不銹鋼立式光亮退火爐爐內帶鋼張力控制分析

林 剛，程金山，左懷龍，喬愛民

（寧波寶新不銹鋼有限公司，浙江寧波 315807）

0 引言

不銹鋼立式全氫光亮退火爐是冷軋不銹鋼光亮板生產的關鍵設備。由于不銹鋼鋼帶在爐子加熱段和冷卻段運行過程中，全程無輥子對帶鋼進行支撐，且爐內帶鋼運行通道相對狹窄，如張力不穩或者過大、過小，極易引起表面與周圍設備接觸，導致帶鋼表面發生擦劃傷等質量缺陷，甚至發生帶鋼跑偏斷帶等惡性事故。為此，爐內帶鋼張力的控制極為關鍵。張力控制設備主要由彈跳輥（俗稱跳舞輥）、氣缸、鋼構以及保護限位等裝置構成，其中彈跳輥起非常重要作用。以某冷軋不銹鋼廠1#光亮退火機組為背景解析張力控制機理。

1 設備主要技術參數

（1）彈跳輥主要技術參數。輥身材料鋁合金，輥身直徑840 mm，輥身長度1700 mm，輥身重量358 kg，輥身覆膠NBR，shore（80±5）mm，厚度 15 mm，擺動角度±15°，彈跳輥帶鋼包角 45°。

（2）氣缸主要技術參數。缸徑160 mm，桿徑40 mm，行程250 mm 壓力調節范圍（0～0.6）MPa,

氣缸活塞面積：大活塞面積S1=20 106.2 mm2；小活塞面積S2=1884.950 mm2。

2 爐內帶鋼控制機理分析

2.1 張力控制原理

張力控制裝置主要由推拉氣缸，彈跳輥和支撐機座組成（圖1）。

不銹鋼帶退火過程中，不同規格的鋼帶需要不同的爐內張力F，帶鋼的實際張力F與單位張力以及帶鋼寬度、厚度成正比，見式（1）。

式中f——帶鋼設定單位張力，N/mm2

W——帶鋼寬度，mm

T——帶鋼厚度，mm

機組在運行狀態下，彈跳輥支撐臂擺角處于中間位置，支撐臂水平，即跳舞輥在帶鋼合張力，氣缸推（拉）力以及輥子重力的共同作用下處于平衡位置。由于輥子重力為定值，不銹鋼帶的張力大小僅與氣缸壓力的大小有關。因此，依據帶鋼的規格（寬度、厚度、密度）改變氣缸的給定壓力可達到控制爐內帶鋼張力的目的。氣缸的設定壓力和實際壓力通過比例氣動閥（4～20）mA自動閉環控制使得爐內的張力保持恒定不變。為保障彈跳輥支撐臂始終在水平位置，在彈跳輥的軸線處裝設有彈跳輥位置補償電位計，其信號送入爐子入口帶鋼速度調節程序，當支撐臂處于水平位置時，其值為50%，>50%時，降低爐子入口帶鋼速度，＜50%時，提高爐子入口速度，控制彈跳輥支撐臂保持在水平位置。為保護設備，彈跳輥裝備了2個極限位置限位開關，低極限開關用于檢測帶鋼斷帶，高極限開關防止入口帶鋼速度控制出錯時彈跳輥被帶鋼拉起，彈跳輥到達任何一個極限位位置，機組將停止運行。

2.2 彈跳輥受力分析

圖1 張力控制設備原理

對于同一規格的帶鋼，其所需張力大小為定值。分析彈跳輥支撐臂水平時的受力情況。由圖1及彈跳輥、氣缸技術參數可知，彈跳輥所受重力G,氣缸推（拉）力及帶鋼和張力F合。

（1）彈跳輥重力G=3508 888 N,方向向下，力臂為900 mm；

（2）氣缸拉力（或推力）T,方向水平，力臂為400 mm；

（3）由彈跳輥包角45°以及張力F方向,計算可得帶鋼張力作用在彈跳輥的合力（圖2）。

由力矩平衡原理，可得式（2）。

根據式（2）可以求得不同規格鋼帶下，氣缸所需的拉（推）力T，當T為正時，氣缸無桿腔充壓，即活塞S2受壓，表現為推力；當T為負時，氣缸有桿腔充壓，即活塞S1受壓，表現為拉力；依據T的正負情況，結合氣缸活塞面積S1，S2面積，即可得出不同規格鋼帶下氣缸的設定壓力 P1和 P2。

