熱鍍鋅機組退火爐張力控制優(yōu)化及應用

袁壽新

(甘肅鋼鐵職業(yè)技術(shù)學院 電氣工程系,甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

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熱鍍鋅機組退火爐張力控制優(yōu)化及應用

袁壽新

(甘肅鋼鐵職業(yè)技術(shù)學院 電氣工程系,甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

立式退火爐張力控制是鍍鋅生產(chǎn)的重點，不合適的退火爐張力控制可能導致諸多問題。根據(jù)實際工藝參數(shù)，對帶鋼在爐輥上的張力折彎損耗建模，并按照每一個爐輥實際張力損耗重新分配張力轉(zhuǎn)矩和速度設(shè)定值。通過優(yōu)化退火爐內(nèi)部張力控制，提高鍍鋅產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)穩(wěn)定性。

立式退火爐；張力閉環(huán)控制；負荷分配;張力折彎損耗；速度設(shè)定優(yōu)化

圖1 爐區(qū)設(shè)備布置圖

0 引 言

鍍鋅生產(chǎn)中，立式退火爐張力適合與穩(wěn)定是控制生產(chǎn)事故、提高產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。爐內(nèi)張力控制不合適，會導致帶鋼在爐內(nèi)跑偏、斷帶，產(chǎn)品力學性能不合格等一系列問題[1]。鍍鋅線退火爐區(qū)張力分段控制，各段間與段內(nèi)張力控制是鍍鋅退火爐張力控制的難點與重點[2]。本文針對各段張力閉環(huán)控制和段內(nèi)爐輥負荷分配問題，以緩冷段(SCF)為例進行了研究，提出了退火爐張力優(yōu)化策略，并在鍍鋅線進行了應用，取得了良好效果。

1 爐區(qū)設(shè)備組成與張力控制要求

某鍍鋅線采用新日鐵設(shè)計的立式退火爐[3]，退火爐共分為預熱爐(PHF)，輻射管加熱爐(RTF)，緩冷爐(SCF)和快冷爐(JCF)。帶鋼從3#張緊輥組處進入退火爐，依次進過預熱爐、輻射管加熱爐、緩冷爐、快冷爐后進入鋅鍋[4]。在退火爐26根爐輥中，快冷爐2#、3#、4#爐輥以及5#、6#熱張輥輥徑為900 mm，其余爐輥輥徑都為750 mm。同時為退火爐設(shè)置了4個張力計，每段出口配置板溫儀，設(shè)備布置如圖1所示。

鍍鋅線退火爐張力分區(qū)進行控制，區(qū)域劃分以熱張力計輥為界，從預熱爐1#爐輥到輻射管加熱爐11#爐輥屬于輻射管加熱段SCF張力區(qū)，從輻射管加熱爐12#爐輥到緩冷爐2#爐輥屬于緩冷段SCF張力區(qū)，從緩冷爐3#爐輥到快冷爐2#爐輥屬于快冷段JCF張力區(qū)。

爐內(nèi)張力控制對鍍鋅生產(chǎn)影響重大。帶鋼在700 ℃～800 ℃時抗拉強度很低，塑性很高，瞬時劇烈的張力波動會使帶鋼拉斷造成停產(chǎn)事故的發(fā)生。同時，爐內(nèi)張力過大會導致帶鋼在爐內(nèi)變窄加劇，以及薄板在高溫下打折現(xiàn)象。爐內(nèi)張力過小又不利于板型的控制[5]。設(shè)定合適的張力以及爐內(nèi)張力控制均勻穩(wěn)定對鍍鋅生產(chǎn)及其重要。

2 退火爐張力控制優(yōu)化

某鍍鋅機組上的爐輥電機采用直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)[6]。電機采用了速度轉(zhuǎn)矩雙環(huán)控制，電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩通過減速箱變化為爐輥的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，帶動帶鋼按照工藝要求的速度、張力運行[7]。

2.1 張力閉環(huán)控制ATR

為保證帶鋼張力的穩(wěn)定性和高精度，在電機的速度轉(zhuǎn)矩雙環(huán)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加了張力閉環(huán)控制[8]。張力計作為檢測帶鋼實際張力的檢測儀器，實時地將張力實際值反饋到控制系統(tǒng)中，與張力設(shè)定值進行比較。它們的差值信號輸入到張力調(diào)節(jié)器中。張力調(diào)節(jié)器的輸出與主速度設(shè)定值相加后傳送到變頻器控制電機轉(zhuǎn)速。爐區(qū)張力調(diào)節(jié)原理如圖2所示。

