連退斷帶預(yù)警模型研究

肖至勇 黃志鋼

(寶山鋼鐵股份有限公司 上海 201900)

1 前言

連續(xù)退火機(jī)組由于其生產(chǎn)工藝具有退火周期短、占地面積小、產(chǎn)品質(zhì)量均勻、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到我國冷軋帶鋼生產(chǎn)的各大鋼鐵企業(yè)。但因為連退機(jī)組中各卷帶鋼是被焊接后連接到一起進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)的，若操作不當(dāng)或其他機(jī)組原因，就會存在帶鋼撕裂甚至是斷帶的風(fēng)險，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致重大生產(chǎn)事故的發(fā)生。尤其是在連退機(jī)組入口段，由于帶鋼立式行程較長，各輥組電機(jī)力矩、速度狀態(tài)的改變，極有可能引起帶鋼內(nèi)部張力的不均勻分布以及帶鋼跑偏與帶鋼邊緣的刮蹭，從而進(jìn)一步引起斷帶事故的發(fā)生[1,2]。本文采用在t時刻與t+Δt時刻的功率與扭矩進(jìn)行比較求得電機(jī)在Δt時間內(nèi)的變化率，然后將每個輥?zhàn)釉趖時刻的功率與扭矩與理論狀態(tài)下的功率與扭矩進(jìn)行比較并求得變化率，最后將理論穩(wěn)定狀態(tài)下的電機(jī)功率與扭矩與該輥?zhàn)釉谂R界狀態(tài)下的功率與扭矩進(jìn)行比較，以此來對帶鋼運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)估，判斷其斷帶風(fēng)險的大小。

2 斷帶現(xiàn)象及機(jī)理分析

帶鋼在運(yùn)行過程中，由于某種原因而使帶鋼發(fā)生斷裂的現(xiàn)象稱為斷帶，斷帶原因有許多種，如壓輥同步不佳、來料邊裂異常、輥?zhàn)用撃z、焊接異常和來料跳寬等。如圖1所示為因焊接異常造成的帶鋼在電解段中間轉(zhuǎn)向輥處發(fā)生的斷帶現(xiàn)象。

圖1 因焊接異常造成的斷帶現(xiàn)象

(1)來料邊裂引起斷帶機(jī)理分析：帶鋼來料存在邊裂，在壓輥?zhàn)饔门c張力作用下，邊裂處極易出現(xiàn)斷帶。對于帶鋼受力而言，應(yīng)力垂直作用于邊裂面，邊裂沿張力方向張開，屬于開放型的裂紋擴(kuò)展方式，如圖2所示，此時在邊裂根部會存在應(yīng)力集中，當(dāng)集中應(yīng)力的大小大于應(yīng)力點(diǎn)所在的條元塑性強(qiáng)度極限時，其在邊裂跟部在應(yīng)力的作用下極易擴(kuò)大邊裂甚至發(fā)生連鎖反應(yīng)直接造成斷帶。

圖2 帶鋼邊裂示意圖

(2)帶鋼局部受力瓢曲引起斷帶機(jī)理分析：在運(yùn)行過程中，帶鋼與轉(zhuǎn)向輥之間存在摩擦力，帶鋼在橫向始終處于靜摩擦狀態(tài)，橫向摩擦力足以平衡橫向壓應(yīng)力時，帶鋼不會發(fā)生相對于爐輥的橫向滑動。但當(dāng)橫向壓應(yīng)力達(dá)到臨界值之后，該部位的帶鋼就有可能突然失穩(wěn)，從而發(fā)生瓢曲，嚴(yán)重的造成斷帶。如圖3所示。

