不銹鋼立式光亮退火爐爐內(nèi)帶鋼張力控制分析

林 剛，程金山，左懷龍，喬愛(ài)民

（寧波寶新不銹鋼有限公司，浙江寧波 315807）

0 引言

不銹鋼立式全氫光亮退火爐是冷軋不銹鋼光亮板生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。由于不銹鋼鋼帶在爐子加熱段和冷卻段運(yùn)行過(guò)程中，全程無(wú)輥?zhàn)訉?duì)帶鋼進(jìn)行支撐，且爐內(nèi)帶鋼運(yùn)行通道相對(duì)狹窄，如張力不穩(wěn)或者過(guò)大、過(guò)小，極易引起表面與周?chē)O(shè)備接觸，導(dǎo)致帶鋼表面發(fā)生擦劃傷等質(zhì)量缺陷，甚至發(fā)生帶鋼跑偏斷帶等惡性事故。為此，爐內(nèi)帶鋼張力的控制極為關(guān)鍵。張力控制設(shè)備主要由彈跳輥（俗稱(chēng)跳舞輥）、氣缸、鋼構(gòu)以及保護(hù)限位等裝置構(gòu)成，其中彈跳輥起非常重要作用。以某冷軋不銹鋼廠1#光亮退火機(jī)組為背景解析張力控制機(jī)理。

1 設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

（1）彈跳輥主要技術(shù)參數(shù)。輥身材料鋁合金，輥身直徑840 mm，輥身長(zhǎng)度1700 mm，輥身重量358 kg，輥身覆膠NBR，shore（80±5）mm，厚度 15 mm，擺動(dòng)角度±15°，彈跳輥帶鋼包角 45°。

（2）氣缸主要技術(shù)參數(shù)。缸徑160 mm，桿徑40 mm，行程250 mm 壓力調(diào)節(jié)范圍（0～0.6）MPa,

氣缸活塞面積：大活塞面積S1=20 106.2 mm2；小活塞面積S2=1884.950 mm2。

2 爐內(nèi)帶鋼控制機(jī)理分析

2.1 張力控制原理

張力控制裝置主要由推拉氣缸，彈跳輥和支撐機(jī)座組成（圖1）。

不銹鋼帶退火過(guò)程中，不同規(guī)格的鋼帶需要不同的爐內(nèi)張力F，帶鋼的實(shí)際張力F與單位張力以及帶鋼寬度、厚度成正比，見(jiàn)式（1）。

式中f——帶鋼設(shè)定單位張力，N/mm2

W——帶鋼寬度，mm

T——帶鋼厚度，mm

機(jī)組在運(yùn)行狀態(tài)下，彈跳輥支撐臂擺角處于中間位置，支撐臂水平，即跳舞輥在帶鋼合張力，氣缸推（拉）力以及輥?zhàn)又亓Φ墓餐饔孟绿幱谄胶馕恢谩Ｓ捎谳佔(zhàn)又亓槎ㄖ?，不銹鋼帶的張力大小僅與氣缸壓力的大小有關(guān)。因此，依據(jù)帶鋼的規(guī)格（寬度、厚度、密度）改變氣缸的給定壓力可達(dá)到控制爐內(nèi)帶鋼張力的目的。氣缸的設(shè)定壓力和實(shí)際壓力通過(guò)比例氣動(dòng)閥（4～20）mA自動(dòng)閉環(huán)控制使得爐內(nèi)的張力保持恒定不變。為保障彈跳輥支撐臂始終在水平位置，在彈跳輥的軸線處裝設(shè)有彈跳輥位置補(bǔ)償電位計(jì)，其信號(hào)送入爐子入口帶鋼速度調(diào)節(jié)程序，當(dāng)支撐臂處于水平位置時(shí)，其值為50%，>50%時(shí)，降低爐子入口帶鋼速度，＜50%時(shí)，提高爐子入口速度，控制彈跳輥支撐臂保持在水平位置。為保護(hù)設(shè)備，彈跳輥裝備了2個(gè)極限位置限位開(kāi)關(guān)，低極限開(kāi)關(guān)用于檢測(cè)帶鋼斷帶，高極限開(kāi)關(guān)防止入口帶鋼速度控制出錯(cuò)時(shí)彈跳輥被帶鋼拉起，彈跳輥到達(dá)任何一個(gè)極限位位置，機(jī)組將停止運(yùn)行。

2.2 彈跳輥受力分析

圖1 張力控制設(shè)備原理

對(duì)于同一規(guī)格的帶鋼，其所需張力大小為定值。分析彈跳輥支撐臂水平時(shí)的受力情況。由圖1及彈跳輥、氣缸技術(shù)參數(shù)可知，彈跳輥所受重力G,氣缸推（拉）力及帶鋼和張力F合。

（1）彈跳輥重力G=3508 888 N,方向向下，力臂為900 mm；

（2）氣缸拉力（或推力）T,方向水平，力臂為400 mm；

（3）由彈跳輥包角45°以及張力F方向,計(jì)算可得帶鋼張力作用在彈跳輥的合力（圖2）。

由力矩平衡原理，可得式（2）。

根據(jù)式（2）可以求得不同規(guī)格鋼帶下，氣缸所需的拉（推）力T，當(dāng)T為正時(shí)，氣缸無(wú)桿腔充壓，即活塞S2受壓，表現(xiàn)為推力；當(dāng)T為負(fù)時(shí)，氣缸有桿腔充壓，即活塞S1受壓，表現(xiàn)為拉力；依據(jù)T的正負(fù)情況，結(jié)合氣缸活塞面積S1，S2面積，即可得出不同規(guī)格鋼帶下氣缸的設(shè)定壓力 P1和 P2。

