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摘要：本文论述了针对穿孔后台区域经常发生的由于顶头脱落而造成的无顶头轧制事故，所进行的在轧制前判断顶头有无状态、取消无顶头的轧制动作以及发生无顶头轧制后的设备保护措施的研究与利用；是在提高258机组穿孔后台设备作业率，提升258机组的整体运行指标，尤其是应对当前严峻的形势，258厂各作业区均开展“小技改创大效益”，降低各项成本活动这样的大背景下提出的一项解决现场疑难问题的研究工作对解决258现场生产瓶颈，提升整体运行指标有着非常重要的促进作用。
关键词：无顶头轧制；设备保护；主机转矩
1.引言
258机组自投产以来，生产节奏及运行指标有很大提升，但穿孔后台故障一直制约着258机组生产实现进一步的自我超越，其中掉顶头而产生的无顶头轧制事故是其中一个典型的疑难故障。经过对2010年的故障时间报表进行统计，2010年月平均发生无顶头轧制事故3次，月产生故障时间至少为12小时，发生工具损耗费用为6万元/月，备件消耗费用为10万元/月，无顶头轧制事故也成为了制约现场指标提升的一个瓶颈。为了进一步提升258机组的生产能力，降低各项运行成本，赶超主力机组，解决无顶头轧制事故势在必行。
对设备进行无顶头轧制保护需从两方面入手，第一方面是在轧制前判断顶头有无，避一旦发现没有顶头，则取消本次轧制，在轧制前避免无顶头轧制故障。第二在无顶头轧制后进行设备保护，一旦发生无顶头轧制事故，由于顶杆会被未被穿透的毛管包住，小车回退会对顶杆及顶杆小车齿条造成很大的伤害，因此必须准确判断出无顶头轧制的情况，终止顶杆小车回退步序，而如何准确判断是否是无顶头轧制情况是工作中的重点。由于顶杆小车行进速度为5m/s，在顶杆小车高速行进过程中很难判断顶头有无；顶杆小车到位后，顶头位置处在主机内，由于主机内的高温多水的工况也无法进行顶头有无检测，因此本项目研究以第二方面即无顶头轧制后的设备保护为主，以第一方面在轧制前判断顶头有无信号为辅，两方面共同研究争取最大限度的避免无顶头轧制事故的发生以及一旦发生无顶头轧制事故后的设备保护工作，将无顶头轧制事故的危害降至最低。
2.详细科学技术内容
2.1、轧制前保护的研究
2.1.1轧制前顶头有无状态的分析
如果在轧制前能够检测出顶头的有无状态，及时终止轧制动作，则能避免发生无顶头轧制故障。当顶杆小车处在轧制位时，是轧制动作进行前顶杆与顶头装配的最后状态，因此如果在此时能够进行顶头有无的检测，那么则不需要其他阶段及位置的顶头有无判断。但经过在现场的实地观察，顶杆小车在轧制位时，顶头处在穿孔主机内部。主机内部的工作环境为高温、多水、多气，无法安装检测装置，根本无法进行顶头有无检测，因此在轧制动作前根据最后的顶杆与顶头装配状态来判断顶头有无情况的方案几乎不可能，那么也就无法彻底避免无顶头事故的发生。
既然顶杆小车处在轧制位时无法判断顶杆与顶头的装配情况，那么如果在顶杆小车运行过程中能够对顶头进行有无检测，也可以避免部分无顶头事故的发生。经过大量的故障统计，顶头掉落情况的发生多数在三个顶杆小车行进阶段（顶杆小车运行曲线见图1.），即第一阶段为顶杆小车加速过程，此时为顶杆与顶头刚装配的时刻，顶头与顶杆装配位置发生偏差较大时，在顶杆与顶头刚一接触的时刻，顶头就会掉落；第二阶段为顶杆小车减速过程，如果顶头与顶杆装配情况不是很好，顶头锁紧状态不理想，在顶杆小车减速过程中，顶头由于惯性便会脱离顶杆，发生掉落情况；第三阶段便是之前所提到的顶杆小车减速过程的最后阶段，即快到达轧制位时，顶头发生掉落情况，当然此时已经很难进行顶头有无检测，不在详述。经过进一步研究统计得出，如果能够在顶杆小车减速过程中准确的进行顶头由于检测，虽无法彻底避免无顶头事故的发生，但至少能够避免80%的无顶头故障的发生，因此我们可以在顶杆小车减速过程中做好顶头有无检测的工作。
图1（顶杆小车运行曲线）
2.1.2轧制前顶头有无状态的判断
顶杆小车减速过程中进行顶头有无的检测，通过现场实际情况的观察及分析，最终选定了一套方案.如下所示：在顶杆小车减速过程中，顶头所处的位置约在1#托辊处，在1#托辊处安装检测装置检测顶头的有无状态，鉴于现场的工况，检测装置选择了激光传感器。根据顶杆小车车体及顶杆长度基本一定，在顶头处在1#托辊处时，对顶杆小车车体进行检测，检测装置选用普通传感器即可。即在顶杆小车减速过程中，当检测顶杆小车车体的检测装置信号为1时刻，判断1#托辊处顶头检测装置的状态，如为1则有顶头，为0则无顶头。一旦判断出无顶头时，则在顶杆小车到达轧制位时取消轧制动作，避免无顶头事故的发生。检测装置与顶杆小车、顶头示分布意图见图2.
