重卷檢查機(jī)組中糾偏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

查德根

(上海寶菱冶金設(shè)備工程技術(shù)有限公司，201900)

重卷檢查機(jī)組是冷軋?zhí)幚砩a(chǎn)線系列機(jī)組中末端的生產(chǎn)機(jī)組，是對(duì)帶鋼進(jìn)行質(zhì)量檢查和質(zhì)量把關(guān)的關(guān)鍵機(jī)組之一。機(jī)組帶鋼在連續(xù)、重載、高速運(yùn)行過程中，由于帶鋼來料很長、來料缺陷、輥系設(shè)備制造、設(shè)備安裝誤差、電氣控制不良等因素，使帶鋼運(yùn)行過程中發(fā)生帶鋼中心偏離機(jī)組中心(帶鋼跑偏)現(xiàn)象。生產(chǎn)過程中的帶鋼跑偏會(huì)影響工藝處理設(shè)備(比如切邊剪)的使用，影響機(jī)組連續(xù)性，降低生產(chǎn)效率，跑偏嚴(yán)重時(shí)甚至可能會(huì)產(chǎn)生重大的碰撞事故，對(duì)設(shè)備、鋼帶和人員產(chǎn)生損害。帶鋼卷取時(shí)會(huì)導(dǎo)致邊部不齊，導(dǎo)致鋼卷塔形、嚴(yán)重錯(cuò)邊、邊部溢出等缺陷，導(dǎo)致鋼卷運(yùn)輸、儲(chǔ)存過程中不方便，造成帶鋼邊部損壞，影響產(chǎn)品合格率和成材率，無法滿足下游用戶的產(chǎn)品需求標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際生產(chǎn)中，最終用戶對(duì)于成品冷軋板帶，特別是高端板帶產(chǎn)品如汽車板、家電板、硅鋼板的板卷塔形、層間差等邊部質(zhì)量有很高的具體保證值要求。因此，重卷機(jī)組設(shè)計(jì)中，除了保證設(shè)備的制造、安裝精度，機(jī)組必須配置精度高、響應(yīng)快的自動(dòng)糾偏系統(tǒng)。本文在分析重卷檢查機(jī)組中帶鋼邊部跑偏原因的基礎(chǔ)上，結(jié)合重卷檢查機(jī)組的工藝布置和邊部對(duì)齊精度要求，提出機(jī)組糾偏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，確定糾偏裝置的主要參數(shù)設(shè)計(jì)思路。通過不斷實(shí)踐和設(shè)計(jì)改進(jìn)，產(chǎn)品邊部對(duì)齊精度不斷提高，滿足了生產(chǎn)要求。

1 機(jī)組帶鋼跑偏分析

1.1 機(jī)組布置與糾偏需求

重卷檢查機(jī)組基本功能包括切邊、檢查、重卷、分卷、涂油、取樣、打磨等。機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)包括：機(jī)組年產(chǎn)量、機(jī)組速度、來料鋼種及強(qiáng)度、帶鋼及鋼卷尺寸重量、涂油量等。圖1為重卷機(jī)組布置簡圖。其年產(chǎn)量約20萬t，帶鋼運(yùn)行最高速度250 mmin，帶鋼來料厚度0.45 mm～3.0 mm，寬度800 mm～1730 mm，帶鋼強(qiáng)度σymax=780 MPa，帶鋼最大總張力約70 kN，機(jī)組全長約32 m，按照工藝流程布置可劃分為入口段1、中間段2和出口段3三個(gè)單元。入口段設(shè)備1包括入口上卷設(shè)備、開卷機(jī)、入口轉(zhuǎn)向夾送輥、入口剪、焊機(jī)等設(shè)備。通過開卷機(jī)和入口轉(zhuǎn)向夾送輥可實(shí)現(xiàn)帶鋼的開卷及入口穿帶。帶頭在入口剪處切廢后，導(dǎo)入焊機(jī)，帶頭與上卷帶鋼帶尾焊接，實(shí)現(xiàn)機(jī)組連續(xù)運(yùn)行。入口段需糾正來料帶鋼的塔形、錯(cuò)層，帶頭帶尾異常等缺陷，保證正常運(yùn)行的初始對(duì)中精度。機(jī)組中間段2包括切邊剪和檢查段。切邊剪可根據(jù)下游用戶要求寬度和邊部質(zhì)量剪切帶鋼邊部。檢查段區(qū)域進(jìn)行帶鋼的表面質(zhì)量檢查，包括

