帶鋼生產(chǎn)過(guò)程中張力問(wèn)題分析和對(duì)策

1、鋼板軋制過(guò)程中張力控制的分析和對(duì)策張守興（?？诮?jīng)濟(jì)學(xué)院 信息工程學(xué)院 海南 海口 571127）摘要：本文介紹了武鋼集團(tuán)海南有限責(zé)任公司單機(jī)架四輥可逆式軋機(jī)機(jī)組張力控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究，通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)整相關(guān)參數(shù)，提高軋機(jī)張力控制精度，解決了軋制和平整極薄帶鋼過(guò)程中出現(xiàn)的帶鋼鼓包和拉皺現(xiàn)象。關(guān)鍵詞：冷軋；張力控制；精度the analysis and countermeasures of tension control in the steel mills processzhang shou xing（haikou college of economics，the institute of infor

2、mation engineering，haikou，hainan 571127）abstract: this paper introduces the hainan wisco group limited liability company leveling unit motor applied research, through the motor related parameter calculation and replace domestic motor, solve the stability of motor, make the unit production get more p

3、owerful guarantee.key word: cold mill；tension controls；accuracy一 概述武鋼集團(tuán)海南有限責(zé)任公司目前逐步形成了國(guó)內(nèi)精密極薄帶鋼的生產(chǎn)基地，公司冷軋機(jī)組為單機(jī)架四輥可逆式軋機(jī)，完成帶鋼的冷軋軋制和平整兩道工序，機(jī)組由美國(guó)綜合工業(yè)i2s公司設(shè)計(jì)制造，主要設(shè)備全部從美國(guó)引進(jìn)，具有90年代國(guó)際先進(jìn)水平。該軋機(jī)設(shè)計(jì)年產(chǎn)量10萬(wàn)噸，產(chǎn)品的厚度范圍是0.2mm-2.0mm。機(jī)組采用八臺(tái)美國(guó)ge公司生產(chǎn)的840kw直流電機(jī)對(duì)四條主軸進(jìn)行拖動(dòng)，每根軸系由兩臺(tái)電機(jī)串聯(lián)提供動(dòng)力，傳動(dòng)系統(tǒng)采用西門(mén)子6ra7025調(diào)速裝置對(duì)原裝置進(jìn)行了數(shù)字化改造，張力控制采

4、用附加t400工藝控制板實(shí)施。軋機(jī)原設(shè)計(jì)100%額定張力值為15.4噸，在軋制過(guò)程中，卷取機(jī)的張力靜態(tài)誤差不超過(guò)3%，動(dòng)態(tài)誤差不超過(guò)6%，在生產(chǎn)原規(guī)格的產(chǎn)品范圍內(nèi)基本滿足生產(chǎn)要求。二 問(wèn)題的提出 隨著企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)發(fā)展和市場(chǎng)的需要，公司決定對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行戰(zhàn)略調(diào)整，確立了“公司發(fā)展成為精密冷軋極薄帶鋼生產(chǎn)基地”的經(jīng)營(yíng)思路。在試生產(chǎn)0.15mm極薄帶鋼的初期并不順利，出現(xiàn)了許多不同的問(wèn)題，其中最為突出的是張力控制精度不夠的問(wèn)題。因新開(kāi)發(fā)的0.15mm厚的內(nèi)磁屏蔽鋼材質(zhì)比較軟，工藝要求的張力比普通的鋼板小得多，尤其在平整時(shí)比張力設(shè)定小到5kg/mm，按平整寬度為1000mm的帶鋼計(jì)算，在生產(chǎn)成品為0

5、.15mm的帶鋼過(guò)程中開(kāi)卷卷取張力設(shè)定為大約750kg，是額定張力設(shè)定的5%，按原系統(tǒng)的控制精度是不夠的。卷取機(jī)的張力控制精度不夠造成軋制過(guò)程，特別是升降速過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)由于張力波動(dòng)造成的帶鋼表面鼓包、折皺，甚至出現(xiàn)勒輥斷帶現(xiàn)象，嚴(yán)重制約內(nèi)磁屏蔽鋼的開(kāi)發(fā)進(jìn)程，因此必須盡快通過(guò)提高軋機(jī)張力控制精度來(lái)解決此問(wèn)題。三 張力控制原理分析1.單機(jī)架可逆式軋機(jī)的卷取張力工作的特點(diǎn)冷軋帶鋼的一個(gè)特點(diǎn)就是張力軋制，張力可以降低軋制壓力和改善鋼板板型，可以說(shuō)，沒(méi)有張力是無(wú)法進(jìn)行冷軋軋鋼的。在可逆式單機(jī)冷軋機(jī)上，張力是在軋機(jī)和卷取機(jī)之間產(chǎn)生的，形成前張力的卷取機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，而形成后張力的卷取機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，又