图2（检测装置与顶杆小车、顶头示分布意图）
2.2、无顶头轧制后的设备保护研究
轧制前的顶头有无检测避免了大部分的无顶头轧制事故，但由于无法在顶杆小车处在轧制位置进行顶头有无检测，因此还有发生无顶头轧制事故的可能性。发生无顶头轧制事故后会造成第一，坯子不能完全被穿透；第二，顶杆前端的水管被破坏，顶杆会被毛管包住不能正常的回抽，这样就会造成顶杆长时间受热而弯曲，不能再继续进行使用而必须更换新工具；第三，如果顶杆小车正常回退，由于顶杆被毛管包裹住，会造成顶杆小车传动装置的负载过大，损坏机械安全轴及顶杆小车齿条等机械设备。因此一旦发生无顶头轧制事故，对设备的损坏及造成的故障时间、工具的消耗损失是非常大的，因此发生无顶头轧制后的设备保护是必要的，必需采取保护措施来降低降低各项损失。
2.2.1无顶头轧制的判断
在无顶头轧制事故后进行设备保护，需正确判断出轧制过程是一次无顶头轧制过程，从而采取保护措施。经过大量的数据统计分析得出，正常轧制时，每次轧制过程的穿孔主电机的转矩数值比较平稳，相差不大，如图3所示（正常轧制时的穿孔主电机轧制转矩曲线图见图3）。 图3（正常轧制时的穿孔主电机轧制转矩曲线）
无顶头轧制过程中，穿孔后台区域设备的各项参数均无明显变化，只有穿孔主电机的转矩由于负载的增加而增大，且变化明显。（无顶头轧制时的穿孔主电机轧制转矩曲线图见图4）。如图所示：在完整的主电机转矩曲线中有两个数值较小且基本相等的为正常的轧制转矩曲线，数值较大的为无顶头轧制转矩曲线。
图4（无顶头轧制时的穿孔主电机轧制转矩曲线）
无顶头轧制时，穿孔机主电机的转矩会增大，但具体增大到多少，轧制不同的钢种、规格产品时，主机转矩所增大的幅值是多少需经过长期的轧制曲线进行积累得出结论。经过对258建厂以来所有无顶头轧制事故的曲线进行分析总结，无顶头轧制时，穿孔机主电机的转矩较正常时增大至少40%-50%左右，如图4所示：正常轧制时的主电机转矩峰值约为6500unit（unit为数字采集系统的坐标单位，只反映数值大小趋势，并不是真实的数值），而无顶头轧制时主电机转矩峰值约为9200 unit，正常的调车行为所造成的主电机转矩数值变化并不十分明显，经过对历史数据的采集、比对，最终确定如果穿孔主电机的轧制转矩较正常轧制转矩大30%，则断定为无顶头轧制过程，轧制后采取设备保护措施。
首先，工艺人员针对要轧制产品的钢种、规格在人机界面的对话框内输入穿孔主机轧制转矩的经验数值，每次穿孔后台设备切为自动轧钢状态时，第一根钢的穿孔主电机轧制轧制转矩与工艺人员所输入的经验数值相比较，如果大于30%则判断为无顶头轧制。由第二根钢开始，将穿孔主电机轧制转矩与当前轧制前一根钢的穿孔主电机轧制转矩相比较，如果大于30%则判断为无顶头轧制。为了保证主机轧制转矩数值的稳定性，避免咬钢瞬间主机转矩的波动，在咬钢开始后，主机转矩数值较稳定时在多个采集点取转矩数值的平均值进行比较。通过上述工作，可以将一次无顶头轧制故障准确的判断出来。
2.2.2无顶头轧制后的设备保护
无顶头轧制后，顶杆小车将以5m/s的速度快速回退，由于毛管未穿透的部分会包裹住顶杆与顶头装配处，毛管回退至毛管挡叉处时产生的阻力会对顶杆小车机械传动部分产生巨大的冲击损坏，时常损坏机械安全轴、齿轮箱传动齿轮甚至传动齿条，一旦损坏到齿轮箱传动齿轮或传动齿条将造成重大事故。无顶头轧制后的顶杆小车回退曲线见图5。
因此发生无顶头轧制后必须避免顶杆小车的正常回退动作，同时采取措施便于工艺人员方便处理现场故障。经过多方讨论协商，进行程序修改采取设备保护措施。首先，一旦判断出无顶头轧制事故，终止顶杆小车回退步序，避免回退过程中对机械传动设备的损坏；其次，增加后台各设备的手动应急操作功能，避免时间过长顶杆被毛管完全包裹住，便于及时处理故障，减少事故造成的损失。
