冷軋卷取機(jī)張力控制研究

王艷斌 首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司

在帶材生產(chǎn)過程中，一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是卷取工藝，在整個(gè)冷軋生產(chǎn)工藝過程中直接對(duì)板形產(chǎn)生影響，有必要對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，板形質(zhì)量的提升以及鋼卷下線缺陷概率的有效降低直接受到卷取工藝參數(shù)合理性的影響。對(duì)于鋼卷卷取卸卷以及運(yùn)輸、堆垛等過程中出現(xiàn)的整個(gè)帶卷塌陷的現(xiàn)象被稱之為扁卷或塌卷，發(fā)生扁卷或塌卷時(shí)，整個(gè)鋼卷逐漸由正圓向橢圓轉(zhuǎn)變，甚至出現(xiàn)鋼卷內(nèi)圈被壓扁的情形，導(dǎo)致鋼卷的垂直卷徑縮小而水平卷徑增大，增加了內(nèi)徑護(hù)圈安裝的難度，影響下游產(chǎn)線的正常上機(jī)，對(duì)產(chǎn)線的生產(chǎn)效率產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

1 卷取機(jī)工藝介紹及控制要求

整個(gè)鋼卷的生產(chǎn)過程對(duì)卷取機(jī)張力的要求比較嚴(yán)格，需要采用轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)姆绞酱_保張力的恒定。只有保持恒定的張力，才能對(duì)連退產(chǎn)品的板形質(zhì)量及尺寸精度提供有效保障，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率的不斷提升。對(duì)于連退生產(chǎn)線而言，其控制系統(tǒng)是復(fù)雜對(duì)變量的耦合系統(tǒng)，在生產(chǎn)過程中通過帶鋼張力實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的相互聯(lián)接，提高整個(gè)機(jī)組的整體性能。連退爐的溫度以及成品帶鋼的品質(zhì)都直接受到帶鋼張力控制精度的影響。出口輸送設(shè)備、自動(dòng)打捆機(jī)、稱重裝置、出口步進(jìn)梁、鋼卷小車、卷取機(jī)、出口飛箭、靜電涂油機(jī)、檢查臺(tái)、去毛刺機(jī)、圓盤剪以及出口活套等共同組成連續(xù)生產(chǎn)線的出口設(shè)備。帶鋼自檢查站輸出由靜電涂油機(jī)涂油再進(jìn)入出口飛箭，并根據(jù)不同的工藝要求由出口飛箭實(shí)施廢料切割、試樣剪取以及分卷等流程，再通過穿帶裝置、轉(zhuǎn)向輥等套入特定卷取機(jī)，完成鋼卷的卷取。出口鋼卷小車根據(jù)卷取機(jī)上根據(jù)帶尾的位置進(jìn)行提升以發(fā)揮對(duì)鋼卷的托住作用，卷取機(jī)芯隨著出口鋼卷小車的托住作用進(jìn)行收縮。出口鋼卷小車托住并卸下鋼卷后將鋼卷送達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)小車并由運(yùn)轉(zhuǎn)小車向步進(jìn)梁進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 卷取機(jī)系統(tǒng)的張力控制

2.1 軋制速度給定

在軋制過程中，主軋機(jī)的線速度VM對(duì)軋制線速度起到?jīng)Q定性作用，故主機(jī)轉(zhuǎn)速公式為：nM =60iVM/πDM

其中，減速比為i，支撐輥傳動(dòng)直徑為 DM。卷取工作狀態(tài)中的卷取機(jī)的速度公式表示為：nW=60iVMVM(1+α)/πD

其中，帶卷直徑用D表示，超調(diào)量用a表示，其有效范圍通常在0.1-0.2之間，也就是說卷取機(jī)的線速度可高于前主軋機(jī)速度的10%-20%，以確保在卷取機(jī)張力確定后，速度調(diào)節(jié)器能夠在一定的飽和深度下對(duì)卷取機(jī)張力的穩(wěn)定性提供保障。當(dāng)卷取機(jī)系統(tǒng)處于開卷狀態(tài)時(shí)，設(shè)定某固定卷取方向速度，以確保速度給定與反饋保持相同方向，進(jìn)而提升速度調(diào)節(jié)器輸出的飽和度，一旦發(fā)生斷帶，開卷系統(tǒng)能通過制動(dòng)力矩的作用實(shí)現(xiàn)快速停車，并保持低速反轉(zhuǎn)，提高帶材纏繞的密度。

2.2 卷徑測量及計(jì)算

對(duì)于可逆軋機(jī)而言，當(dāng)軋制線速度一定時(shí)，帶卷卷徑對(duì)電流的張力及加速度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償起到直接的影響作用，張力系統(tǒng)控制的精度與卷徑計(jì)算的精確性密切相關(guān)。在軋機(jī)系統(tǒng)中，分別將脈沖編碼器安裝于卷取電機(jī)軸及導(dǎo)向輥上，排除打滑因素的影響，受卷筒與導(dǎo)向輥之間帶材張力的影響，當(dāng)時(shí)間區(qū)間特定時(shí)，相同長度的帶材通過導(dǎo)向輥由卷筒進(jìn)行卷取，故