6、稱(chēng)為開(kāi)卷機(jī)。帶鋼張力的控制精度對(duì)帶鋼冷軋軋制穩(wěn)定性和成品帶鋼的質(zhì)量有著極大的影響，它一般可分為直接張力控制和間接張力控制兩種類(lèi)型。前者是通過(guò)張力計(jì)直接檢測(cè)張力的實(shí)際值，經(jīng)張力控制器送入系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)控制；后者則是通過(guò)控制其他參數(shù)而間接地進(jìn)行恒張力控制。間接張力控制的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備投資少，動(dòng)態(tài)可以前置預(yù)補(bǔ)償，靜態(tài)精度只要定期核準(zhǔn)，均可滿足設(shè)計(jì)要求，因此在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。武鋼集團(tuán)海南公司軋機(jī)張力控制系統(tǒng)采用間接張力控制方式。軋機(jī)張力系統(tǒng)示意圖如以下圖1所示：2.卷取機(jī)間接張力控制原理和方案所謂間接張力控制，就是只給張力設(shè)定值，不用檢測(cè)裝置采樣張力的實(shí)際值進(jìn)行負(fù)反饋構(gòu)成張力閉環(huán)，而是通過(guò)對(duì)開(kāi)卷、卷取機(jī)

7、的電流控制來(lái)間接對(duì)張力進(jìn)行恒定控制。正常軋制工作過(guò)程張力工作原理如圖1所示，軋機(jī)軋輥傳動(dòng)處于正常的速度環(huán)控制，左（右）卷取機(jī)在速度調(diào)節(jié)器前加入正（負(fù)）飽和輸入，使速度調(diào)節(jié)器進(jìn)入飽和狀態(tài)，這樣卷取的力矩輸出完全取決于限幅值的變化，只要按照一定的數(shù)學(xué)模型對(duì)速度調(diào)節(jié)器輸出的力矩限幅進(jìn)行控制，就可以達(dá)到對(duì)張力控制的目的。如上圖所示，生產(chǎn)方向向左，上下軋輥拉動(dòng)帶鋼運(yùn)動(dòng)，由于左卷取機(jī)與軋輥之間存在正飽和給定的速差，右卷機(jī)機(jī)與軋輥之間存在負(fù)飽和給定的速差，從而使左、右卷取機(jī)與軋輥之間的帶鋼形成張力t，張力力矩為，在軋機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)帶鋼張力應(yīng)保持恒定。由電機(jī)學(xué)可知，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式為 （1）式中，為電動(dòng)機(jī)的

8、轉(zhuǎn)矩常數(shù)；為電動(dòng)機(jī)的磁通；i為電動(dòng)機(jī)的電樞電流。帶鋼所需張力力矩的公式為： （2）式中，t為帶鋼張力；d為鋼卷卷徑（直徑）；i為機(jī)械傳動(dòng)比；為機(jī)械效率。在系統(tǒng)正常開(kāi)卷的過(guò)程中，帶鋼運(yùn)行的線速度保持恒定，如果忽略數(shù)量不大的空載轉(zhuǎn)矩和摩擦轉(zhuǎn)矩，則電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩應(yīng)與帶鋼張力力矩始終保持相等，即=。于是可得帶鋼張力： （3）式中，k值為常數(shù)。由上（3）式可知，只要根據(jù)系統(tǒng)磁通和直徑d的值來(lái)控制電動(dòng)機(jī)電流i，確保i/d保持恒定，就可使帶鋼張力t保持恒定，3 .基于西門(mén)子t400工藝控制板的間接張力控制系統(tǒng) 武鋼海南公司軋機(jī)張力控制系統(tǒng)是以西門(mén)子6ra7025全數(shù)字可逆直流調(diào)速器為基礎(chǔ)，配以t400工藝

9、控制板及spc420標(biāo)準(zhǔn)卷取軟件包，構(gòu)成的全數(shù)字間接恒張力控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。其張力控制系統(tǒng)示意圖如圖2所示：圖2 開(kāi)卷機(jī)間接張力控制示意圖上圖所示，框圖虛線上方部分功能在t400控制板中實(shí)現(xiàn)，下方有陰影部分調(diào)節(jié)功能為6ra70傳動(dòng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)傳動(dòng)功能。在穩(wěn)態(tài)情況下，主控臺(tái)來(lái)的張力設(shè)定t，乘以張力系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益調(diào)節(jié)因數(shù)h200后，再乘以鋼卷的實(shí)際卷徑d，之后作為傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩限幅間接地控制傳動(dòng)的電流，從而達(dá)到控制帶鋼張力。根據(jù)電力拖動(dòng)和電機(jī)學(xué)原理，卷取機(jī)電機(jī)的總力矩： （4）其中，電機(jī)的總力矩；空轉(zhuǎn)力矩；為摩擦力矩；為張力力矩；為動(dòng)態(tài)力矩。在實(shí)際的軋鋼生產(chǎn)過(guò)程中，生產(chǎn)工人關(guān)注的是對(duì)帶鋼張力t的控制，