圖2 帶鋼張力合力

3 控制軟件分析

該冷軋不銹鋼廠1#光亮退火機(jī)組控制系統(tǒng)為SIEMENS公司的S7-400PLC控制系統(tǒng)，爐體帶鋼張力控制相關(guān)軟件功能：

（1）讀彈跳輥比例閥 1 實(shí)際壓力（4～20）mA=（0～0.6）MPa。

（2）比例閥1超出范圍判定。比例閥1（-100～27 749）有效。

（3）讀彈跳輥比例閥 2 實(shí)際壓力（4～20）mA=（0～0.6）MPa。

（4）比例閥2超出范圍判定（-100～27 749）有效。

（5）彈跳輥負(fù)載計(jì)算 根據(jù)帶寬、厚度、密度計(jì)算帶鋼張力，并且（4～20）mA 輸出到氣缸比例調(diào)節(jié)閥1或2，算出實(shí)際帶鋼單位截面張力。

（6）根據(jù)帶鋼張力，彈跳輥比例閥1壓力設(shè)定輸出（0～0.6）MPa=（4～20）mA。

（7）根據(jù)帶鋼張力，彈跳輥比例閥2壓力設(shè)定輸出（0～0.6）MPa=（4～20）mA。

（8）判斷比例閥1壓力給定是否到達(dá)（誤差±0.035 MPa）。

（9）判斷比例閥2壓力給定是否到達(dá)（誤差±0.035 MPa）。

（10）彈跳輥到上限位置判定。

（11）彈跳輥到下限位置判定。聯(lián)合輻射冷卻段斷代進(jìn)行帶鋼斷帶判斷。

（12）斷帶時(shí)，入口密封控制柜指示燈-H28亮。

（13）彈跳輥位置給機(jī)組線控制系統(tǒng)用于爐前張力輥組的速度調(diào)節(jié)。

4 模擬仿真

4.1 模擬仿真的方法和目的

仿真環(huán)境為SIEMENS STEP7中“simulation”仿真測(cè)試功能，通過(guò)輸入不同規(guī)格的鋼帶數(shù)據(jù)，驗(yàn)證氣缸壓力給定是否在氣缸壓力范圍（0～0.6）MPa內(nèi)（機(jī)組生產(chǎn)帶鋼最大厚度2 mm,寬度1250 mm），同時(shí)，較直觀地得出鋼帶規(guī)格與氣缸有、無(wú)桿腔壓力P1，P2的關(guān)系。仿真界面見(jiàn)圖3。

圖3 模擬仿真界面

4.2 模擬仿真數(shù)據(jù)

（1）數(shù)據(jù)設(shè)定符號(hào)及范圍。DB41.DBD156帶鋼寬度范圍（650～1350）mm，DB41.DBD152帶鋼厚度范圍 （0.25 ～2）mm，DB41.DBD160帶鋼密度7.93kg/dm3，DB41.DBD148爐子段帶鋼張力設(shè)定（2.5～5）N/mm2。

（2）仿真帶鋼規(guī)格數(shù)據(jù)（表1）。

（3）模擬仿真結(jié)果（表2）。

表1 仿真帶鋼規(guī)格數(shù)據(jù)表

表2 模擬仿真結(jié)果

表（2）顯示,氣缸壓力給定范圍（0～0.45）MPa，在氣缸壓力范圍（0～0.6）MPa之內(nèi),隨著帶鋼寬度和厚度的增加，P1壓力給定越來(lái)越小，P2壓力給定越來(lái)越大。

5 日常維護(hù)要點(diǎn)

立式退火爐爐內(nèi)張力控制的主要部件為彈跳輥、氣缸、比例閥,通過(guò)日常維護(hù)和設(shè)備保養(yǎng)保障其狀態(tài)良好是關(guān)鍵。

（1）彈跳輥及支撐臂轉(zhuǎn)動(dòng)部位按周期進(jìn)行加油，保障潤(rùn)滑良好，不能出現(xiàn)因潤(rùn)滑不良導(dǎo)致的轉(zhuǎn)動(dòng)不靈、卡阻問(wèn)題。

（2）保障氣動(dòng)動(dòng)力源清潔、干燥，定期查看氣源壓力是否正常，比例閥、氣缸及連接部位要定期檢查是否存在泄漏。

（3）更換跳舞輥要做好輥重檢測(cè)，輥重發(fā)生變化，要修改相應(yīng)程序參數(shù)。

（4）限位開(kāi)關(guān)、比例閥插頭、電位器等電氣設(shè)備及線路要做好周期清掃緊固，比例閥做好周期性能測(cè)試。

6 結(jié)語(yǔ)

以某冷軋不銹鋼廠1#光亮退火機(jī)組為背景，分析不銹鋼立式光亮退火爐張力控制機(jī)理，解讀控制軟件，并通過(guò)模擬仿真直觀地得出鋼帶規(guī)格與氣缸設(shè)定壓力的關(guān)系。同時(shí)，結(jié)合多年工作經(jīng)驗(yàn)，介紹張力控制設(shè)備的日常維護(hù)要點(diǎn)。