酸洗機(jī)組三輥張力裝置現(xiàn)場問題分析與計(jì)算

陳德來，張 康

酸洗是在常溫狀態(tài)下通過機(jī)械及化學(xué)方法將熱軋帶鋼氧化鐵皮清除掉的一種工藝手段，經(jīng)酸洗后的鋼板表面平滑、銀亮，整體外觀性能將有很大改善，可為下一步冷軋生產(chǎn)創(chuàng)造有利條件。本文所述項(xiàng)目是關(guān)于國內(nèi)某鋼鐵企業(yè)一條年產(chǎn)量約60萬噸的推拉式酸洗機(jī)組，其特點(diǎn)是設(shè)備簡單，生產(chǎn)及操作靈活，投資相對較少。該機(jī)組帶鋼原材料為厚2.0～4.0 mm、寬700～1250 mm的熱軋低碳鋼、超低碳鋼等鋼板，采用鹽酸紊流淺槽酸洗工藝，使帶鋼單卷工作，非連續(xù)地通過工藝段完成酸洗。

1 機(jī)組出口設(shè)備簡介

在該酸洗工藝機(jī)組出口段，帶鋼從活套坑出來后依次經(jīng)過的設(shè)備為活套坑擺動(dòng)臺(tái)→1#側(cè)導(dǎo)裝置→2#夾送輥→圓盤剪→三輥張力裝置→檢查臺(tái)→出口側(cè)導(dǎo)裝置→出口夾送輥→卷取機(jī)等。

該機(jī)組中三輥張力裝置的主要作用是提供帶鋼在卷取時(shí)所需的張力，它具有三個(gè)主動(dòng)張力輥，左右張力輥為固定輥，中間輥為活動(dòng)輥，各自分別由變頻電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，穿帶時(shí)中間輥抬起，當(dāng)帶頭經(jīng)出口導(dǎo)板進(jìn)入卷取機(jī)鉗口后，鉗口咬緊帶鋼并在卷筒上卷取2～3圈，此時(shí)三輥張力裝置的中間張力輥壓下，兩端壓輥打開，然后卷取機(jī)電機(jī)、2#夾送輥及三輥張力輥電機(jī)啟動(dòng)，輸出轉(zhuǎn)矩以保證帶鋼卷取所需張力，然后在此基礎(chǔ)上全線加速到正常工作速度。

2 現(xiàn)場問題的提出

由于推拉式酸洗機(jī)組活套坑內(nèi)帶鋼為自由狀態(tài)，當(dāng)帶鋼經(jīng)過出口活套擺動(dòng)臺(tái)時(shí)認(rèn)為其張力近似為0。另外出口夾送輥在帶鋼正常卷取時(shí)處于打開狀態(tài)，故整個(gè)出口段可為帶鋼卷取張力做貢獻(xiàn)的設(shè)備僅為2#夾送輥及三輥張力裝置（見表1）。

在機(jī)組調(diào)試過程中卷取機(jī)按照設(shè)計(jì)張力工作時(shí)，試車帶卷出現(xiàn)卷不緊現(xiàn)象，因此懷疑卷取張力不足。針對這種情況，調(diào)試人員將卷取機(jī)卷取張力設(shè)定為80 kN。但電氣人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)機(jī)組按張力輥電機(jī)基速運(yùn)行時(shí)，三輥張力裝置三臺(tái)傳動(dòng)電機(jī)電流全部達(dá)到峰值，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩也達(dá)到極限值；同時(shí)三輥張力裝置輥面與帶鋼之間發(fā)出摩擦聲音，即發(fā)生了帶鋼打滑現(xiàn)象。而當(dāng)將張力設(shè)定值降至約50 kN后，設(shè)備狀況恢復(fù)正常。針對這種情況，調(diào)試人員根據(jù)電機(jī)參數(shù)對2#夾送輥及三輥張力裝置進(jìn)行了測算分析，分析過程及結(jié)果如下（見表2）。

表1 酸洗機(jī)組卷取工藝參數(shù)

