連續退火線爐內張力的控制方法

王友政

（中冶南方工程技術有限公司智能制造事業部， 湖北 武漢 430223）

在冷軋連退生產線中，開卷機、卷取機、張力輥、入口活套、出口活套都需要進行帶鋼張力控制。帶鋼張力是冷軋生產中最重要的生產工藝參數，保持張力的適當取值，可有效防止帶鋼跑偏和熱瓢曲，以獲得良好的帶鋼板型[1]，還可有效控制帶鋼抖動，防止帶鋼劃傷，提高帶鋼質量[2-3]。冷軋連退生產線的傳統張力控制方式主要包括基于轉矩限幅的開卷卷取張力控制，基于速度的張力輥張力控制，基于活套套量和速度的活套張力控制。通過對傳統張力控制方法的深入分析研究，建立爐內張力控制模型，以提高工藝速度，產量及質量。

1 連退線傳統的張力控制方式

張力控制一般分為直接張力控制和間接張力控制。直接張力控制是利用張力計直接測量帶鋼張力，以此作為張力反饋信號與張力設定值進行比較形成閉環，以控制變頻器輸出，維持張力恒定。間接張力控制是根據變頻器輸出的轉矩計算出張力，以此作為張力反饋信號與張力設定值進行比較，從而進行張力控制。

連退生產線中開卷機、卷取機、入口活套、出口活套利用間接張力進行控制，張力輥利用直接張力進行控制。

1.1 開卷機與卷取機的張力控制

開卷機和卷取機是冷軋生產的重要設備，為保證產品質量和帶材的張力控制精度，需要進行精確的卷徑計算和張力控制[4-5]。在冷軋生產中，開卷機和卷取機隨著卷徑的不斷變化需要超頻運行，電機需要有一定的過載能力[6]，并且開卷機和卷取機的負載曲線具有恒功率特性。開卷機和卷取機在運行時，線速度和張力基本保持不變。因此，隨著開卷機和卷取機的運行，鋼卷的卷徑不停的變化，導致轉矩控制需要實時調整。

開卷機和卷取機轉矩限幅由設定張力對應的轉矩、加速度轉矩和摩擦轉矩三部分組成，如圖1 所示。轉矩限幅為：

圖1 開卷機轉矩限幅

1.2 張力輥的張力控制

連續退火線根據區域劃分為入口段、工藝段和出口段，每一段中有且只有一組張力輥作為速度主令輥，其余張力輥組作為張力控制輥。每一組張力輥一般由2 個以上的輥子組成，其中每組張力輥中有1 個主輥，其他作為從輥，通過負荷分配的方式，控制1 組張力輥共同作用到帶鋼上。

在冷軋生產線中，當張力輥用作張力控制或者速度控制時，可以通過主從積分量控制[7]實現張力輥之間的負荷平衡。主輥速度是可以自己調節的，有利于速度和張力的控制；從輥的給定積分量是主輥的實際積分量，從輥的速度可以通過自己的比例分量來調節，正常情況下，從輥的轉矩跟隨主輥的轉矩發生相應變化。

主從積分量控制的負荷平衡的實際應用較多。從裝置速度環的積分量為零，這樣做是為了使從輥可在主輥工作點附近調節。比例分量在每個單獨輥上起作用，而積分量僅僅用于主輥自己調節，主輥的積分量被傳送給從輥用作附加的加權轉矩[8-9]。共享的積分量能夠消除兩個速度調節器之間的相互振蕩，且考慮到電動和發電狀態，還可以消除張力輥之間的相互影響。

帶鋼張力對壓下率和板形有很重要的作用，為了便于控制張力輥的張力，并能使張力均勻地加在帶鋼上，在連退機組設置幾組張力輥組。張力輥主要起到張力隔斷和機組速度控制的目的。張力輥的工作原理是帶鋼包繞在張力輥上，在其包繞接觸處產生摩擦力，使出口張力和入口張力按某種規律變化，借此改變張力的張力值，從而實現機組的張力控制。

張力輥控制轉矩由張力控制器輸出和速度設定值對應的轉矩、加速度轉矩和摩擦轉矩三部分組成，如圖2 所示。轉矩限幅為：

圖2 張力輥張力控制

式中：Tset為轉矩設定值，TM為張力控制器輸出和速度設定值對應的轉矩。

基于速度的張力輥張力控制主要通過調整張力輥速度，以形成速度差，使帶鋼前后受力不同，從而達到張力控制。將設定張力與張力計反饋的實際張力的差值通過張力控制器進行調節，輸出一定的工藝附加速度，疊加到設定速度上，再作用到速度控制器的設定通道上，由此可以獲得目標張力值。