图5（无顶头轧制后顶杆小车回退曲线）
通过采取上述各项措施，避免了大部分的无顶头轧制事故的发生，在少量的无顶头轧制事故中也将事故对设备的损坏降到了最低。
3.应用情况
经过本项目的各阶段的研究工作，自2012年2月投入运行以来，取得了很好的应用效果，首先通过轧制前进行顶头有无的判断工作，避免了大部分的无顶头轧制事故的发生，配合附加的一些画面报警，能够使工艺操作人员及时、快速得知顶头的锁紧状态情况，迅速采取措施处理，避免重大事故发生。其次，发生无顶头轧制事故后，增加了轧制后的设备保护措施，应用之后对机械传动设备保护效果非常明显，也减少了对轧制工具的损坏。尤其通过增加的穿孔后台设备手动应急功能，可以快速处理现场事故，顶杆及时的由毛管内退出，可以避免顶杆由于被毛管长时间包裹造成顶杆温度过高从而发生弯曲，降低了对顶杆的损坏，减少了工具修复费用。
4.结束语
通过258PQF机组穿孔无顶头轧制检测系统的研究与利用，能够做到对无顶头事故的有效预防，降低了事故发生几率。在少量无顶头轧制事故发生后采取了大量的设备保护措施及设备操作功能，大大降低了无顶头事故所造成的损害，极大的减少了故障时间，解决了穿孔区疑难问题，降低了各项成本，对258机组各项运行指标的提升做出了极大贡献。但所应用到的各钢种、规格产品的穿孔主电机轧制转矩的经验数据是在日常生产中，通过大量轧制数据记录曲线统计而来，是258机组所独有的设备运行参数，具有不可比较性。
吴奇，单位；天津钢管集团股份有限公司，省份天津，
关键词：无顶头轧制；设备保护；主机转矩
1.引言
258机组自投产以来，生产节奏及运行指标有很大提升，但穿孔后台故障一直制约着258机组生产实现进一步的自我超越，其中掉顶头而产生的无顶头轧制事故是其中一个典型的疑难故障。经过对2010年的故障时间报表进行统计，2010年月平均发生无顶头轧制事故3次，月产生故障时间至少为12小时，发生工具损耗费用为6万元/月，备件消耗费用为10万元/月，无顶头轧制事故也成为了制约现场指标提升的一个瓶颈。为了进一步提升258机组的生产能力，降低各项运行成本，赶超主力机组，解决无顶头轧制事故势在必行。
对设备进行无顶头轧制保护需从两方面入手，第一方面是在轧制前判断顶头有无，避一旦发现没有顶头，则取消本次轧制，在轧制前避免无顶头轧制故障。第二在无顶头轧制后进行设备保护，一旦发生无顶头轧制事故，由于顶杆会被未被穿透的毛管包住，小车回退会对顶杆及顶杆小车齿条造成很大的伤害，因此必须准确判断出无顶头轧制的情况，终止顶杆小车回退步序，而如何准确判断是否是无顶头轧制情况是工作中的重点。由于顶杆小车行进速度为5m/s，在顶杆小车高速行进过程中很难判断顶头有无；顶杆小车到位后，顶头位置处在主机内，由于主机内的高温多水的工况也无法进行顶头有无检测，因此本项目研究以第二方面即无顶头轧制后的设备保护为主，以第一方面在轧制前判断顶头有无信号为辅，两方面共同研究争取最大限度的避免无顶头轧制事故的发生以及一旦发生无顶头轧制事故后的设备保护工作，将无顶头轧制事故的危害降至最低。
2.详细科学技术内容
2.1、轧制前保护的研究
2.1.1轧制前顶头有无状态的分析
如果在轧制前能够检测出顶头的有无状态，及时终止轧制动作，则能避免发生无顶头轧制故障。当顶杆小车处在轧制位时，是轧制动作进行前顶杆与顶头装配的最后状态，因此如果在此时能够进行顶头有无的检测，那么则不需要其他阶段及位置的顶头有无判断。但经过在现场的实地观察，顶杆小车在轧制位时，顶头处在穿孔主机内部。主机内部的工作环境为高温、多水、多气，无法安装检测装置，根本无法进行顶头有无检测，因此在轧制动作前根据最后的顶杆与顶头装配状态来判断顶头有无情况的方案几乎不可能，那么也就无法彻底避免无顶头事故的发生。
