連續(xù)酸洗機(jī)組張力輥組的設(shè)計(jì)與張力控制分析

莫 一

MO Yi

（武漢中冶易新科技有限公司，武漢 430415）

0 引言

為滿足連續(xù)酸洗的工藝要求，機(jī)組全線共設(shè)置6套張力輥組，實(shí)現(xiàn)對機(jī)組的張力分段控制；同時(shí)，穩(wěn)定機(jī)組張力，減小張力的波動(dòng)，保證酸洗質(zhì)量以及圓盤剪的切邊精度。張力輥工作原理為，帶鋼與張力輥形成一定的包角，通過帶鋼與輥面的摩擦，使張力輥的出口張力與入口張力按一定的規(guī)律變化來改變帶鋼的張力值，實(shí)現(xiàn)對機(jī)組的張力控制[1]。

1 機(jī)組設(shè)備組成及張力分布

酸洗機(jī)組設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力120萬t，帶鋼材質(zhì)CQ、DQ、HSS，帶材屈服極限350MPa～450MPa，帶鋼厚度2.0mm～4.5mm，寬度750mm～1250mm，鋼卷最大重量35t。入口段最大帶速500m/min，工藝段最大帶速180m/min，出口段最大帶速320m/min。其主要設(shè)備組成如圖1所示。

機(jī)組各段帶鋼張力是按張力表中該段的單位張力乘以帶鋼的截面面積設(shè)定的。根據(jù)連續(xù)酸洗工藝的要求，機(jī)組張力的設(shè)定如表1所示。

圖1 連續(xù)酸洗機(jī)組主要設(shè)備布置圖

2 張力輥參數(shù)設(shè)計(jì)

全線的張力分成若干個(gè)區(qū)段。而各段張力的分隔是由張力輥組實(shí)現(xiàn)的(如圖1所示)。張力輥組提供的張力值的大小由張力輥與帶鋼的包角大小及摩擦系數(shù)所確定的放大系數(shù)決定的。

2.1 張力輥直徑

張力輥直徑的選擇原則是以帶材在張力輥上不產(chǎn)生塑性彎曲變形為前提。計(jì)算公式[2]為：

表1 機(jī)組張力表

式中，D為張力輥直徑，mm；

hmax為帶材最大厚度，取值4.5mm；

E為帶材彈性模數(shù)，取值210GMPa；

σs為帶材屈服極限，取值450MPa。

由式(1)計(jì)算得，D＝2100mm。由于在選擇張力輥直徑時(shí)，通常允許帶材在輥?zhàn)由嫌泻苄〉乃苄詮澢冃?，按此?jì)算出來的張力輥直徑往往過大。張力輥直徑的大小取決于材質(zhì)和帶鋼厚度，應(yīng)根據(jù)綜合性能進(jìn)行選擇。隨帶材厚度不同，張力輥直徑的選擇范圍一般為500mm～1500mm，參考國內(nèi)外同類型機(jī)組，確定本機(jī)組張力輥直徑D＝1200mm。

2.2 張力放大系數(shù)

張力輥依靠輥面與帶材的摩擦傳遞張力，所傳遞的張力值與輥面摩擦系數(shù)及帶材與張力輥的包角有關(guān)。張力輥輥面采用聚氨酯材料，具有良好的耐磨性，與碳鋼的摩擦系數(shù)取 μ =0.2。由于帶材的彈性變形，實(shí)際包角小于理論包角，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)將所計(jì)算的理論包角乘以0.8～0.9的系數(shù)，通過確定每個(gè)輥?zhàn)拥膹埩Ψ糯笙禂?shù)。本機(jī)組實(shí)際包角為200o，計(jì)算出

2.3 張力輥組輥?zhàn)优渲?/h3>

張力輥組的輥數(shù)主要取決于帶材所需的張力值，本機(jī)組每個(gè)張力輥組采用S輥型式，各張力輥組的張力輥數(shù)量分剮為2輥、3輥、4輥等不同形式，滿足不同張力變化的要求。

2.4 張力輥轉(zhuǎn)矩

機(jī)組所有張力輥為恒力矩工作狀態(tài)，采用交流變頻傳動(dòng)，入、出口段張力輥選用6極電機(jī)，拉矯機(jī)前后張力輥選用8極電機(jī)傳動(dòng)，依據(jù)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速與輥?zhàn)庸ぷ鬓D(zhuǎn)速之比選取標(biāo)準(zhǔn)減速機(jī)。使得張力輥的轉(zhuǎn)矩滿足張力的要求。

本機(jī)組6套張力輥的傳動(dòng)參數(shù)如表2所示 。

3 張力的實(shí)現(xiàn)與控制分析

機(jī)組全線共設(shè)置6套張力輥組，實(shí)現(xiàn)對機(jī)組的張力分段控制（如圖1所示）。每套張力輥組在機(jī)組中的位置及功能如下：