1.3 活套的張力控制

從活套的功能特點來看，它是連退線之間的帶鋼緩沖區，以維持連退工藝段的速度恒定及連退機組均以最優速度運行為目的；從生產工藝上講，不僅需要在運行時保持活套張力恒定，而且要求在帶鋼加減速過程中準確地進行動態力矩補償，并根據帶鋼規格和套量對張力進行修正[10]。活套采用間接張力控制，當活套速度恒定時，張力控制比較穩定，但是在活套速度變化率較大時，張力會產生較大的波動，因此需要張力補償準確，以克服張力波動。

活套張力在連退線生產中是一個不可忽略的重要因素，活套張力精度的控制直接影響產品質量和生產過程的正常運行。活套張力如果過大可能引起斷帶，張力如果過小則會導致帶鋼跑偏。對于活套張力來講，其張力控制的主要目的就是保證在正常運行條件下帶鋼不會出現跑偏、撕裂等問題。

活套張力的波動不僅直接影響到連退機組各段張力調節，而且會導致帶鋼的糾偏效果差，使帶鋼在活套內發生跑偏，以至于掛裂，甚至發生斷帶而造成機組停機。限制活套套量能在一定程度上緩解帶鋼跑偏，但這樣會嚴重影響連退機組的生產節奏。

活套張力控制轉矩由張力控制器輸出和速度設定值對應的轉矩、根據活套套量的張力補償轉矩、加速度轉矩和摩擦轉矩四部分組成，如圖3 所示。轉矩限幅為：

圖3 活套張力控制

式中：TL為根據活套套量的張力補償轉矩。

TL和TA屬于動態力矩補償，其精度主要取決于動態力矩的計算精度和補償時機的準確性。補償不及時會造成活套充放套切換及較大速度變化率時，帶鋼張力發生較大波動。根據活套套量補償不同的力矩，加快活套的相應速度，可減小張力波動。

2 連退線爐內的張力控制方式

連續退火機組由于采用了快速加熱、高溫退火、快速冷卻、過時效處理等技術，能夠在較低的成本下生產出平直度好、性能均勻、表面清潔度高的產品，因而得到了迅速發展。連退機組工藝參數的設定主要包括溫度參數與張力參數兩部分。其中，溫度參數由帶材的性能指標來決定，在退火過程中可以改變的余地并不大，因此一般設定完畢后不進行大的調整；而爐內張力則是連續退火過程中比較活躍的一個參數，其可調范圍比較大，并且張力設定的好壞與穩定通板密切相關。

退火爐入口張力是通過張力輥來建立的，爐內張力和退火爐出口張力是通過所有爐輥共同作用來建立的。

通過控制爐輥的Droop 特性和爐內張力控制器輸出的工藝附加速度，可以有效地控制爐內張力，并且使爐輥之間帶鋼保持一定的懸垂度。

2.1 Droop 特性控制

Droop 功能通常應用于有大沖擊的系統中，具有軟化電機的機械特征，因此也具有一定的緩沖作用；另一個典型的用途就是負載分配，通過設置Droop 參數可使電機的負載和速度基本一致。

Droop 功能可以說是變頻調節器的下垂特性，啟動了這個功能以后，速度調節器的特性可以變“軟”。當負載增加的時候，轉速隨其增加而下降，反之亦然。這就有別于恒轉速控制特性。恒轉速特性曲線是一條平行于坐標橫軸的水平線。在穩態過程中，電機轉速與負載的變化無關，特性很硬。

Droop 特性表現在電機的負載過大的時候，變頻器的輸出頻率會降低，使得電機的機械特征變軟，負載越大，頻率下降的幅度就越大。

Droop 特性的負荷平衡主要應用在當一個設備由多個變頻傳動控制，或者多個變頻傳動需要成組控制同一對象時，并且變頻傳動數量多，速度精度控制要求不高的場合。因此通過Droop 特性的負荷平衡方法可以簡單有效地控制數量多的變頻傳動，從而滿足其整體控制要求。

由于Droop 功能的固有特性，可以將其用作所有爐輥之間的負荷平衡，防止部分爐輥出力過大，否則經常會因為電流或者轉矩過大而使爐輥傳動報故障停機，并且會在帶鋼表面產生劃痕，甚至會影響帶鋼的延展率，降低產品質量，同時減少爐輥設備的使用壽命。