既然顶杆小车处在轧制位时无法判断顶杆与顶头的装配情况，那么如果在顶杆小车运行过程中能够对顶头进行有无检测，也可以避免部分无顶头事故的发生。经过大量的故障统计，顶头掉落情况的发生多数在三个顶杆小车行进阶段（顶杆小车运行曲线见图1.），即第一阶段为顶杆小车加速过程，此时为顶杆与顶头刚装配的时刻，顶头与顶杆装配位置发生偏差较大时，在顶杆与顶头刚一接触的时刻，顶头就会掉落；第二阶段为顶杆小车减速过程，如果顶头与顶杆装配情况不是很好，顶头锁紧状态不理想，在顶杆小车减速过程中，顶头由于惯性便会脱离顶杆，发生掉落情况；第三阶段便是之前所提到的顶杆小车减速过程的最后阶段，即快到达轧制位时，顶头发生掉落情况，当然此时已经很难进行顶头有无检测，不在详述。经过进一步研究统计得出，如果能够在顶杆小车减速过程中准确的进行顶头由于检测，虽无法彻底避免无顶头事故的发生，但至少能够避免80%的无顶头故障的发生，因此我们可以在顶杆小车减速过程中做好顶头有无检测的工作。
图1（顶杆小车运行曲线）
2.1.2轧制前顶头有无状态的判断
顶杆小车减速过程中进行顶头有无的检测，通过现场实际情况的观察及分析，最终选定了一套方案.如下所示：在顶杆小车减速过程中，顶头所处的位置约在1#托辊处，在1#托辊处安装检测装置检测顶头的有无状态，鉴于现场的工况，检测装置选择了激光传感器。根据顶杆小车车体及顶杆长度基本一定，在顶头处在1#托辊处时，对顶杆小车车体进行检测，检测装置选用普通传感器即可。即在顶杆小车减速过程中，当检测顶杆小车车体的检测装置信号为1时刻，判断1#托辊处顶头检测装置的状态，如为1则有顶头，为0则无顶头。一旦判断出无顶头时，则在顶杆小车到达轧制位时取消轧制动作，避免无顶头事故的发生。检测装置与顶杆小车、顶头示分布意图见图2.
图2（检测装置与顶杆小车、顶头示分布意图）
2.2、无顶头轧制后的设备保护研究
轧制前的顶头有无检测避免了大部分的无顶头轧制事故，但由于无法在顶杆小车处在轧制位置进行顶头有无检测，因此还有发生无顶头轧制事故的可能性。发生无顶头轧制事故后会造成第一，坯子不能完全被穿透；第二，顶杆前端的水管被破坏，顶杆会被毛管包住不能正常的回抽，这样就会造成顶杆长时间受热而弯曲，不能再继续进行使用而必须更换新工具；第三，如果顶杆小车正常回退，由于顶杆被毛管包裹住，会造成顶杆小车传动装置的负载过大，损坏机械安全轴及顶杆小车齿条等机械设备。因此一旦发生无顶头轧制事故，对设备的损坏及造成的故障时间、工具的消耗损失是非常大的，因此发生无顶头轧制后的设备保护是必要的，必需采取保护措施来降低降低各项损失。
2.2.1无顶头轧制的判断
在无顶头轧制事故后进行设备保护，需正确判断出轧制过程是一次无顶头轧制过程，从而采取保护措施。经过大量的数据统计分析得出，正常轧制时，每次轧制过程的穿孔主电机的转矩数值比较平稳，相差不大，如图3所示（正常轧制时的穿孔主电机轧制转矩曲线图见图3）。 图3（正常轧制时的穿孔主电机轧制转矩曲线）
无顶头轧制过程中，穿孔后台区域设备的各项参数均无明显变化，只有穿孔主电机的转矩由于负载的增加而增大，且变化明显。（无顶头轧制时的穿孔主电机轧制转矩曲线图见图4）。如图所示：在完整的主电机转矩曲线中有两个数值较小且基本相等的为正常的轧制转矩曲线，数值较大的为无顶头轧制转矩曲线。
图4（无顶头轧制时的穿孔主电机轧制转矩曲线）