圖2 爐區(qū)張力調(diào)節(jié)示意圖

例如，對生產(chǎn)線上輻射管加熱段張力區(qū)，區(qū)域內(nèi)所有參與張力調(diào)整的爐輥提供的總張力值等于區(qū)域內(nèi)的張力設(shè)定值減去后一張力區(qū)域(即緩冷段SCF張力區(qū))的張力設(shè)定值。對于該張力區(qū)域的某一參與張力控制的爐輥，在按照算法進行張力分配后，把張力轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩值，輸送到變頻器控制電機轉(zhuǎn)矩電流。

張力調(diào)節(jié)器使用PI調(diào)節(jié)，輸入為張力偏差值ΔT，等于該區(qū)域的張力設(shè)定值與張力計輥檢測實際值之差。張力調(diào)整通過速度的改變來實現(xiàn),最終輸出為速度值，發(fā)送到變頻器控制電機運行速度，進而完成張力的調(diào)整。在PLC中的控制計算模型為：

式中VATR：張力調(diào)節(jié)器ATR輸出值;Kp：比例放大系數(shù);T：采樣周期;Ti：積分時間常數(shù)。

2.2 爐輥轉(zhuǎn)矩負荷分配優(yōu)化

立式退火爐區(qū)域張力控制與生產(chǎn)線上其它區(qū)域有很大不同，其它區(qū)域主要通過位于區(qū)域頭尾的張緊輥，而控制調(diào)整立式退火爐張力的爐輥則平均分布在區(qū)域內(nèi)，因而，爐輥的轉(zhuǎn)矩負荷分配對立式退火爐區(qū)域的張力控制尤顯重要。

影響爐輥張力負荷分配的主要因素有帶鋼折彎損耗，我們首先需要確定每一根爐輥在生產(chǎn)某規(guī)格、牌號帶鋼時的折彎損耗值[9]。

對于某段張力區(qū)域，可以通過設(shè)置在區(qū)域出口的張力計檢測得出實際值TAct。該區(qū)域張力影響因素有，其它區(qū)域通過帶鋼傳遞來的張力TStrip，區(qū)域內(nèi)帶鋼在每一根爐輥上的張力折彎損耗τi，每一根爐輥上的電機轉(zhuǎn)矩張力Ti。以緩冷段(SCF)為例，有如下公式：

TAct=TStrip+∑iTi-∑iτi

其中下標i代表區(qū)域內(nèi)爐輥編號。

生產(chǎn)實際過程中，對于具體某種規(guī)格、牌號的帶鋼，通過張力設(shè)定調(diào)整，使張力實際值TAct等于相鄰區(qū)域通過帶鋼傳遞來的張力TStrip，則公式可以簡化為：

∑iTi=∑iτi

在生產(chǎn)帶鋼規(guī)格、牌號相同，生產(chǎn)線張力穩(wěn)定的情況下，記錄在不同生產(chǎn)速度、退火爐帶鋼溫度下，區(qū)域內(nèi)每一根爐輥電機轉(zhuǎn)矩張力Ti值。對不同牌號的帶鋼分別進行數(shù)據(jù)收集，形成數(shù)據(jù)表。

圖3 緩冷段張力區(qū)設(shè)備及工藝參數(shù)圖

帶鋼折彎損耗影響因素有帶鋼寬度、厚度、強度，爐輥輥徑以及在爐輥上的包角。在帶鋼規(guī)格、牌號確定的前提下，影響因素就只有爐輥上的包角和受帶鋼溫度變化帶來的屈服強度變化了[10]。通過對退火爐內(nèi)帶鋼、爐輥的簡單觀察，就可發(fā)現(xiàn)只有90°和180°兩種包角，爐輥輥徑只有750 mm 和900 mm兩種。對于緩冷段(SCF)，只有750 mm輥徑一種。帶鋼溫度則可以通過位于每段出口的板溫儀測得實際值，輻射加熱段帶鋼溫度為TRTF，緩冷段帶鋼溫度為TSCF。以緩冷段張力區(qū)為例，如圖3所示。