通過現場利用Droop 功能，并且配合調節合適的Droop 系數，可以有效實現爐輥傳動的負荷平衡，克服相關問題，將有利于爐輥的變頻傳動整體控制，并且有效控制爐內的帶鋼張力，減小帶鋼的延展率，明顯提高了帶鋼質量，保護了傳動設備。

2.2 爐內張力控制

退火爐爐輥均以托輥形式與帶鋼接觸，爐內爐輥無包角，張力傳遞過程較長，使爐內張力較難通過計算來進行精確的間接張力控制，因此通常使用張力計進行直接張力控制。在此控制方式中，計算張力設定值與張力計反饋值的偏差量，將張力差作為張力控制器輸入的控制量。張力控制器根據此張力控制量進行動態調節，減小偏差值，以使張力實際測量值趨向設定值。由于爐內不設糾偏裝置，因此依靠所有爐輥進行爐內張力控制，為消除爐內跑偏及提高控制精度，分別針對邏輯控制與傳動控制進行了優化。

在高速、薄帶鋼連退生產線中，爐內帶鋼張力是主要工藝參數，也是保證機組穩定通板和產品質量穩定的關鍵因素之一。連退爐內張力控制系統具有自身特點，爐內采用張力控制工藝。爐內沒有設置張力輥，因此爐內張力控制由近200 根爐輥電機一起工作來實現，爐輥電機采用基于速度的爐內張力控制。

每個爐輥都有一臺單獨的變頻控制器爐輥電機，并且整個爐區的爐輥電機均帶編碼器速度反饋，這樣可以保證所有爐輥的控制精度，有效控制爐內張力和退火爐的出口張力。爐內張力控制情況如圖4 所示。

圖4 爐內張力控制

從圖4 中可以看出，通過采用爐內直接張力控制和Droop 功能相結合的方式，可以有效地控制帶鋼在爐內的張力，并且可以保證所有爐輥出力的均衡分配。但是由于不同的爐段溫度不同，需要帶鋼在爐內有不同的懸垂度。因此，需要根據工藝要求合理增大或減小不同爐段的爐內張力，以保證獲得最佳爐內張力控制。

2.3 爐輥異常狀態的控制

由于爐內爐輥數量多，正常運行時每根爐輥的狀態差別不大，但是由于爐輥的磨損等因素，會造成個別爐輥的轉矩或速度異常。特別是爐輥在高溫環境中運行一段時間后，爐輥表面摩擦因數下降，爐輥與帶鋼之間易發生打滑。爐輥表面粗糙度衰減后，爐輥傳遞轉矩能力減小。當下降到低于張力調節能力時，則爐輥張力調節值不能全部傳遞到帶鋼上，此時就會造成爐輥速度與帶鋼實際速度差別較大。如果爐輥以較大幅度高于或低于帶鋼實際速度的速度長時間運行，會加快爐輥的磨損。

為解決上述爐輥打滑問題，需要對每根爐輥的實際速度進行判斷。當監測到有爐輥速度和帶鋼速度差超過某一值時，逐步降低這根爐輥的張力調節值，直到速差回到正常范圍，此時記錄爐輥的張力調節值，作為這根爐輥的張力附加速度。通過這種方法，消除了爐輥運行速度與帶鋼速度不一致的現象，防止爐輥與帶鋼之間打滑，使機組運行穩定。

除了對爐輥速度監控外，也需要對爐輥轉矩進行監測，當發現個別爐輥轉矩異常時，可以通過自動調節Droop 系數，有效降低爐輥的出力，最終達到所有爐輥出力均衡的目的。

3 結果分析

原有連續退火爐爐內張力不可控，這樣會造成帶鋼在爐內張力分配不均，嚴重時會劃傷帶鋼表面，影響帶鋼質量。通過對所有爐輥進行直接張力控制和使用Droop 功能，可以有效地控制爐內張力，并且可以保持帶鋼在爐輥間有一定的懸垂度，提高工藝速度，有效增加帶鋼產量，提高帶鋼的質量。

但是由于個別爐輥的運行狀態與絕大部分爐輥差別較大，如果不及時處理，會減少爐輥的使用壽命。如果異常狀態的爐輥數量增加，也會造成爐內張力波動。因此，通過對爐輥異常狀態進行控制，及時調節異常狀態爐輥的張力附加速度或者自動調節Droop 系數，可延長爐輥的使用壽命，防止影響擴大，保證爐內張力穩定，以使帶鋼在爐內穩定運行。