表2 傳動(dòng)電機(jī)參數(shù)表

電機(jī)輸出力矩公式為：

又有：

所以在基速下電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為：

張力輥輸出總張力為：

同理可推算出2#夾送輥輸出張力約為：

因此，張力輥在基速運(yùn)行時(shí)可提供最大帶鋼張力約為：T出=T張+T夾=60.1 kN＜80 kN

按照上述計(jì)算結(jié)果來看，整個(gè)出口段最大帶鋼張力水平低于卷取要求。這是因?yàn)槿亸埩ρb置入口處張力即2#夾送輥輸出張力貢獻(xiàn)較小，在卷取張力設(shè)定為80 kN后，為迎合卷取張力要求，張力輥電機(jī)必然大幅提高轉(zhuǎn)矩輸出值，但因電機(jī)能力有限，輸出轉(zhuǎn)矩即使達(dá)到極限值也無法滿足卷取張力為80 kN的要求，從而導(dǎo)致出現(xiàn)前文所述電機(jī)電流值及輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到峰值的現(xiàn)象。因此調(diào)試人員初步分析結(jié)論為：

（1）按卷取張力80 kN計(jì)算，則三輥張力裝置所選傳動(dòng)電機(jī)功率不足，從而導(dǎo)致其基速條件下輸出張力無法滿足卷取工藝要求。

（2）現(xiàn)場帶鋼發(fā)生打滑是由卷取張力使三輥張力裝置外部張力失衡造成的。

3 帶鋼打滑問題的驗(yàn)證分析

張力輥是帶鋼酸洗生產(chǎn)線上至為重要的設(shè)備，它不僅用于帶鋼輸送，更要為帶鋼卷取提供必要的張力。在卷取過程中，若帶鋼與張力輥接觸面發(fā)生滑動(dòng)，會(huì)造成帶鋼張力的短時(shí)波動(dòng)，甚至造成整個(gè)出口段系統(tǒng)處于周期性的劇烈顫動(dòng)之中而無法正常工作[1]。這將極大影響帶鋼卷取及帶鋼表面質(zhì)量，甚至損傷張力輥輥面。因此對帶鋼打滑問題進(jìn)行分析，具有重要意義。

為了便于分析，現(xiàn)以3#和4#張力輥所組成的S輥組為例進(jìn)行說明（見圖1）。設(shè)帶鋼進(jìn)入張力輥組后張力為Tin23，3#張力輥和4#張力輥間帶鋼張力為Tin34，出口張力即外部張力為Tin4out1,帶鋼在張力輥表面的包角為α，帶鋼與張力輥聚氨酯表層摩擦系數(shù)為μ。

圖1 S輥組運(yùn)行示意圖

由歐拉公式可知張力輥組正常傳動(dòng)的條件為[2]：

由式 (2)可知：若能將Tin34控制在此范圍內(nèi)，就可以保證3#、4#張力輥與帶鋼之間不會(huì)發(fā)生打滑現(xiàn)象。歐拉公式揭示了張力輥打滑規(guī)律，即打滑不僅與輥?zhàn)陨砟Σ料禂?shù)及帶鋼包角有關(guān)，還與其兩端帶鋼張力水平有關(guān)[3]。

對于同一卷帶鋼，可認(rèn)為其與輥面靜摩擦系數(shù)和包角基本不發(fā)生變化，則eαμ可按常值處理。故可見只要張力輥兩端帶鋼張力比值維持在一定范圍內(nèi)，就可認(rèn)定張力輥未發(fā)生打滑。因此，定義打滑系數(shù)為：

T1 和T2 分別表示張力輥兩端帶鋼張力，當(dāng)打滑系數(shù)Cf計(jì)算結(jié)果滿足邊界條件（，eα）μ范圍時(shí)，認(rèn)為該張力輥未發(fā)生打滑現(xiàn)象；否則則認(rèn)為外部張力的綜合作用超過了輥面摩擦力的最大平衡范圍，從而引發(fā)帶鋼打滑[2]。綜上也可以認(rèn)為，張力輥本身是一個(gè)張力放大器，可以將入口處張力放大，放大倍數(shù)即是打滑系數(shù)Cf，但其放大能力要同時(shí)受到轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩能力、帶鋼包角及摩擦系數(shù)的制約。

