制，整条线与改造前相比，是大压下、重负载，高速度，使得微张力程度加大，头尾缺陷加剧，虽然，将中轧后两架由一拖二改造为一拖一，缓解了头尾缺陷形成，但仍对头尾有影响。
2.2 设备对头尾缺陷的影响 2.2.1电气方面
因为高速度、重负载、大压下，使得电机的动态速降加剧，同时由于PLC采用MODICON公司的984-685E，程序烦琐，扫描周期长（80ms），传动系统为MINI DC系统，响应较慢，PLC和传动系统采用M+网传输数据，传输速率慢，速度补偿功能不明显，使得轧机间的微拉关系扩张，头尾缺陷明显，而这个缺陷比较长，一般大头大尾在3.5---5米；切分严重的头部纵肋超标和无肋现象长达18---27米左右，影响钢材合格品率1.1%。
2.2.2 汽缸选择不合适
汽缸选型过大，速率过慢，造成实设速度与实际速度偏差大,起套时间不合适，起套过程中造成产品两旁小甚至无纵筋，影响成品成材率。
2.3操作原因的分析
大多数连轧线并未实现无头轧制，钢坯的缩孔和劈头部分、轧件头尾不均匀变形都会造成有限的头尾缺陷，这个影响比较小，因为轧件在轧制过程中，一般按工艺要求经
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粗轧热剪切头、中轧飞剪切头切尾、成品上冷床后毛头长度为5cm左右，毛尾为6cm左右,产品收集时冷剪切头切尾，切掉的毛刺部分作废料回炉，其余钢材为正品。
另外，操作上有时过分依赖速度，通过降K2电机的速度调整成品两旁偏大的问题，也通过升K2电机的速度调整成品两旁偏小的问题，这对成品影响都比较大，理论长度是：
L=VK1线速度 /VK2线速度*SK1-K2距离 <1> 或者为L=µK1、K2延伸率*SK1-K2距离 <2>
从<1>式看出,干预了速度,破坏了连轧常数，产生缺陷, 从<2>式看出,轧辊轧槽磨损使连轧常数发生变化,上边的操作,没有从轧辊轧槽磨损使连轧常数发生变化的根本上去解决，保证连轧常数,而是人为调节速度破坏连轧常数,通过加深和降低机架张力调整质量,这样的操作对成品的影响是显而易见的，大头大尾会出现变化。
3.解决办法及措施 3.1电机优化配置
原生产线中轧为三台870kw的直流电机，精轧为六台500kw直流电机，初次改造时将末架电机扩容870kw，中轧4#电机由一拖二改造为一拖一，中轧末架增加一台650KW电机，在随后的生产中，由于增产的要求，提升轧制速度，全线电机的过钢电流均在额定电流之上，电机动态速降大，钢材头尾质量差，随后又对连轧线上的电机重新扩容和调配，相对应的对设备减速机也进行了调整。如图一所示。
3.2自动化、传动系统改造 3.2.1自动化改造
原连轧线上 PLC系统采用两台美国MODICON公司的984-685E，相互间进行数据交换，计算速度慢，通讯采用M+网，双绞线介质，速度慢，抗干扰能力较差，尤其和传动系统交换数据时，因为PLC系统功能不强，致使用户开发烦琐，内容大，进一步造成系统速度慢，经过多次在山西海鑫鑫轧、安阳棒材、湖南华菱涟源棒材厂考察与交流，最后将系统PLC用 QUANTUM代替，系统功能强大，程序开发方便，可阅读性强，便于维护，通讯为DP网，光缆介质，扫描周期不到10ms，数据交换速度快，抗干扰能力强。
3.2.2传动系统改造
原系统是AEG公司的MINI DC系统,由16位微处理器控制,反应慢,只能进行M+通讯,06年全部改造为德国SIEMENS的6RA70全数字调速系统,系统响应快,且有主、附加给定，充分利用此特点，直接将实设速度传送到6RA70的主给定,活套PI调节器的输出传送到6RA70的附加给定，由6RA70系统独立调节，用户程序对附加给定不做处理，由6RA70速度调节器调节，DP网通讯，光缆介质，速度快，故障率少，便于维护．
3.3增设4#活套