10、即系統(tǒng)設(shè)定張力后，實(shí)際加在帶鋼上的張力是精確的。如圖2所示，除張力t是從外部認(rèn)為給定，其它力矩均為物理補(bǔ)償量。其中空轉(zhuǎn)力矩和摩擦力矩可以通過(guò)6ra70調(diào)速器的優(yōu)化步驟較精確地得出，摩擦力矩補(bǔ)償與軋機(jī)的運(yùn)行速度有關(guān)，在t400的參數(shù)h230-h235中設(shè)定。在卷取機(jī)加速的過(guò)程中，由于電動(dòng)機(jī)的總力矩中需要加速分量，如果不能及時(shí)補(bǔ)充，則卷取機(jī)將由于力矩不夠維持與軋輥的速差，使帶鋼張力實(shí)際值t出現(xiàn)瞬間的擾動(dòng)，擾動(dòng)的大小與機(jī)組加速的加速率有關(guān)。因此在電動(dòng)機(jī)的力矩控制中，動(dòng)態(tài)力矩作為一種預(yù)控量，必須及時(shí)在張力設(shè)定通道給以補(bǔ)償（見(jiàn)上圖2），其過(guò)程量值的準(zhǔn)確性對(duì)于張力的控制精度非常重要。卷取機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)中的轉(zhuǎn)

11、動(dòng)慣量由電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、齒輪箱轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、轉(zhuǎn)筒芯軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和鋼卷轉(zhuǎn)動(dòng)慣量四部分組成，其中前三部分為固定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，其普通表達(dá)式為： （5）鋼卷為變動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量jv，其普通表達(dá)式為： （6）可逆式軋機(jī)在極薄帶鋼的軋制,不僅要求在穩(wěn)態(tài)軋制過(guò)程中,而且在加、減速的動(dòng)態(tài)過(guò)程中也應(yīng)保持張力t的恒定。對(duì)于卷取機(jī)張力控制性能來(lái)說(shuō)，其優(yōu)劣程度取決于對(duì)以下三個(gè)方面的調(diào)節(jié)能力：在主機(jī)加減速階段，也就是建張和升降速階段，如何控制卷取機(jī)使其跟隨主機(jī)速度的變化，克服（補(bǔ)償）加減速造成的動(dòng)態(tài)力矩對(duì)張力的影響；在主機(jī)穩(wěn)速階段，如何克服卷徑的變化帶來(lái)的張力波動(dòng)；如何解決由于卷徑及其它工藝參數(shù)的改變而造成系統(tǒng)參數(shù)改變的問(wèn)題。四 張力

12、控制系統(tǒng)中關(guān)鍵參數(shù)的調(diào)整根據(jù)上述間接張力控制的原理分析可知，解決好上述3個(gè)問(wèn)題，實(shí)質(zhì)就是如何解決好軋制生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)于生產(chǎn)速度的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償問(wèn)題和張力的靜態(tài)核準(zhǔn)問(wèn)題。如圖2所示，靜態(tài)張力的精確度與張力的標(biāo)稱(chēng)和卷徑計(jì)算有關(guān)，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償精度與卷取機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的標(biāo)稱(chēng)和加速率的采樣增益有關(guān)，因此上述相關(guān)參數(shù)均為張力控制系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，其精確與否對(duì)張力控制系統(tǒng)的精度起到關(guān)鍵的作用。1.卷徑計(jì)算系統(tǒng)功能的核準(zhǔn) 開(kāi)卷機(jī)間接張力控制示意圖如圖2所示： 在間接恒張力控制系統(tǒng)中，卷徑d是一個(gè)非常重要的參數(shù)，直接影響著對(duì)張力的控制。在開(kāi)卷的整個(gè)過(guò)程中卷徑一直在減小，所以需要在線實(shí)時(shí)地對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。根據(jù) （7）式中，為開(kāi)卷機(jī)轉(zhuǎn)

