熱卷箱卷取站功能精度提升

華長浩 陳高林

（上海梅山鋼鐵股份有限公司熱軋廠 江蘇南京210039）

1 前言

考察梅鋼熱軋廠1422產(chǎn)線熱卷箱的使用狀況，發(fā)現(xiàn)熱卷箱卷取站的卷型控制對產(chǎn)品的質(zhì)量的影響至關(guān)重要。卷型控制包括帶卷的塔形控制、卷眼控制、卷層的松緊控制、以及帶鋼上下表面的擦劃傷控制等方面。當(dāng)卷型控制發(fā)生異常時(shí)，就會(huì)造成開卷困難，甚至廢鋼；同時(shí)在一次成卷、二次成卷的過程中沖擊機(jī)械部件，造成設(shè)備故障；同時(shí)帶鋼上下表面也產(chǎn)生大量的擦劃傷，造成質(zhì)量問題。而這些均與熱卷箱卷取站的入口輥、偏轉(zhuǎn)輥、彎曲輥、成型輥、1A輥、1B輥等設(shè)備的位置關(guān)系、速度匹配、標(biāo)高的跟隨速差密切相關(guān)。因此有必要對熱卷箱卷取站的結(jié)構(gòu)與控制進(jìn)行研究，以便改善熱卷箱功能精度及提升生產(chǎn)穩(wěn)定性。

2 簡介

2.1 結(jié)構(gòu)與功能

熱卷箱卷取站由卷取牌坊、入口輥、偏轉(zhuǎn)輥、上下彎曲輥、成型輥、橫梁（上花架）、下花架、一工位、液壓控制組件、電氣控制組件等組成，具體見圖1。

圖1 熱卷箱卷取站機(jī)械結(jié)構(gòu)

根據(jù)原SMS的設(shè)計(jì)說明，入口輥、偏轉(zhuǎn)輥引導(dǎo)帶鋼進(jìn)入上下彎曲輥，并滯后10%的速差提供帶卷卷取張力，上下彎曲輥提供帶卷初始曲率與橫梁產(chǎn)生一次成卷，形成虛擬卷筒，上下彎曲輥－1A輥－成型輥產(chǎn)生二次成卷，形成卷眼，在余下的卷取過程中，一工位的1B輥隨著帶卷卷徑的增大而下降，最終完成帶鋼成卷。

2.2 精度提升瓶頸

梅鋼1422產(chǎn)線的熱卷箱為SMS公司2005年設(shè)計(jì)的第一代產(chǎn)品。其卷取站的核心功能是提供“無芯卷筒”及“無芯卷取技術(shù)”，但由于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)考慮的因素較少或較淺。在長達(dá)15年的使用過程中，尤其是熱軋產(chǎn)品迭代的情況下，卷取站產(chǎn)生大量的塔形卷、松卷，并伴隨著帶鋼表面的擦傷降級率、擦傷返修率的大幅升高、甚至廢鋼。因此，卷取站功能精度提升的關(guān)鍵就是以分析“異形卷”及帶鋼劃傷產(chǎn)生的原因，研究“無芯卷取技術(shù)”的相關(guān)設(shè)備，使相關(guān)設(shè)備的安裝精度、控制精度匹配目前的生產(chǎn)需求。

3 問題與處治方案

卷取站功能精度主要存在既相互關(guān)聯(lián)、又糾纏在一起兩大問題，即：帶卷的異形卷與帶鋼的表面劃傷，現(xiàn)綜合分析與處治如下：

3.1 原因分析

卷取站的帶卷形成分一次成卷、即帶鋼剛出彎曲輥，落在橫梁（上花架）上面，形成虛擬卷筒；二次成卷，即：帶鋼落在成型輥、1A輥上面，形成卷眼及無芯卷筒，在輥速差的作用下，形成后張力，完成卷取作業(yè)，見圖2。

圖2 卷眼的形成

在前期生產(chǎn)過程中，卷取站的異形卷較多，主要表現(xiàn)在二次成卷時(shí)，鋼卷圓度超過Φ100橢圓卷，塔高超過300mm的塔型卷，各層間隙超過2mm的松卷。