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原轧线Ｋ1和Ｋ2之间没有活套，轧机间为微张力轧制，根据距离距成品越近，微张力对成品影响越大的理论依据，在Ｋ1和Ｋ2之间加活套，电机分别为扩容为1300kw和870kw（Ф12mm—Ф20mm规格用这两架轧机），变微张力轧制为无张力轧制，同时，坚持套量的形成主要由电机动态速降形成，活套的自动调节量较小的原则，使Ｋ1电机特性较软，同时，依据活套储存量较小、钢速快的特点，选择了反应速度快的小汽缸，对起落套时间也有了严格要求，因为轧件断面粗细的实际情况，对气压也有要求，防止力量过大而顶伤轧件，或者顶力过大瞬间变成张力，造成头部缺陷。经过这样的处理，单线规格成品头尾状况大大改观，但切分轧制仅有所改善。
3.4切分轧制对策 3.4.1孔型改进
为减少微张力机架之间的张力，依据电机释放功率的实际情况对负荷重新分配，坚持套后第一个轧机大压下、第二个轧机小压下，我们对Ф12mm—Ф16mm规格K3、K5等孔型进行改进，成品头尾缺陷得到了很好的控制。
在切分规格轧制中，K5料型为弧边方孔型，我们先后进行了多次现场实验、测试，发现本道次料型充满度不够，对角线差较大，弧边四个圆型顶角不对称，造成K4轧件充满度欠缺，料型不规整，较大的影响了切分后料型的对称性。K3采用切分轮法进行轧制，生产中发现K3轧件连接带经常有钝边、毛刺；料型充满度不好，两根轧件凹坑处深度达到1—2.6mm左右；两根轧件的对称性差，3#活套很不稳定，常常切开后两根轧件一边高，一边低，而且交替波动。
针对以上问题，我们认真研究，对K5孔型进行了多次精确计算，尽可能保证切分后两根轧件秒流量相等，使堆拉钢系数达到要求值（1.01左右）。还认为必须增加K3延伸量，调整切分楔角和楔角半径以保证轧件在切分孔内有较大的变形量，既保证切分楔耐用、切楔侧壁首先与轧件接触，加大轧件纵向的压应力，同时保证连接带的厚度在0.5—1.0mm，尖角不被破坏，轧件充满度好，轧制稳定。如图2所示。
图2 轧钢效果
3.4.2代替DU65导卫，增设预扭导卫
我厂切分轧制，K6出口采用达涅利DU65扭转式导卫，K5出口型号为CTR扭转式导卫，K4、K3进口为0930B四辊式导卫，但经常发生K5扭转不到位、K4导卫轴销断裂等工艺事故，为了解决此类问题，我们突破习惯，改DU65导卫为自行设计的一种简单实用的扭转管；去掉CTR导卫为出口圆管；并大胆的在K4进口前增设了自行设计的预扭导卫，保证轧件能从正确角度咬入，使得k4进口导卫不容易损坏，杜绝了k4不进事故的发生，
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使轧制更加顺畅。而且要求导卫班对重点导卫每个规格周期都必须逐件清洗、精细管理，确保上线导卫都为精品。K4预扭导卫如图3。
图3 K4预扭导卫
3.4.3严格过程控制，合理调整堆拉关系
过程控制方面，为保证连轧常数，我们采取在线卡量红坯尺寸、观察在线延伸率变化、比较相邻架次之间电流变化、调整补偿速度等办法，确保实现最优的微张力轧制，中轧之间拉钢率一般控制在1%--2%；精轧无套轧机之间的拉钢率控制在0.5%--1.3%；精轧有套轧机之间咬钢瞬间拉钢率为0.1%左右。
3.4.3.1中轧的调整
中轧是半连轧过程控制的牛鼻子，我们必须确保一拖二机架合理的堆拉关系，中轧之间拉钢率控制在1%--2%；观察每架轧机负荷情况（电流变化率），若在相邻机架有一个电机电流瞬间变化大，而另一个电机负荷过大（电流大），这说明机架之间存在着严重的拉钢，易拉断轧件造成堆钢。
因为中轧拉钢程度的改变，相应会引起电机负载的波动，从而造成电机动态速降的变化，适当对速度补偿加以修正，但不对补偿时间进行干预，在咬钢瞬间有少量堆钢时不急于降速，主要看在补偿时间过后轧机间是否还有堆钢以及利用轧钢的常规办法判断轧机之间的堆钢关系，依据这样的原则确定是否需要升、降速，压、放料。
3.4.3.2精轧的调整
精轧无套前轧机可通过改进孔型设计、适当增加断面流量或手动速度调节，改善堆拉关系，甚至调整工一般用样棒、或管子敲打张紧的轧件，凭经验感觉去判断张力的大小，这种方法我们已经做过实验，效果较好，可参照上述中轧部分堆拉关系的调整方法，还可以用咬钢和脱尾瞬间的堆拉状态进行判断。而精轧有套轧机之间，料型变化、温度变化都可以由活套进行自动调节，可以依据这个特点，对这三架轧机进行负载优化分配。