无顶头轧制时，穿孔机主电机的转矩会增大，但具体增大到多少，轧制不同的钢种、规格产品时，主机转矩所增大的幅值是多少需经过长期的轧制曲线进行积累得出结论。经过对258建厂以来所有无顶头轧制事故的曲线进行分析总结，无顶头轧制时，穿孔机主电机的转矩较正常时增大至少40%-50%左右，如图4所示：正常轧制时的主电机转矩峰值约为6500unit（unit为数字采集系统的坐标单位，只反映数值大小趋势，并不是真实的数值），而无顶头轧制时主电机转矩峰值约为9200 unit，正常的调车行为所造成的主电机转矩数值变化并不十分明显，经过对历史数据的采集、比对，最终确定如果穿孔主电机的轧制转矩较正常轧制转矩大30%，则断定为无顶头轧制过程，轧制后采取设备保护措施。
首先，工艺人员针对要轧制产品的钢种、规格在人机界面的对话框内输入穿孔主机轧制转矩的经验数值，每次穿孔后台设备切为自动轧钢状态时，第一根钢的穿孔主电机轧制轧制转矩与工艺人员所输入的经验数值相比较，如果大于30%则判断为无顶头轧制。由第二根钢开始，将穿孔主电机轧制转矩与当前轧制前一根钢的穿孔主电机轧制转矩相比较，如果大于30%则判断为无顶头轧制。为了保证主机轧制转矩数值的稳定性，避免咬钢瞬间主机转矩的波动，在咬钢开始后，主机转矩数值较稳定时在多个采集点取转矩数值的平均值进行比较。通过上述工作，可以将一次无顶头轧制故障准确的判断出来。
2.2.2无顶头轧制后的设备保护
无顶头轧制后，顶杆小车将以5m/s的速度快速回退，由于毛管未穿透的部分会包裹住顶杆与顶头装配处，毛管回退至毛管挡叉处时产生的阻力会对顶杆小车机械传动部分产生巨大的冲击损坏，时常损坏机械安全轴、齿轮箱传动齿轮甚至传动齿条，一旦损坏到齿轮箱传动齿轮或传动齿条将造成重大事故。无顶头轧制后的顶杆小车回退曲线见图5。
因此发生无顶头轧制后必须避免顶杆小车的正常回退动作，同时采取措施便于工艺人员方便处理现场故障。经过多方讨论协商，进行程序修改采取设备保护措施。首先，一旦判断出无顶头轧制事故，终止顶杆小车回退步序，避免回退过程中对机械传动设备的损坏；其次，增加后台各设备的手动应急操作功能，避免时间过长顶杆被毛管完全包裹住，便于及时处理故障，减少事故造成的损失。
图5（无顶头轧制后顶杆小车回退曲线）
通过采取上述各项措施，避免了大部分的无顶头轧制事故的发生，在少量的无顶头轧制事故中也将事故对设备的损坏降到了最低。
3.应用情况
经过本项目的各阶段的研究工作，自2012年2月投入运行以来，取得了很好的应用效果，首先通过轧制前进行顶头有无的判断工作，避免了大部分的无顶头轧制事故的发生，配合附加的一些画面报警，能够使工艺操作人员及时、快速得知顶头的锁紧状态情况，迅速采取措施处理，避免重大事故发生。其次，发生无顶头轧制事故后，增加了轧制后的设备保护措施，应用之后对机械传动设备保护效果非常明显，也减少了对轧制工具的损坏。尤其通过增加的穿孔后台设备手动应急功能，可以快速处理现场事故，顶杆及时的由毛管内退出，可以避免顶杆由于被毛管长时间包裹造成顶杆温度过高从而发生弯曲，降低了对顶杆的损坏，减少了工具修复费用。
4.结束语
通过258PQF机组穿孔无顶头轧制检测系统的研究与利用，能够做到对无顶头事故的有效预防，降低了事故发生几率。在少量无顶头轧制事故发生后采取了大量的设备保护措施及设备操作功能，大大降低了无顶头事故所造成的损害，极大的减少了故障时间，解决了穿孔区疑难问题，降低了各项成本，对258机组各项运行指标的提升做出了极大贡献。但所应用到的各钢种、规格产品的穿孔主电机轧制转矩的经验数据是在日常生产中，通过大量轧制数据记录曲线统计而来，是258机组所独有的设备运行参数，具有不可比较性。
吴奇，单位；天津钢管集团股份有限公司，省份天津，