其中，導(dǎo)向輥的直徑、轉(zhuǎn)速以及卷取機(jī)的轉(zhuǎn)速和減速比分別由Dde、nde、n、i進(jìn)行表示。

2.3 張力控制的類型

根據(jù)控制程度的不同，張力控制可分為直接控制和間接控制，其中，直接張力控制以速度控制為準(zhǔn)，而間接張力控制則以轉(zhuǎn)矩控制為準(zhǔn)。根據(jù)提前設(shè)定的張力由張力控制器對(duì)需要的轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行計(jì)算，并傳遞給傳動(dòng)裝置，傳動(dòng)裝置根據(jù)電機(jī)需要對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)帶鋼張力的控制。間接張力控制又被稱為開環(huán)控制，此時(shí)的張力給定和反饋不是必須的，而是給定系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩以及補(bǔ)償?shù)拇鷶?shù)。將給定的張力作為電流限幅值的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)基數(shù)給定時(shí)，一定的張力可以通過電樞電流與機(jī)組實(shí)際線速度的常數(shù)比值來實(shí)現(xiàn)。

間接張力控制主要用于生產(chǎn)線卷取機(jī)的張力控制，而且該控制系統(tǒng)又是由電流環(huán)和速度環(huán)組成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)產(chǎn)生張力時(shí)，一旦速度環(huán)處于飽和狀態(tài)，電流環(huán)就會(huì)自動(dòng)主導(dǎo)整個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，此時(shí)，速度環(huán)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速在特定范圍內(nèi)無法對(duì)系統(tǒng)發(fā)揮影響作用，整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)主要受到力矩限幅的控制。整個(gè)控制系統(tǒng)通過以下方案得以實(shí)現(xiàn)：在卷取機(jī)的整個(gè)生產(chǎn)過程中，張力產(chǎn)生時(shí)的速度環(huán)速度與附加速度給定值的總和要高于速度反饋值，進(jìn)而提高了速度調(diào)節(jié)器的飽和速度，導(dǎo)致其輸出受到較大的限制，使得速度環(huán)的調(diào)節(jié)作用被削弱，電流環(huán)在整個(gè)系統(tǒng)的張力控制方面發(fā)揮主導(dǎo)作用，在張力給定的情況下通過慣量補(bǔ)償、機(jī)械補(bǔ)償?shù)茸饔茫瑢?shí)現(xiàn)對(duì)電流的閉環(huán)控制調(diào)節(jié)。

2.4 卷取機(jī)張力控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償算法

卷取機(jī)進(jìn)行鋼材卷取受加速和減速的影響明顯，因此需要通過轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償提高卷取狀態(tài)的穩(wěn)定性。隨著鋼材卷取量的不斷增大，卷取機(jī)的卷徑、質(zhì)量及負(fù)荷均呈不斷上升的趨勢，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩、線速度呈現(xiàn)加快加大的趨勢，因而對(duì)卷取機(jī)張力的穩(wěn)定性提出了更高要求。在卷取機(jī)工作的一系列過程中，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量會(huì)隨之產(chǎn)生，進(jìn)而導(dǎo)致一定的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，引發(fā)張力的不穩(wěn)定性。而如何有效控制張力的波動(dòng)性，則需要對(duì)其補(bǔ)償值進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。

所謂慣性補(bǔ)償，就是適當(dāng)補(bǔ)充卷取機(jī)的運(yùn)行慣性，補(bǔ)償值受到帶鋼的厚度和寬度以及電子加減速度值的直接影響。運(yùn)行中的卷取機(jī)因卷徑值的變化而對(duì)角速度產(chǎn)生影響，因此需要通過慣性補(bǔ)償?shù)姆绞絹肀Ｕ暇砣C(jī)張力的穩(wěn)定性，且該補(bǔ)償值隨著卷徑的增加而不斷增大。

結(jié)語：在整個(gè)鋼材生產(chǎn)的連退線上，卷取機(jī)的作用不可忽視，機(jī)組連續(xù)生產(chǎn)的穩(wěn)定性直接受到其工作質(zhì)量的影響。在鋼材生產(chǎn)線中，受卷取機(jī)張力影響而出現(xiàn)的帶鋼跑偏、鋼卷內(nèi)圈松動(dòng)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品質(zhì)量的提升。因此要求設(shè)備維護(hù)人員對(duì)按什么流程如何有效控制張力有一定的心得和技巧，確保機(jī)組運(yùn)行效率穩(wěn)中有升。