圖3 活套內(nèi)折皺斷帶

(3)來料跳寬引起斷帶機(jī)理分析：來料跳寬指在連退過程中焊接前后卷帶鋼寬度不同，如前行帶鋼規(guī)格為0.184mm×728mm，后行帶鋼規(guī)格為0.19mm×814mm，跳寬86mm，且在焊接前沒有進(jìn)行挖邊處理。此種情況下挖邊已不具備條件(焊接后挖邊，需要在焊接前中央段作降速處理)，帶鋼在運(yùn)行通過壓輥時，焊接處的后行帶鋼容易發(fā)生折疊，并在張力作用下沿焊縫處撕裂造成斷帶。

3 斷帶預(yù)警模型的建立

由前述可知，帶鋼斷帶過程中都會涉及到張力變化，帶鋼內(nèi)部橫向張力分布不均導(dǎo)致扭矩發(fā)生波動，從而影響電機(jī)瞬時的功率波動，由此便可以通過電機(jī)扭矩和電機(jī)功率的變化來判斷帶鋼在運(yùn)行過程中是否有斷帶風(fēng)險。

如圖4所示為相鄰兩段的帶鋼在Δt時間內(nèi)經(jīng)過同一輥?zhàn)拥氖疽鈭D，圖5、圖6為Δt時間內(nèi)帶鋼橫向張力變化的示意圖。

t時刻第i段帶鋼的平均張力為：

(1)

式中:2m+1-帶鋼橫向劃分條數(shù)，個；

σij-t時刻第i段第j條帶鋼的張力值，MPa。

圖4 相鄰兩段的帶鋼在Δt時間內(nèi)經(jīng)過同一輥?zhàn)?/p>

圖5 t時刻第i段帶鋼的橫向張力分布

圖6 t+Δt時刻第i段帶鋼的橫向張力分布

t+Δt時刻第i段帶鋼的平均張力為：

(2)

則此段帶鋼在Δt時間內(nèi)的變化率K為：

(3)

而輥?zhàn)拥呐ぞ嘏c帶鋼雜張力的關(guān)系為：

(4)

式中:Rj-第i段第j個條元的回轉(zhuǎn)半徑，mm，與輥?zhàn)渝F度有關(guān)。

另外，各個輥組扭矩與電機(jī)功率的關(guān)系可由計算得出，則電機(jī)功率與扭矩的變化均可得出。由此，我們便得到了一組t時刻的各個輥組的電機(jī)功率與電機(jī)扭矩：

(5)

而在t+Δt時刻的各個輥組電機(jī)功率與電機(jī)扭矩為：

(6)

各個輥組的理論穩(wěn)態(tài)功率與扭矩為：

(7)

根據(jù)臨界的張力進(jìn)行電機(jī)的功率與扭矩計算，得到臨界的電機(jī)功率與電機(jī)扭矩:

(8)

由此可對帶鋼斷帶進(jìn)行預(yù)警計算。

在對斷帶發(fā)生可能性進(jìn)行預(yù)警時，分為如下部分進(jìn)行計算，第一部分是對每一個輥?zhàn)釉趖時刻與t+Δt時刻的功率與扭矩進(jìn)行比較求得電機(jī)在Δt時間內(nèi)的變化率；第二部分為對每個輥?zhàn)釉趖時刻的功率與扭矩與理論狀態(tài)下的功率與扭矩進(jìn)行比較并求得變化率；第三部分為將理論穩(wěn)定狀態(tài)下的電機(jī)功率與扭矩與該輥?zhàn)釉谂R界狀態(tài)下的功率與扭矩進(jìn)行比較。設(shè)為Δt時間內(nèi)的變化值，由此可以得到在t+Δt時刻，帶鋼需要同時滿足以下兩種狀態(tài)不會發(fā)生斷帶，當(dāng)不滿足其中一種狀態(tài)時則有斷帶發(fā)生的危險。

(9)

式中

(10)