1—入口段 2—中間段 3—出口段圖1 機(jī)組布置簡圖Figure 1 Units layout diagram

可采用在線雙面檢查、離線檢查和帶鋼打磨等。運(yùn)行過程中需保證帶鋼順利進(jìn)入切邊剪，保證兩邊剪切的最小寬度，不得出現(xiàn)單邊剪切導(dǎo)致帶鋼不能正常運(yùn)行的現(xiàn)象。中間段需保證帶鋼進(jìn)入圓盤剪的對(duì)中精度。機(jī)組出口段3包括涂油機(jī)、出口剪切及取樣裝置、卷取機(jī)以及離線出口輔助設(shè)備。作為成品卷生產(chǎn)機(jī)組，帶鋼卷取的邊部對(duì)齊精度非常重要，要求也非常高。在實(shí)際生產(chǎn)中，鋼卷的邊部對(duì)齊保證值甚至是層間差≤1 mm，整卷塔形≤3 mm。

1.2 帶鋼跑偏因素分析

帶鋼跑偏是指帶鋼運(yùn)行和卷取過程中帶鋼中心偏離機(jī)組樞軸線(機(jī)組理想中心線)。造成帶鋼跑偏的原因很多，包括來料、機(jī)組工藝布置、設(shè)備制造、裝配、長期不均勻磨損、電氣控制不良等。主要包括：

(1)帶鋼來料因素。來料帶鋼展開很長，運(yùn)行過程中容易跑偏。若帶鋼厚度1.0 mm，帶鋼完全展開長度超過2 km，展開后重卷容易跑偏。機(jī)組運(yùn)行速度越快，跑偏也越大。若直徑1 m的轉(zhuǎn)向輥中心線傾斜0.1°，當(dāng)運(yùn)行轉(zhuǎn)速為100 mmin，則1 min內(nèi)的橫向跑偏量約100 mm。來料本身的不規(guī)整，例如來料帶鋼寬度誤差、斷面不規(guī)則以及板形差等因素。帶鋼厚度斷面方向呈楔形，或斷面中心兩側(cè)不對(duì)稱、來料的鐮刀彎、單側(cè)的浪形都會(huì)使得高速運(yùn)行的帶鋼運(yùn)行或卷取時(shí)帶鋼跑偏。

(2)機(jī)組工藝布置因素。機(jī)組長度和機(jī)組工藝布置不合理產(chǎn)生的帶鋼跑偏，機(jī)組越長，帶鋼蕩下量越大，帶鋼越容易跑偏。機(jī)組中布置的工藝設(shè)備也會(huì)導(dǎo)致帶鋼跑偏，例如切邊剪切邊時(shí)兩邊載荷的不對(duì)稱，剖分剪中剖分后帶鋼在寬度方向上載荷不勻容易導(dǎo)致跑偏。涂油后帶鋼的表面摩擦系數(shù)降低，也會(huì)放大帶鋼的原有跑偏。

(3)機(jī)組設(shè)備的制造、裝配和磨損偏差。輥?zhàn)釉谥圃爝^程中留下的同軸度誤差、回轉(zhuǎn)誤差等導(dǎo)致輥?zhàn)踊剞D(zhuǎn)表面與機(jī)組中心線不垂直。輥?zhàn)影惭b時(shí)上下夾送輥不平行導(dǎo)致上下輥交叉夾送，夾送輥的帶鋼寬度方向壓力不勻，都會(huì)導(dǎo)致帶鋼跑偏。輥?zhàn)拥墓ぷ鱾?cè)和傳動(dòng)側(cè)水平度超差，機(jī)組輥系回轉(zhuǎn)中心安裝時(shí)偏向一個(gè)方向造成累計(jì)偏差。長期使用后設(shè)備及輥身的不均勻磨損造成輥?zhàn)踊剞D(zhuǎn)中心和機(jī)組中心的不垂直也會(huì)導(dǎo)致帶鋼運(yùn)行發(fā)生偏移。