13、速取自電動(dòng)機(jī)測(cè)速編碼器；v為帶鋼運(yùn)行線速度，取自?shī)A送測(cè)速輥編碼器。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)夾送測(cè)速輥一旦運(yùn)轉(zhuǎn)，就有帶鋼線速度信號(hào)，開(kāi)卷機(jī)也隨著運(yùn)轉(zhuǎn)，有了轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，于是根據(jù)公式(7)，卷徑的實(shí)際值d就可以計(jì)算出來(lái)。 卷徑計(jì)算是根據(jù)原有卷徑和卷徑變化量做減法運(yùn)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行正確與否的判定，所以必須有一初始的卷徑設(shè)定值。需要指出的是，在卷徑計(jì)算環(huán)節(jié)中，初始的卷徑設(shè)定值的選定是關(guān)鍵，要求是作開(kāi)卷機(jī)的卷徑初始設(shè)定值要比實(shí)際值小，作為卷取機(jī)的卷徑初始設(shè)定值要比實(shí)際值大，這樣才不會(huì)造成卷徑計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)“跳變”現(xiàn)象，影響正常生產(chǎn)。一般情況下，開(kāi)卷機(jī)的卷徑初始值由系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)定為帶鋼的最大卷徑（d=1870

14、mm），卷取機(jī)的卷徑初始值由系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)定為帶鋼的最小卷徑（d=610mm）。卷徑復(fù)位開(kāi)關(guān)與張力切人開(kāi)關(guān)做成一體，開(kāi)卷機(jī)工作時(shí)，一旦有張力投人卷徑被自動(dòng)復(fù)位為最大值避免出現(xiàn)卷徑初始設(shè)定值小于實(shí)際卷徑的錯(cuò)誤，確保系統(tǒng)正常工作。2.動(dòng)態(tài)力矩補(bǔ)償環(huán)節(jié)精調(diào) 動(dòng)態(tài)力矩補(bǔ)償是在主機(jī)加減速階段，如何跟隨主機(jī)速度的變化，及時(shí)補(bǔ)償卷取機(jī)這部分力矩，使其克服（補(bǔ)償）加減速造成的動(dòng)態(tài)力矩對(duì)張力的影響。西門(mén)子t400工藝控制板內(nèi)含標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)力矩補(bǔ)償環(huán)節(jié)，如下圖3所示。對(duì)此環(huán)節(jié)的精調(diào)主要是對(duì)h220、h225、h227、h228四個(gè)參數(shù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)方式進(jìn)行精確的匹配。為了規(guī)范調(diào)試過(guò)程，避免現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中由于參數(shù)初始值偏差過(guò)大，造

15、成調(diào)試?yán)щy，應(yīng)分兩步進(jìn)行調(diào)試：圖3 t400中張力補(bǔ)償環(huán)節(jié)第一步：4.2.1相關(guān)物理量的標(biāo)幺參數(shù)預(yù)設(shè)置：（1）齒輪級(jí)別參數(shù)h127，即對(duì)應(yīng)600米/分檔,應(yīng)改為0.6,同時(shí)齒輪級(jí)別切換邏輯應(yīng)取反。（2）卷徑計(jì)算調(diào)整參數(shù)h210設(shè)定為1.0,標(biāo)“1”卷芯直徑參數(shù)h222：h222設(shè)定為0.326,如最終實(shí)際卷徑有偏差,可適當(dāng)調(diào)整h210參數(shù)。（3）速度設(shè)定的微分采樣時(shí)間h220設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)的5000毫秒。（4）變動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)h227可應(yīng)用西門(mén)子t400所給公式求出： （8） 設(shè)h227=0.372。 （5）變動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參h228： （9）（6）磨擦補(bǔ)償應(yīng)加入控制，不一定要很精細(xì)，但要確保整

16、條曲線應(yīng)是平滑，正常加0.3%的補(bǔ)償。第二步：現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的調(diào)試方法（1）確定固定部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的補(bǔ)償因數(shù)h228：用薄帶鋼，盡可能小的張力設(shè)定，繞在卷取機(jī)幾圈后（確保卷徑為610mm）加速、減速。觀察卷取機(jī)部分出口帶鋼，如卷取機(jī)加速出現(xiàn)“掉張力”，應(yīng)增大h228；如減速時(shí)出現(xiàn)“掉張力”，應(yīng)減小h228，直到滿意。（2）確定變動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的調(diào)整因子h227：用卷徑1600mm左右的正常薄帶鋼卷作為開(kāi)卷、設(shè)定5%的小張力，慢速啟動(dòng)確保卷徑計(jì)算正確的情況下，進(jìn)行大幅度的加、減速，通過(guò)觀察開(kāi)卷機(jī)部分入口帶鋼，如加速出現(xiàn)“掉張力”，應(yīng)減小h227；如減速時(shí)出現(xiàn)“掉張力”，應(yīng)增大h227，直到滿意。（3）左右卷取以上參數(shù)應(yīng)同時(shí)修改，保持兩臺(tái)卷取機(jī)參數(shù)匹配的一致性。五 結(jié)束語(yǔ)經(jīng)過(guò)三個(gè)多月的深入分析和探討，按照上述辦法進(jìn)行了幾個(gè)階段的反復(fù)調(diào)試，效果較好。軋機(jī)軋制成品道次出口厚度0.15mm時(shí)，張力控制建張比較穩(wěn)定，軋