具體的計算框圖如圖7所示

圖7 入口斷帶預(yù)警模型計算流程圖

根據(jù)各個缺陷導(dǎo)致的電機(jī)功率與電機(jī)扭矩波動，建立電機(jī)波動的界線，確定各個輥組合適的電機(jī)功率與電機(jī)扭矩的斜率波動上限，當(dāng)電機(jī)的功率參數(shù)和扭矩參數(shù)出現(xiàn)波動或者異常時，就可以依據(jù)計算的理論界線進(jìn)行判斷，來預(yù)估帶鋼在輥組運(yùn)行過程中發(fā)生斷帶可能性的大小，從而實(shí)現(xiàn)通過連退機(jī)組電機(jī)功率與扭矩的波動對入口段的斷帶事故的發(fā)生進(jìn)行預(yù)警的功能。

4 斷帶影響因素的研究

4.1 輥?zhàn)泳鹊恼{(diào)整

連退機(jī)組在入口段存在上部轉(zhuǎn)向輥和沉浸在堿液中的沉浸輥，由于上部轉(zhuǎn)向輥軸承座支架是固定的，在更換時軸承座并不需要進(jìn)行拆除，且形式為剖分式，輥?zhàn)拥陌惭b精度能夠較容易的保持機(jī)組安裝時的精度，以上部的轉(zhuǎn)型輥為基準(zhǔn)，對槽底的沉浸輥進(jìn)行精度調(diào)整[3]。此部分的調(diào)整分為兩個部分，一個是輥?zhàn)铀蕉鹊恼{(diào)整，一個是輥?zhàn)屿o態(tài)檢修調(diào)整。

輥?zhàn)铀蕉鹊恼{(diào)整需在沉浸輥完全進(jìn)入堿液以后，將傳動側(cè)和操作側(cè)軸承座支架就位，兩側(cè)的軸承座放到支架上，測量輥?zhàn)拥乃蕉日`差，根據(jù)誤差情況在兩側(cè)的軸承座與支架間墊調(diào)整墊片，直到輥?zhàn)铀骄冗_(dá)到要求精度。

輥?zhàn)铀蕉日{(diào)整好后，將兩側(cè)輥?zhàn)虞S承座的連接螺栓緊固好，清洗段帶鋼建張到設(shè)定工藝張力，建張完成后，將兩側(cè)輥?zhàn)虞S承座的連接螺栓松開，在帶鋼張力和沉沒輥?zhàn)灾氐淖饔孟?，沉沒輥將左右微旋轉(zhuǎn)自適應(yīng)，靜止后，將軸承座的連螺栓緊固好，再將軸承座左右側(cè)的止動螺釘緊固好，防止軸承座左右移動，至此，沉沒輥安裝定位完成。利用上部轉(zhuǎn)向輥來調(diào)整槽底沉沒輥，由于沉沒輥是自適應(yīng)就位的，與上部輥?zhàn)悠叫校浯怪倍群蜕喜枯佔(zhàn)泳纫粯?，帶鋼兩?cè)的張力將相等。

4.2 輥?zhàn)拥膭討B(tài)調(diào)整

利用輥?zhàn)印耙云破睂佔(zhàn)诱{(diào)整，是一種機(jī)組運(yùn)行時的動態(tài)調(diào)整。通過靜態(tài)調(diào)整，機(jī)組運(yùn)行一段時間后，由于轉(zhuǎn)向輥、沉沒輥不均勻磨損等方面的原因，又產(chǎn)生帶鋼跑偏，由于連退機(jī)組連續(xù)化生產(chǎn)的特殊性，是不能輕易停機(jī)調(diào)整的，只能采用這種“以偏制偏”的動態(tài)調(diào)整[4]。機(jī)械糾偏就是靠調(diào)整輥?zhàn)拥牟贾梦恢?，產(chǎn)生機(jī)械側(cè)向糾偏力，使帶鋼對中。生產(chǎn)過程中，帶鋼往傳動側(cè)跑偏，進(jìn)行現(xiàn)場動態(tài)調(diào)整輥?zhàn)?，通過調(diào)節(jié)軸承座左右的止動螺栓，傳動側(cè)軸承座向入口端調(diào)整，操作側(cè)軸承座向出口端調(diào)整，即往帶鋼前進(jìn)的方面看，順時針旋轉(zhuǎn)輥?zhàn)印?/p>

