棒線材連軋過程張力計算模型研究和運(yùn)用

袁浪，華望，張其斌，唐嘉

(方大特鋼科技股份有限公司，江西 南昌 330012)

0 引言

棒線材連軋生產(chǎn)線同根坯料在連軋過程中，各機(jī)架之間的張力不僅對本軋制道次之間的料型尺寸產(chǎn)生影響，同時會影響相鄰軋機(jī)之間的張力。由于粗中軋無活套區(qū)域難以實(shí)現(xiàn)無張力軋制，粗中軋張力的存在和波動最終引起成品尺寸通條差的穩(wěn)定性。

目前方大特鋼軋鋼廠各條生產(chǎn)線張力大小判斷方法主要是依靠觀察軋機(jī)電流趨勢圖，通過軋件在咬入下架軋機(jī)前后的電流變化來判斷機(jī)架之間的堆拉關(guān)系，此方法缺點(diǎn)是電流變化不明顯時則較難判斷。由于電流趨勢圖不能定量的反應(yīng)張力大小，并且交流異步變頻電機(jī)矢量控制電流包括激磁電流與轉(zhuǎn)矩電流，電流波動反映的不一定是轉(zhuǎn)矩電流，因此僅通過電流趨勢圖判斷堆拉關(guān)系難以精確。在生產(chǎn)一些對產(chǎn)品尺寸精度要求高，尤其是大軋制道次規(guī)格的產(chǎn)品時，目前的張力判斷方法較難滿足需求。

1 張力模型設(shè)計

1.1 微張力控制原理

根據(jù)張力自動調(diào)節(jié)理論:只要兩機(jī)架間的速度存在偏差，軋件上不同部位處的金屬有相對位移就會產(chǎn)生張應(yīng)力，其金屬軋件的張力會以指數(shù)曲線形式變化，且具有如下傳遞函數(shù)關(guān)系［1］:

式(1)中ΔF/A表示軋件單位上的張力增量;KT/(1+TTS)是一個慣性環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，其放大倍數(shù)是KT，時間常數(shù)是TT;ΔV為軋機(jī)速度增量。

由公式(1)可知，軋件上的張力變化是由軋件通過相鄰機(jī)架的金屬秒流量差引起的，微張力控制實(shí)質(zhì)上是通過對相臨兩工作機(jī)架間軋件的張力力矩進(jìn)行運(yùn)算，通過人工干預(yù)或者計算機(jī)自動校正上游機(jī)架的速度，改變金屬軋件的秒流量，實(shí)現(xiàn)微張力控制。

目前，棒線生產(chǎn)線較為經(jīng)濟(jì)的方式多是采用軋制力矩記憶方法，即系統(tǒng)通過檢測機(jī)架的電樞轉(zhuǎn)矩間接得到該值。當(dāng)本機(jī)架的軋機(jī)咬鋼而軋件尚未進(jìn)入下架軋機(jī)時，系統(tǒng)計算出的力矩值便是本軋機(jī)的自由軋制力矩。當(dāng)下架軋機(jī)咬鋼后，重新計算得到新的力矩，兩力矩之差是軋件上的張力力矩。系統(tǒng)根據(jù)該偏差值的正負(fù)和大小，手動調(diào)整或者自動給出相應(yīng)的速度修正來平衡軋機(jī)的速度，保證機(jī)架間的軋件張力被限制在一定范圍內(nèi)。

1.2 張力的計算方法

連軋中，電動機(jī)總力矩與軋件張力矩、軋制力矩和摩擦力矩之間的關(guān)系如下［2-3］:

式中MD為電動機(jī)力矩(N·m);Md為加減速力矩(N·m);Mr為折算到電機(jī)側(cè)的軋制力矩(N·m);Mf為折算到電機(jī)測的摩擦力矩(N·m);Mff為折算到電機(jī)側(cè)的前張力矩(N·m);MbT為折算到電機(jī)側(cè)的后張力矩(N·m)。

將(2)式改寫成:

式中:J為折算到電動機(jī)側(cè)的總轉(zhuǎn)動慣量(kg·m2);ω為電機(jī)角速度(rad/s);MR為軋制力矩(N·m);TF為前張力(N);TB為后張力(N);i為減速比，r為軋輥半徑(m)。

當(dāng)軋件在前后機(jī)架中連軋時，作用于兩機(jī)架間的軋件張力可用下式表示:

就第一機(jī)架而言，作用于軋件上的后張力TB=0，由(4)式，作用于該兩機(jī)架之間軋件上的張力TF便可用下式表示:

2 數(shù)據(jù)處理與程序設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)檢測與處理

為了消除干擾而獲得真實(shí)的數(shù)據(jù)測量，PLC程序設(shè)計采用了信號濾波功能，包括輸入信號的采樣、存儲、數(shù)據(jù)分析處理、濾波、信號輸出等環(huán)節(jié)，控制框圖如圖1所示。