3.4.4速度参数的调整
3.4.4.1合理给定速度补偿和补偿时间
经过实践，我们认为对速度补偿和补偿时间应合理给定,如下式<1>、<2> Ｔ补偿时间=S本机架与下机架的距离/V本机架的线速度 <1> Ｖ补偿速度=N本电机的转速×2% <2>
仅仅对电机的速度补偿和补偿时间合理给定、速度进行级联升是不够的，因为无套轧机之间的微拉又是不可避免的工艺问题，那么微拉程度就显得至关主要，尤其对一拖二的电机，轧制一根钢有两次动态速降，就要合理应用补偿，否则会适得其反，而对一
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拖一电机，式<1>、<2>适合，但在实际中要灵活运用，式<1>基本不变，但式<２>中的数值要依据实际要有所变化。
3.4.4.2速度参数的优化调节
依据秒流量相等的原理，在轧钢过程中，活套调节量应在零附近波动，那么给定的实设速度是过钢稳定时电机的实际速度，活套调节器的限副值应该是国标中钢材负差、正差范围，而不是人为随意给定，更不能为了轧钢便于调节随意放大，活套调节主要在起、落套的过程中起作用，调节的快慢决定于汽缸的动作速率，也就决定了PI调节器的KP与TN，在生产实际中，因为工艺的微拉原因，比理论值稍大一点；在产生中我们发现，随意放大活套调节器的限副，的确会便于轧钢调整，但后果是头尾质量变坏，甚至以为头大尾大造成冲出口
4.问题解决前后的有关比较 4.1活套调节量的比较
(1) 改造前的纵筋、调节量对时间的曲线。头部时渐大---渐渐变小---到某一个值（可能小于零）---渐渐变大---到正限副---渐渐变小（可能小于零）---变为零（活套调节结束）。如下图4所示，其中线1--纵筋，线2---调节量值，线3---调节量的零参考值。从曲线可以看出，在整个过程中活套调节量都起作用，值比大，在头部有一个逆向调节。
图4改造前的纵筋、调节量对时间的曲线
(2)改造后的纵筋、调节量对时间的曲线。如下图5所示，活套调节量仅仅在起套的过程中起作用，在套形成之后基本不起作用，这样钢的质量比较均匀。
图5 改造后的纵筋、调节量对时间的曲线
比较以上两幅图片，可以得出在实际速度有两部分组成，既实际速度=实设速度+活套调节速度，图四中活套调节速度瞬间为零，即实际速度等于实设速度，而大部分时间活套调节速度不为零，尾部出现实际速度小于实设速度的情况；图五中活套调节速度大部分时间为零，即实际速度等于实设速度，只有起套过程中不为零，即实际速度大于实设速度，比较得出，图五中速度变化比较小，说明连轧常数保持比较好，成品质量也相应好。
4.2成品的比较如图6所示
图6 成品的比较图
5.结论及效果
（1）设备是基础，操作是关键，自控是保障。只要轧线的堆拉关系调整的比较好，有套成品无缺陷，就可以实行小套轧制或无套轧制，但无套轧制必须通过速度补偿去消
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除套后电机的动态速降，轧线速度不得改变（只能微调），这样产品才可以合格，才能均匀的控制好头尾尺寸。
(2)通过不断总结摸索，轧线中轧部分的堆拉关系控制较好。进一步改进了精轧K3、K5等孔型系统，完善了现有达涅利导卫系统，使规格生产更加顺畅。
(3)精轧4#活套的使用更完善，更稳定，更好的适应所有的规格。
(4)结合实践，产品质量有了很大的改观，大头大尾、无纵筋问题基本得到解决，电机的实际速度基本是一条直线。尤其是Ф16螺纹切分轧制不合格品率下降了0.75%，成材率提高了0.35%。
(5)提出了一些解决此类问题的理论基础和实践解决办法，破解了生产中的瓶颈问题，为企业创造了很好的经济效益，K4前预扭导卫的增设，切分料型和导卫系统改进攻关被评为全国优秀QC成果；2009年所在单位被评为全国冶金行业“先进集体”。
参考文献：
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轧钢 2009增刊。
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