4.3 設(shè)定張力的調(diào)整

根據(jù)建張過程中設(shè)定軋制力偏大造成減薄的特點(diǎn)，為了既保證軋制力合適又能正常建立設(shè)定張力，同時又能避免帶鋼過度減薄，除適當(dāng)減小設(shè)定軋制力外，對建張控制進(jìn)行優(yōu)化：采用先到達(dá)較小的軋制力(為設(shè)定值的50%)，然后建立設(shè)定張力，當(dāng)張力建立后，再按設(shè)定軋制力進(jìn)行啟車[5]。優(yōu)化后控制建張順序為：最小張力→靜張力→建張軋制力→設(shè)定張力→設(shè)定軋制力。通過對軋制力設(shè)置修訂和建張控制優(yōu)化，啟車段帶鋼厚度減薄量變小，基本消除啟車斷帶。

4.4 擠干輥調(diào)整及竄動量控制

如果擠干輥兩端的壓力不均勻，帶鋼將向壓力小、開口度大的一端跑偏。因此，應(yīng)盡量使擠干輥兩端的壓下動作一致和壓力一致[6]。另外，擠干輥壓力過小，則擠干效果不好；壓力過大，則容易擠傷輥面，使襯膠脫落。為此，擠干輥壓力應(yīng)控制在0.2～0.3MPa。清洗段的刷輥等小輥?zhàn)釉谶\(yùn)行過程中，由于接手及軸承座的松動等問題，會發(fā)生垂直于機(jī)組中心線方向的竄動，對帶鋼造成橫移擾動，包角大的輥?zhàn)颖劝切〉妮佔(zhàn)訖M向竄動對跑偏影響大。因此，應(yīng)盡量控制其竄動量。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

某鋼鐵企業(yè)1420連退機(jī)組斷帶頻率為10次/年，由于斷帶停機(jī)每年會給機(jī)組帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失，為此，采用本文所述相關(guān)技術(shù)模型進(jìn)行模擬計算和對相關(guān)因素進(jìn)行精確檢查。通過帶入現(xiàn)場數(shù)據(jù)對帶鋼進(jìn)行模擬計算，提前預(yù)估帶鋼運(yùn)行過程中的斷帶風(fēng)險，從而做出合理的參數(shù)調(diào)整來使斷帶風(fēng)險降低到安全范圍內(nèi)。在機(jī)組檢修時對影響斷帶的因素進(jìn)行準(zhǔn)確檢查，確保不出現(xiàn)因機(jī)組設(shè)備問題和來料問題導(dǎo)致的斷帶停機(jī)。措施采取后機(jī)組斷帶發(fā)生率降低到4次/年，減少機(jī)組故障時間，給現(xiàn)場帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)論

(1)來料的質(zhì)量好壞對帶鋼運(yùn)行穩(wěn)定性有很大影響，檢查來料的邊裂狀況并記錄，對于不同寬度帶鋼及時進(jìn)行挖邊處理，并保證好焊機(jī)對帶鋼的焊接質(zhì)量，防止因帶鋼原因造成斷帶事故的發(fā)生；

(2)機(jī)組設(shè)備的輥?zhàn)泳?、張力設(shè)定、擠干輥的調(diào)整和竄動量都會影響帶鋼的運(yùn)行穩(wěn)定性，點(diǎn)檢時對其進(jìn)行全面檢查，確保各輥組的安裝精度和功能實(shí)現(xiàn)，降低斷帶風(fēng)險；

(3)采用輥組的電機(jī)力矩和功率結(jié)合帶鋼張力分布可以對現(xiàn)場帶鋼進(jìn)行斷帶風(fēng)險預(yù)估，進(jìn)而調(diào)整機(jī)組各項參數(shù)，使斷帶風(fēng)險降到最低。