圖2 帶鋼張力合力

3 控制軟件分析

該冷軋不銹鋼廠1#光亮退火機組控制系統為SIEMENS公司的S7-400PLC控制系統，爐體帶鋼張力控制相關軟件功能：

（1）讀彈跳輥比例閥 1 實際壓力（4～20）mA=（0～0.6）MPa。

（2）比例閥1超出范圍判定。比例閥1（-100～27 749）有效。

（3）讀彈跳輥比例閥 2 實際壓力（4～20）mA=（0～0.6）MPa。

（4）比例閥2超出范圍判定（-100～27 749）有效。

（5）彈跳輥負載計算 根據帶寬、厚度、密度計算帶鋼張力，并且（4～20）mA 輸出到氣缸比例調節閥1或2，算出實際帶鋼單位截面張力。

（6）根據帶鋼張力，彈跳輥比例閥1壓力設定輸出（0～0.6）MPa=（4～20）mA。

（7）根據帶鋼張力，彈跳輥比例閥2壓力設定輸出（0～0.6）MPa=（4～20）mA。

（8）判斷比例閥1壓力給定是否到達（誤差±0.035 MPa）。

（9）判斷比例閥2壓力給定是否到達（誤差±0.035 MPa）。

（10）彈跳輥到上限位置判定。

（11）彈跳輥到下限位置判定。聯合輻射冷卻段斷代進行帶鋼斷帶判斷。

（12）斷帶時，入口密封控制柜指示燈-H28亮。

（13）彈跳輥位置給機組線控制系統用于爐前張力輥組的速度調節。

4 模擬仿真

4.1 模擬仿真的方法和目的

仿真環境為SIEMENS STEP7中“simulation”仿真測試功能，通過輸入不同規格的鋼帶數據，驗證氣缸壓力給定是否在氣缸壓力范圍（0～0.6）MPa內（機組生產帶鋼最大厚度2 mm,寬度1250 mm），同時，較直觀地得出鋼帶規格與氣缸有、無桿腔壓力P1，P2的關系。仿真界面見圖3。

圖3 模擬仿真界面

4.2 模擬仿真數據

（1）數據設定符號及范圍。DB41.DBD156帶鋼寬度范圍（650～1350）mm，DB41.DBD152帶鋼厚度范圍 （0.25 ～2）mm，DB41.DBD160帶鋼密度7.93kg/dm3，DB41.DBD148爐子段帶鋼張力設定（2.5～5）N/mm2。

（2）仿真帶鋼規格數據（表1）。

（3）模擬仿真結果（表2）。

表1 仿真帶鋼規格數據表

表2 模擬仿真結果

表（2）顯示,氣缸壓力給定范圍（0～0.45）MPa，在氣缸壓力范圍（0～0.6）MPa之內,隨著帶鋼寬度和厚度的增加，P1壓力給定越來越小，P2壓力給定越來越大。

5 日常維護要點

立式退火爐爐內張力控制的主要部件為彈跳輥、氣缸、比例閥,通過日常維護和設備保養保障其狀態良好是關鍵。

（1）彈跳輥及支撐臂轉動部位按周期進行加油，保障潤滑良好，不能出現因潤滑不良導致的轉動不靈、卡阻問題。

（2）保障氣動動力源清潔、干燥，定期查看氣源壓力是否正常，比例閥、氣缸及連接部位要定期檢查是否存在泄漏。

（3）更換跳舞輥要做好輥重檢測，輥重發生變化，要修改相應程序參數。

（4）限位開關、比例閥插頭、電位器等電氣設備及線路要做好周期清掃緊固，比例閥做好周期性能測試。

6 結語

以某冷軋不銹鋼廠1#光亮退火機組為背景，分析不銹鋼立式光亮退火爐張力控制機理，解讀控制軟件，并通過模擬仿真直觀地得出鋼帶規格與氣缸設定壓力的關系。同時，結合多年工作經驗，介紹張力控制設備的日常維護要點。