No.1張力輥組布置在入口活套進(jìn)口側(cè)，用于提供入口活套系統(tǒng)正常運(yùn)行所需的前張力；

No.2張力輥組布置在破磷機(jī)進(jìn)口側(cè)，為破磷機(jī)提供入口張力；

No.3張力輥組布置在破磷機(jī)出口側(cè)，為破磷機(jī)提供出口張力；

No.4張力輥組布置在酸洗槽出口側(cè)，用于產(chǎn)生酸洗段正常運(yùn)行所需的前張力；

No.5張力輥組布置在出口活套出口側(cè)，用于提供出口活套系統(tǒng)正常運(yùn)行所需的后張力；

No.6張力輥組位于圓盤剪后，為圓盤剪提供前張力，為卷取機(jī)提供后張力。

3.1 張力輥傳動(dòng)與控制系統(tǒng)配置

張力輥采用全交流傳動(dòng)，采用全數(shù)字交流調(diào)速裝置作為傳動(dòng)控制裝置。

傳動(dòng)電機(jī)為國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)，電機(jī)外殼防護(hù)等級為IP44，絕緣等級為F級。電機(jī)為連續(xù)工作制，電機(jī)的額定工作電壓為三相AC380V，基頻50Hz，過載能力為150%。主傳動(dòng)電機(jī)配有同軸安裝的編碼器作為速度反饋用傳感器。

變頻調(diào)速系統(tǒng)選用西門子S120系列矢量控制變頻調(diào)速器，采用集中整流＋逆變器的直流母線工作方式，傳動(dòng)系統(tǒng)采用電阻制動(dòng)。交流變頻調(diào)速系統(tǒng)控制方案為集中整流/直流母線供電，單臺(tái)逆變器變頻調(diào)速的工作方式。

3.2 速度基準(zhǔn)的選擇

機(jī)組根據(jù)速度劃分為三段，即入口段、工藝段、出口段。從開卷機(jī)到入口活套的入口這一段為入口段，從入口活套的出口至出口活套的入口這一段為工藝段，從出口活套出口至卷取機(jī)這一段為出口段（如圖1所示）。由于各段的速度不同，這樣就要求每段有一個(gè)速度基準(zhǔn)。圖1中的No.1張力裝置作為入口段的速度基準(zhǔn)，No.3張力裝置作為工藝段的速度基準(zhǔn)，No.6張力裝置作為出口段的速度基準(zhǔn)。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，全線各段的速度一致，都以工藝段速度為基準(zhǔn)；只有在入口活套裝置和出口活套裝置充套/放套時(shí)，人口段和出口段的速度高于/低于工藝段的速度，實(shí)現(xiàn)快速充套/慢速放套。

表2 張力輥的傳動(dòng)參數(shù)

3.3 張力的實(shí)現(xiàn)過程與控制分析

正常工作時(shí)張力輥為力矩控制模式，各個(gè)張力輥均由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)輥?zhàn)拥膫鲃?dòng)力矩可以單獨(dú)調(diào)整。張力輥的速度同步以及前后張力輥的速差可通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。

在張力輥的入口或出口輥上加有壓輥，正常運(yùn)行時(shí)，壓輥打開，張力輥電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，電機(jī)的傳動(dòng)力矩與帶鋼運(yùn)動(dòng)方向相同，驅(qū)動(dòng)張力輥。穿帶、甩尾時(shí)，壓輥壓下，壓輥與帶鋼之間的摩擦力，使帶鋼保持一定的張力，此時(shí)，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，電機(jī)的傳動(dòng)力矩與帶鋼運(yùn)動(dòng)方向相反，由帶鋼張力拖動(dòng)張力輥傳動(dòng)。

根據(jù)設(shè)定的張力值和張力輥的直徑，計(jì)算出輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)矩（如表2所示），控制系統(tǒng)通過控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩符合設(shè)定的輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)矩，來實(shí)現(xiàn)設(shè)定的張力。

在機(jī)組運(yùn)行過程中，引起張力變化的因素很多，隨條件的變化需要隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，張力的控制是一個(gè)動(dòng)態(tài)的調(diào)整過程。加、減速均會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)力矩，引起張力的變化；另外，由于機(jī)械摩擦產(chǎn)生的摩擦力矩，也會(huì)引起張力的改變。因此，采用補(bǔ)償電流的方法來補(bǔ)償上述的張力損失，保證張力的恒定。

同時(shí)，在實(shí)際使用過程中由于設(shè)備自身及操作等方面的原因，張力輥組將會(huì)出現(xiàn)帶鋼打滑。為防止帶材在張力輥上的打滑，在調(diào)控張力時(shí)一定要努力確保各工段張力基本恒定[3,4]。

4 結(jié)束語

張力輥是連續(xù)酸洗機(jī)組的關(guān)鍵設(shè)備之一，通過對張力輥張力的實(shí)現(xiàn)過程與控制分析，能夠把握張力變化規(guī)律，從而能合理布置設(shè)備，更好地控制張力，使整個(gè)機(jī)組的張力得到優(yōu)化。這對于提高產(chǎn)品的質(zhì)量，降低整個(gè)機(jī)組的能耗有著十分重要的意義。

[1] 周國盈.帶鋼精整設(shè)備[M].北京∶機(jī)械工業(yè)出版社， 1982.

[2] 李寶.張力輥組設(shè)計(jì)計(jì)算[J].冶金設(shè)備,2009年,增刊.

[3] 李同慶,陳先霖.張力輥打滑與拉矯機(jī)延伸率損失[J].冶金設(shè)備,1996,4.

[4] 李同慶,陳先霖,王建國.張力輥打滑及拉矯機(jī)應(yīng)用的進(jìn)一步探討[J].冶金設(shè)備,1997,3.