由三輥張力裝置工作時(shí)各個(gè)輥的帶鋼包角狀態(tài)可知，T1為三輥張力裝置入口段張力，即2#夾送輥出口段張力，T12和T23分別為1、2#張力輥輥間張力及2#、3#輥輥間張力，T3為張力輥出口段張力，即機(jī)組卷取張力（見圖2）。設(shè)1#輥包角α1，2#輥包角 α2，3#輥包角 α3，聚氨酯與帶鋼摩擦系數(shù)為μ，取約為0.3[3]，設(shè)定入口段張力始終小于出口段張力。

圖2 三輥張力裝置工作包角圖

由前文知三輥張力裝置入口段張力即2#夾送輥輸出張力T1=11.5 kN，而帶鋼打滑時(shí)三輥張力裝置出口段T3=80 kN，則有：

另有：μ=0.3 ，α=α1+α2+α3≈5.3 ，代入可得eαμ≈4.91

因此有：Cf＞ eαμ

當(dāng)T3=50 kN，則有：

由以上計(jì)算結(jié)果可知，在張力輥電機(jī)基速條件下，外部卷取張力設(shè)定為80 kN時(shí)帶鋼打滑系數(shù)超出輥面摩擦力最大平衡范圍，此時(shí)帶鋼就會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，而在同樣條件下卷取張力設(shè)定為50 kN時(shí)則滿足不打滑條件，設(shè)備能夠正常運(yùn)行，這充分說明帶鋼打滑是由于外部卷取張力過大，從而造成系統(tǒng)張力失衡所致，因此，消除張力失衡是防止帶鋼打滑的關(guān)鍵。

4 電機(jī)功率的推導(dǎo)判別

根據(jù)歐拉公式可知，若要張力輥能夠正常工作，其出入口張力之間一定需滿足某種特定條件。依據(jù)圖2所示參數(shù)，若各個(gè)張力輥都正常工作，則一定滿足歐拉公式，故有：

將式 (5)、 (6)、 (7)相乘可推出：

由式 (8)可推知若張力輥能夠正常工作，則三輥張力裝置入口段張力需滿足：

設(shè)三臺(tái)電機(jī)通過減速機(jī)正常工作產(chǎn)生的張力為TS，應(yīng)滿足：

設(shè)三臺(tái)電機(jī)通過減速機(jī)產(chǎn)生的最大張力能力為Tm，則其應(yīng)滿足：

將各參數(shù)代入式 (9)，可推出：

將各參數(shù)值代入式 (10)可推出電機(jī)正常工作的張力范圍：

結(jié)合式 (11)、 (12)、 (13)知當(dāng)卷取張力TS為50 kN時(shí)，

入口段張力值應(yīng)滿足：

電機(jī)最大及正常工作時(shí)張力分別應(yīng)滿足：

式 (13)為張力輥電機(jī)能夠正常工作的必要條件，即在三輥張力裝置入口段帶鋼張力為11.5 kN的情況下，電機(jī)正常工作時(shí)通過張力輥輸出的最大張力不能高于45 kN，否則張力輥將與帶鋼接觸面之間產(chǎn)生滑動(dòng)現(xiàn)象。由前文知傳動(dòng)電機(jī)通過張力輥輸出最大張力能力為48.6 kN，故在入口處張力為11.5 kN時(shí)三輥張力裝置所選電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩能力一定滿足式 (15)的使用條件。而此時(shí)入口張力值也滿足式 (14)，計(jì)算知三輥張力裝置在該工作狀況下所能輸出的最大張力約為：

因此，在卷取張力為50 kN時(shí)，設(shè)備可以正常運(yùn)行，這與現(xiàn)場的實(shí)際情況也是相吻合的。

結(jié)合式 (12)知當(dāng)卷取張力T3為80 kN時(shí)，夾送輥輸出張力T1應(yīng)滿足：

實(shí)際有：Tm=48.6 kN＜80-11.5=68.5 kN …… (19)

根據(jù)式 (18)確定T1后，可根據(jù)式 (11)確定三輥張力輥?zhàn)畲筝敵鰪埩?，從而可進(jìn)一步確定張力輥電機(jī)功率，結(jié)果如式 (19)。