1)采樣、存儲環(huán)節(jié):PLC接受現(xiàn)場總線PROFIBUS_DP傳送的電機(jī)力矩，首先進(jìn)行可控周期、可控數(shù)量的采樣，采樣值采取FIFO算法，高速實(shí)時數(shù)據(jù)傳送速率可保證在任何時段內(nèi)采集的數(shù)據(jù)都是最新的。

2)數(shù)據(jù)處理排序環(huán)節(jié):利用冒泡算法對采集的數(shù)據(jù)排序，從最小到最大，采取中間值作為此次采樣力矩的大小輸出。

3)數(shù)據(jù)處理均值環(huán)節(jié):去除最大值與最小值，對剩余的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行均值處理，最終結(jié)果作為軋制力矩的輸出。

圖1 數(shù)據(jù)處理控制圖

2.2 程序設(shè)計

西門子S7-400系列PLC具有較高的數(shù)值運(yùn)算能力，可以滿足軋制速度較慢的粗中軋的數(shù)值計算需要，數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)采用STL語言編輯［4-5］。按照前述的張力計算模型，在PLC程序中，使用STL語言將模型設(shè)計成一個模塊化的FB功能塊，以滿足多次調(diào)用的需要。通過調(diào)整功能塊參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)可變頻率采樣。

速度修正值既可通過觀察張力變化趨勢手動修正，也可通過PLC實(shí)現(xiàn)自動計算。PLC計算采用具有死區(qū)特性和極限特性的PID全量輸出控制算法。控制程序流程見圖2。

3 張力計算模型在工程中的驗證

3.1 張力計算模型與通條差的對應(yīng)關(guān)系

根據(jù)成品尺寸的波動規(guī)律與張力變化規(guī)律應(yīng)一致的原理:在成品軋機(jī)壓下量不變的情況下，成品軋機(jī)與前道次軋機(jī)之間的張力越大寬展越小，張力越小寬展越大［6］。為排除精軋區(qū)軋制道次的影響，選取中軋出成品并且對張力控制要求高的圓鋼Φ55規(guī)格來驗證。圖3為粗中軋區(qū)域機(jī)架頭部咬鋼的張力顯示圖。

從圖 3可以看出，除stand 4-5機(jī)架外，粗軋區(qū)域的堆拉關(guān)系調(diào)整得比較合適，處于微堆或者微拉狀態(tài)。而中軋部分軋件在尾部軋制時拉鋼明顯。

圖4所示為隨機(jī)抽取一根Φ55規(guī)格圓鋼，沿長度方向每隔0.5 m測量一次寬展方向尺寸，將每個寬展方向尺寸數(shù)據(jù)對應(yīng)的長度位置除于成品軋機(jī)的速度得到相應(yīng)的時間坐標(biāo)值。圖4中，軋件中部張力相對穩(wěn)定時寬展方向的公差尺寸在55.18 mm～55.24 mm間波動。軋件頭部的張力為負(fù)值，說明頭部處于偏堆狀態(tài)，頭部的寬展方向的尺寸相應(yīng)偏大達(dá)到55.5 mm至55.6 mm。軋件尾部張力值升高明顯說明尾部有拉鋼現(xiàn)象，尾部寬展方向尺寸在54.1 mm～54.86 mm，較軋件中部要小，成品尺寸變化規(guī)律與所用張力計算模型計算出的張力值變化相符。因此在實(shí)際運(yùn)用中完全可以通過頭部張力顯示與通條張力趨勢圖判斷成品通條的尺寸情況。

圖2 控制程序流程圖

3.2 通過計算模型實(shí)現(xiàn)量化張力大小

實(shí)際運(yùn)用中，可通過張力計算模型得出各個軋機(jī)之間張力值大小。表1所示為軋制道次少、對張力控制要求高的大規(guī)格圓鋼的張力值，基本都在1 MPa值2 MPa范圍內(nèi)。

圖3 粗中軋1-12機(jī)架張力顯示圖

圖4 張力與寬展方向尺寸對應(yīng)關(guān)系圖

4 結(jié)束語

由以上論述可知，通過張力計算模型能快速準(zhǔn)確的判斷各架次軋機(jī)之間的堆拉關(guān)系，較電流趨勢圖更為精確，并且可以定量的確定張力大小的特性。目前粗中軋各架次之間的張力能控制在1 MPa～2 MPa之間。通過張力控制能預(yù)報成品通條尺寸情況，得到更高質(zhì)量的產(chǎn)品，滿足生產(chǎn)需求。

［1］房世興，肖治維.高速線材軋機(jī)裝備技術(shù)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1996.

［2］丁修堃.軋制過程自動化［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2009.

［3］鄭申白.曾慶亮，李子林.軋制過程自動化［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2005.

［4］張春.西門子STEP 7編程語言與使用技巧［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［5］劉華波，張赟寧.基于SIMATIC S7的高級編程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

［6］齊克敏，丁樺.材料成型工藝［M］.北京:冶金工藝出版社，2006.