(4)電氣控制系統(tǒng)原理或控制精度不良。機(jī)組電氣系統(tǒng)的控制模型、控制精度、糾偏響應(yīng)速度和頻率不合理，機(jī)組在加減速等過渡過程中張力控制不穩(wěn)，也會(huì)導(dǎo)致或加重帶鋼跑偏。

實(shí)際生產(chǎn)過程中帶鋼跑偏是以上各種因素的疊加結(jié)果。雖然理論上可通過使用特形輥如齒形輥、凹凸輥，配置側(cè)導(dǎo)輥等機(jī)械裝置進(jìn)行糾偏，但最直接有效的對(duì)策是在機(jī)組中布置糾偏系統(tǒng)，通過過程控制，將帶鋼跑偏控制在允許的范圍內(nèi)。

2 糾偏系統(tǒng)的控制原理

2.1 控制原理

重卷機(jī)組的糾偏包括入口開卷機(jī)糾偏、中間糾偏、出口卷取機(jī)糾偏等型式，采用機(jī)、電、液一體化的控制系統(tǒng)，由位置檢測(cè)元件、控制系統(tǒng)、執(zhí)行元件等組成(見圖2)。系統(tǒng)采用連續(xù)的閉環(huán)控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由光電或電感傳感器連續(xù)測(cè)量行進(jìn)帶鋼邊部的位置變化，CPC為雙邊位置檢測(cè)，EPC為單邊位置檢測(cè)。帶鋼運(yùn)行時(shí)，帶鋼的邊部位置偏差信號(hào)輸送到數(shù)據(jù)計(jì)算控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶鋼需要的糾偏量。電控系統(tǒng)的輸出值與液壓控制的電液伺服閥相連，進(jìn)行電液信號(hào)轉(zhuǎn)換。伺服閥驅(qū)動(dòng)糾偏缸驅(qū)動(dòng)機(jī)架(工作臺(tái))以計(jì)算設(shè)定的速度和頻率進(jìn)行左右移動(dòng)或擺動(dòng)，通過糾偏輥或卷筒帶動(dòng)帶鋼側(cè)向移動(dòng)，以調(diào)整跑偏帶鋼回到預(yù)定的位置，實(shí)現(xiàn)帶鋼自動(dòng)糾偏功能。機(jī)組也可能在機(jī)組中間段位置布置一套位置檢測(cè)傳感器(圖2中虛線部分)，將帶鋼位置偏差信號(hào)輸送到入口數(shù)據(jù)計(jì)算控制器，共用開卷機(jī)糾偏控制和執(zhí)行裝置，對(duì)入口糾偏的糾偏量進(jìn)行修正，即所謂的串級(jí)控制(Cascade)。

圖2 糾偏系統(tǒng)控制原理圖

1—開卷機(jī)及鋼卷 2—糾偏缸位置傳感器 3—糾偏缸 4—入口轉(zhuǎn)向輥 5—1#CPC位置檢測(cè)傳感器6—伺服閥 7—計(jì)算控制器 8—2#CPC位置檢測(cè)傳感器 9—切邊剪圖3 重卷機(jī)組的糾偏系統(tǒng)布置Figure 3 Rectifying system layout of rewinding unit

2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

糾偏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括糾偏量、糾偏角、糾偏間距、糾偏移動(dòng)速度、響應(yīng)頻率、糾偏缸及液壓源能力，還包括糾偏輥等的機(jī)械設(shè)計(jì)。

(1)糾偏量Δ與糾偏角θ

糾偏角是運(yùn)行中的帶鋼中心線偏離樞軸線(離線中心線)的角度，最大糾偏角以不得使帶鋼在糾偏過程中邊部帶鋼發(fā)生塑性變形為條件，一般設(shè)計(jì)時(shí)要求θmax≤5°。最大糾偏量Δ、糾偏擺動(dòng)中心點(diǎn)到糾偏輥外圓的間距L和糾偏角之間的關(guān)系為：

Δ=L·θmax

(1)