由上知在不改變現(xiàn)有設(shè)備的前提下，如果要滿足卷取張力80 kN的工藝要求，就必須同時(shí)滿足如下兩個(gè)條件：

（1）增大入口段張力達(dá)到16.3 kN。

（2）三輥張力裝置所輸出總張力應(yīng)為68.5 kN。

由式 (18)、 (19)計(jì)算結(jié)果知，2#夾送輥及三輥張力輥?zhàn)畲筝敵鰪埩﹄m可以滿足卷取張力為50 kN時(shí)的條件，卻不能滿足卷取張力為80 kN的要求，因此，可以斷定，三輥張力裝置輸出張力達(dá)不到卷取張力要求的主要原因除了張力輥本身的電機(jī)功率不足之外，2#夾送輥傳動(dòng)電機(jī)功率不足也是導(dǎo)致這一現(xiàn)象的關(guān)鍵因素。

因此，如要達(dá)到卷取工藝80 kN要求，相關(guān)措施就是同時(shí)增加2#夾送輥與三輥張力裝置電機(jī)的功率；另外，在允許增大電機(jī)容量前提下，不改變?nèi)肟趶埩?，加大帶鋼與輥?zhàn)又g的包角，也可以提高出口張力；此外，如果允許降低機(jī)組速度，也可以通過降低電機(jī)基速以及增大減速機(jī)速比來實(shí)現(xiàn)張力提高。

5 現(xiàn)場問題處理

按照上述理論推導(dǎo)結(jié)果來看，按現(xiàn)有設(shè)備性能提高機(jī)組卷取張力不易實(shí)施，但同時(shí)也無法確認(rèn)帶鋼卷不緊現(xiàn)象一定是由于機(jī)組卷取設(shè)計(jì)張力值過小而造成的，因?yàn)闄C(jī)組的相關(guān)工藝參數(shù)已經(jīng)具有應(yīng)用先例，較為成熟。針對這種情況，調(diào)試人員再次仔細(xì)檢查試車帶卷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場所提供試車帶卷來料質(zhì)量較差，板形較為粗糙，因此懷疑帶鋼本身是否會(huì)成為影響卷取效果的另一個(gè)關(guān)鍵因素。為驗(yàn)證該想法，重新?lián)Q用帶鋼成品卷，按照卷取張力50 kN進(jìn)行卷?。ㄒ妶D3）。

圖3 機(jī)組成品卷卷取后效果圖

由圖3可看出，換用成品卷后，卷材無塔形，卷取效果良好，未出現(xiàn)帶材無法卷緊現(xiàn)象。由此可推斷，50 kN卷取設(shè)計(jì)張力值完全能夠滿足生產(chǎn)工藝要求。

6 結(jié)語

綜合上文所述，可知現(xiàn)場所發(fā)現(xiàn)問題的關(guān)鍵因素在于：

（1）三輥張力輥發(fā)生的打滑現(xiàn)象是由外部張力失衡所導(dǎo)致，張力滿足生產(chǎn)要求后，帶鋼打滑現(xiàn)象也將得到解決。

（2）酸洗機(jī)組三輥張力裝置達(dá)不到80 kN卷取張力要求的根本原因除在于三輥張力裝置本身傳動(dòng)電機(jī)的功率不足外，機(jī)組出口段2#夾送輥電機(jī)產(chǎn)生張力過小是另外一個(gè)影響因素，若僅提高三輥張力裝置本身的電機(jī)功率，仍將無法達(dá)到80 kN卷取工藝張力要求。

（3）機(jī)組試車卷未能正常卷取的主要原因并不在于卷取張力過小，而在于其板形較差，改善板形后即可正常生產(chǎn)。

[1]張京城.張力輥組打滑與設(shè)計(jì)原則分析 [J]，有色金屬加工，2003(6)，3(32)：23-26.

[2]Fusahito Yoshida,Masaki Urabe.Computer-aided process design for the tension leveling of metallic strips[J].Journal of Materials Processing Techno-logy,1999,89-90：218-223.

[3]王文廣.寬帶鋼拉伸彎曲矯直機(jī)工作機(jī)理及使用工藝研究 [M]，北京科技大學(xué)，2008.