對于緩冷段(SCF)，我們就可以建立如下帶鋼折彎損耗模型：

180°折彎

緩冷段帶鋼90°折彎的爐輥有2根，90°折彎的張力損耗約為180°時的三分之一。180°折彎的爐輥有4根,。帶入后，有如下公式：

進行線性化處理，進行回歸分析，得出模型的參數(shù)值。通過對不同牌號的帶鋼查表，并結(jié)合上述模型，就可得出每一根爐輥上的張力損耗值了。

在計算得知爐輥張力損耗值后，當需要控制退火爐某區(qū)域張力設(shè)定值為Tset時，爐輥張力轉(zhuǎn)矩采用平均分配方式，則某個爐輥的轉(zhuǎn)矩分配值為：

Ti=(Tset-TStrip)/n+τi

其中n為該區(qū)域內(nèi)爐輥總個數(shù)。

2.3 爐輥速度設(shè)定值優(yōu)化

立式退火爐區(qū)域與生產(chǎn)線上其它區(qū)域張力控制有一個明顯不同，該區(qū)域不同部位帶鋼溫度不同，由此帶來的帶鋼“熱脹冷縮”以及在張力作用下產(chǎn)生彈、塑性變化。在帶鋼穩(wěn)定運行與爐輥沒有相對滑動的條件下，這些帶鋼長度的變化都會表現(xiàn)在爐輥的轉(zhuǎn)速上。因此，在張力閉環(huán)控制(ATR)環(huán)節(jié)，必須考慮各爐輥與基準速度的差值ΔVi，不能簡單的相同處理。

采用平均分配方式，在加入ATR閉環(huán)控制后，某個爐輥的速度設(shè)定值為：

Vi=V+Vi+ΔVATR

其中ΔVi為在生產(chǎn)帶鋼牌號相同，生產(chǎn)線張力穩(wěn)定的情況下記錄下的爐輥速度實際值與生產(chǎn)線運行速度值之差，即:

ΔVi=Vi-V

以緩冷段SCF為例，生產(chǎn)某一牌號帶鋼時，當生產(chǎn)線速度、張力穩(wěn)定情況下，以爐輥RTF-11為基準速度。當RTF-11爐輥速度為84.40 m/min時，有如表1數(shù)據(jù)。

表1 爐輥設(shè)定速度優(yōu)化表

3 優(yōu)化效果

采用上述方法優(yōu)化前，緩冷段SCF張力波動情況如圖4所示,優(yōu)化后，緩冷段SCF張力波動情況如圖5所示。

圖4 優(yōu)化前緩冷段張力波動情況

圖5 優(yōu)化前緩冷段張力波動情況

經(jīng)過優(yōu)化，緩冷段SCF張力波動從4%左右下降到2%。此外，對于張力變化以及生產(chǎn)線速度變換時，張力控制適應性更好。

4 結(jié)束語

針對鍍鋅機組生產(chǎn)中立式退火爐張力控制的重點難點問題，本文根據(jù)生產(chǎn)實際，通過對帶鋼在爐輥上的張力損耗進行建模計算，優(yōu)化退火爐張力控制，提升了退火爐張力控制的穩(wěn)定性，解決了一些生產(chǎn)運行和質(zhì)量問題，對同類的鍍鋅線、連續(xù)退火線立式退火爐張力控制優(yōu)化具有借鑒意義。

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Optimization and Application of the Tension Control of Annealing Furnace in Hot-dip Galvanizing Unit

Yuan Shouxin

(Electrical Engineering Department ，Gansu Iron and Steel Vocational Technical College Jiayuguan Gansu 735100，China)

Tension control of vertical annealing furnace is the key point in galvanizing production, improper tension control of annealing furnace may lead to many problems. According to the actual process parameters a model of the bending tension loss for the strip steel on the furnace roller is built in order to redistribute tension torque and speed setting as per to actual tension loss of each furnace roller. By optimizing the tension control in the annealing furnace, product quality and production stability during galvanizing could be improved.

vertical type annealing furnace；closed-loop tension control；load distribution;Bending tension loss；optimization of speed setting

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.04.003

TG334.9

A

1000-3886(2016)04-0008-03

袁壽新(1966-)，女，甘肅嘉峪關(guān)人，1989年畢業(yè)于東北工學院(現(xiàn)東北大學)自動化儀表專業(yè)，學士學位，副教授，主要從事自動化儀表及控制方面的教學和研究。

定稿日期: 2016-06-13