式中，Δ、L的單位為mm，θ的單位為(°)。

(2)糾偏間距B

糾偏間距B是指帶鋼糾偏輥中心到其下部轉(zhuǎn)向輥(圓盤剪)中心的間距。通常規(guī)定此間距為帶鋼寬度的3倍左右，間距太小會(huì)使帶鋼邊部糾偏時(shí)發(fā)生塑性變形，間距太大，糾偏效果差，結(jié)構(gòu)龐大。

(3)糾偏缸選擇

糾偏缸需要的驅(qū)動(dòng)力F(以開卷機(jī)糾偏為例)為：

F=(W1+W2+T)·μ

(2)

式中，W1為鋼卷重力，單位為N；W2為移動(dòng)設(shè)備重力，單位為N；T為帶鋼最大張力，單位為N；μ為滑動(dòng)摩擦系數(shù)。并據(jù)此選擇和計(jì)算糾偏缸及其他參數(shù)。

3 重卷機(jī)組中糾偏系統(tǒng)的應(yīng)用

圖3為某大型鋼廠重卷機(jī)組中糾偏系統(tǒng)的布置簡圖。機(jī)組沿帶鋼運(yùn)行方向，布置3套自動(dòng)糾偏系統(tǒng)。其中，在機(jī)組入口側(cè)布置一套糾偏系統(tǒng)，即開卷機(jī)自動(dòng)糾偏對(duì)中(1#CPC，Center Position Control)，提高來料帶鋼的初始對(duì)中精度；機(jī)組中間段布置1套糾偏裝置，即切邊剪前自動(dòng)糾偏對(duì)中(2#CPC)，保證帶鋼進(jìn)入切邊剪前的對(duì)中精度，保持切邊剪連續(xù)剪邊；出口段布置1套邊部糾偏裝置，即卷取機(jī)自動(dòng)糾偏對(duì)邊(EPC，Edge Position Control)，保證出口帶鋼邊部對(duì)齊精度。機(jī)組從入口到出口布置的3套糾偏裝置，糾偏精度逐漸提高，直至達(dá)到用戶交付標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 三輥糾偏裝置簡圖

3.1 開卷機(jī)自動(dòng)糾偏裝置(1#CPC)

開卷機(jī)自動(dòng)糾偏包括開卷機(jī)及鋼卷、糾偏缸及其位移傳感器，入口轉(zhuǎn)向輥、位置檢測(cè)傳感器，伺服閥以及控制器等(見圖3)。檢測(cè)帶鋼邊部位置的光電傳感器布置在入口轉(zhuǎn)向輥之后。系統(tǒng)將同時(shí)檢測(cè)帶鋼兩側(cè)邊位置數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算器，計(jì)算出帶鋼中心的實(shí)時(shí)偏移量，由控制器比較帶鋼實(shí)時(shí)中心和預(yù)設(shè)中心的差值X，通過液壓伺服閥驅(qū)動(dòng)安裝在開卷機(jī)底座上的糾偏液壓缸推拉滑動(dòng)底座，帶動(dòng)卷筒上的鋼卷，使帶鋼中心從來料方向上進(jìn)行糾正。由于開卷機(jī)和入口轉(zhuǎn)向輥通過連接梁剛性連接在一起，理論上卷筒的偏移位移與監(jiān)測(cè)到帶鋼偏移量比接近于1∶1，也就是說檢測(cè)到的偏移量δ即為糾偏液壓缸的行程輸入量ΔSt，為反向值。實(shí)際生產(chǎn)中，重卷機(jī)組來料鋼帶同一卷內(nèi)寬度允許變化值在0～10 mm，塔形高度≤30 mm。若開卷機(jī)糾偏量即液壓缸行程設(shè)計(jì)為±100 mm，就能夠滿足使用需要。

3.2 切邊剪入口自動(dòng)糾偏裝置(2#CPC)

機(jī)組帶鋼運(yùn)行過程中，要求帶鋼邊部順利進(jìn)入切邊剪切邊和保證帶鋼連續(xù)運(yùn)行。理論情況下，開卷機(jī)出口1#CPC檢測(cè)帶鋼位置，若偏離位置為X，則通過控制器計(jì)算，制定糾偏方案，通過開卷機(jī)執(zhí)行油缸，對(duì)準(zhǔn)帶鋼中心糾偏帶鋼，帶鋼運(yùn)行無需再糾偏。實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于帶鋼來料和設(shè)備誤差等因素，使得經(jīng)過糾偏的帶鋼運(yùn)行到切邊剪入口可能會(huì)再次發(fā)生跑偏，如同圖3中的跑偏。需再次對(duì)帶鋼進(jìn)行糾偏控制。切邊剪入口糾偏裝置有兩種形式，一種是僅布置探頭傳感器檢測(cè)帶鋼邊部位置，不獨(dú)立配置糾偏執(zhí)行機(jī)構(gòu)(串級(jí)控制型式)的控制裝置，另一種是采用1套完整的帶鋼位置檢測(cè)及糾偏執(zhí)行機(jī)構(gòu)的對(duì)中裝置。

在處理來料帶鋼品質(zhì)高，特別是邊部缺陷較小的帶鋼時(shí)，通常采用串級(jí)控制的CPC糾偏裝置(圖3)。系統(tǒng)2#CPC檢測(cè)出的偏移量信號(hào)傳送至放大運(yùn)算器，修正開卷機(jī)出口的偏離量，調(diào)整開卷機(jī)CPC執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶鋼糾偏中心，使其偏移理論中心線，以保證切邊剪入口帶鋼對(duì)中與機(jī)組中心對(duì)中精度。串級(jí)糾偏控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是減少1套糾偏執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使得機(jī)組布置緊湊，也減少了輥?zhàn)优c帶鋼接觸數(shù)量，降低帶鋼表面劃傷的概率。

另一種是采用1套獨(dú)立完整的帶鋼位置檢測(cè)及糾偏執(zhí)行機(jī)構(gòu)的對(duì)中裝置。通常采用三輥雙連桿式糾偏裝置(見圖4)。由位置傳感器檢測(cè)到帶鋼中心位置的偏移，通過控制器、伺服閥，驅(qū)動(dòng)糾偏液壓缸推拉擺動(dòng)，帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)和機(jī)架以帶動(dòng)糾偏輥“抓住”帶鋼反方向偏移，達(dá)到糾偏效果。相對(duì)于串級(jí)控制糾偏，該控制系統(tǒng)與開卷機(jī)糾偏控制相對(duì)獨(dú)立，糾偏比較靈活，效果較好，也可以有效地消除來料鐮刀彎等偏差。

3.3 卷取機(jī)自動(dòng)糾偏裝置(EPC)

卷取機(jī)自動(dòng)糾偏裝置與入口開卷機(jī)糾偏的基本原理和組成類似，但布置順序相反，位置檢測(cè)傳感器布置在出口轉(zhuǎn)向輥的入口側(cè)，僅需對(duì)帶鋼單邊位置進(jìn)行跟蹤、檢測(cè)和控制。帶鋼運(yùn)行時(shí)，傳感器連續(xù)地實(shí)時(shí)檢測(cè)帶鋼單邊的位置，經(jīng)過控制器、伺服閥、液壓缸、卷取機(jī)卷筒，實(shí)現(xiàn)卷取機(jī)自動(dòng)帶鋼糾偏對(duì)邊，達(dá)到精確對(duì)邊卷取的目的。

4 結(jié)束語

實(shí)際生產(chǎn)中，糾偏的響應(yīng)頻率、糾偏量與糾偏缸位移的比例系數(shù)等參數(shù)還可根據(jù)現(xiàn)場跑帶情況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，根據(jù)來料情況和精度要求等進(jìn)行調(diào)整。

采用該糾偏系統(tǒng)的重卷機(jī)組在寶鋼等國內(nèi)大型鋼廠的實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，糾偏效果非常理想，1#CPC對(duì)中精度可達(dá)到≤2 mm，2#CPC對(duì)中精度可達(dá)到≤1 mm，EPC對(duì)邊精度甚至可以達(dá)到≤0.5 mm。成品的邊部質(zhì)量和對(duì)齊精度完全滿足客戶要需求。