分析圖1、圖2，可以發(fā)現(xiàn)：卷型由一工位的1A輥、成型輥、彎曲輥等形成的無芯卷筒控制。其中，1A輥的位置隨著鋼卷外徑的增大而下降，故1A輥的高度與鋼卷外徑有跟隨的關(guān)系（注：因?yàn)?A輥、1B輥均放置在一工位的框架上，并由1B輥下面的升降油缸控制，故1A輥、1B輥、一工位的升降同步進(jìn)行）。

顯然，在無芯卷筒卷取帶鋼的時(shí)候，各輥組成的無芯卷筒的形位公差決定了帶卷內(nèi)孔的圓柱度，而當(dāng)無芯卷筒的形位公差超差時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生塔型卷形成的初始因素。當(dāng)1A輥、成型輥、彎曲輥歪斜，或者各輥不規(guī)則磨損就會(huì)加劇產(chǎn)生這些問題。

1A輥的對卷徑的跟隨差則是塔型卷產(chǎn)生的過程因素，即：當(dāng)一工位的跟隨差高于超過一定額度的時(shí)候，1B輥代替1A輥形成無芯卷筒，就會(huì)產(chǎn)生橢圓卷，沖擊設(shè)備；當(dāng)跟隨差低于一定額度的時(shí)候，成型輥就會(huì)失去功能，帶卷浮動(dòng)跑偏，造成松卷、塔型卷。1A輥的高度控制顯然與電氣程序內(nèi)的卷徑計(jì)算與控制相關(guān)。

在無芯卷筒卷取帶鋼的時(shí)候，各輥的速度匹配至關(guān)重要。理論上各輥的輥速應(yīng)該相同，但后輥的速度大于前輥一定的比例，能夠形成后張力，有利于卷層的緊湊。原設(shè)計(jì)給定的一工位輥速超過彎曲輥輥速的10%，彎曲輥輥速超過入口輥速的10%。但此10%的輥速提前量常常產(chǎn)生塔型卷與帶鋼表面劃傷，在降低輥速提前量時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生松卷，或帶卷撞擊一工位的異常事故，需要尋找合適的輥速匹配。

無芯卷筒的彎曲輥由上二下一，共計(jì)三根組成，其功能是送卷，提供鋼卷初始曲率。初始曲率的大小，影響了鋼卷的初始的內(nèi)徑，而當(dāng)兩側(cè)輥縫不相同時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生卷芯大小頭，造成塔型卷。而上下彎曲輥的輥速匹配，與上下彎曲輥的offset值密切相關(guān)，不僅影響卷眼的內(nèi)徑，還會(huì)引起帶鋼表面的擦劃傷。

3.2 控制方法

根據(jù)上文分析及相關(guān)文獻(xiàn)［1］的闡述，可以發(fā)現(xiàn)無芯卷筒的圓柱度控制、1A輥的高度控制、輥速匹配控制、上下彎曲輥輥縫控制可以最大程度的提高卷型質(zhì)量。故就此四個(gè)方面采取管控措施。

3.2.1 無芯卷筒圓柱度控制

無芯卷筒由成型輥、1A輥、彎曲輥組成，其圓柱度也由三者的平行度決定。實(shí)踐表明，當(dāng)無芯卷筒圓柱度劣于Φ4mm時(shí)，鋼卷塔形就會(huì)超過50mm的標(biāo)準(zhǔn)要求。上彎曲輥的位置相對固定，現(xiàn)場嚴(yán)格控制其水平度在0.5mm／全長。

成型輥由同步“搖臂－擺臂”控制，且輥身為花輥，磨損周期較長。初始控制的水平度為0.5mm／全長。此時(shí)，當(dāng)1A輥水平度達(dá)3.0mm／全長時(shí)，鋼卷就會(huì)出現(xiàn)超過50mm的塔形。

成型輥在上線使用1.5年后，其位置度為Φ2mm，磨損約為Φ1mm，且不確定傾斜的方向。此時(shí)，當(dāng)1A輥水平度達(dá)2mm時(shí)，鋼卷就會(huì)出現(xiàn)超過50mm的塔形；當(dāng)1A輥水平度達(dá)3mm／全長時(shí)，鋼卷就會(huì)出現(xiàn)超過80mm的塔形。

綜合考慮，無芯卷筒圓柱度必須控制在Φ4mm以內(nèi)。其經(jīng)濟(jì)分配如下：①上彎曲輥水平度嚴(yán)格控制在0.5mm／全長。②確保成型輥位置度小于Φ2mm，磨損小于Φ1mm、且水平度2mm／全長，③1A輥水平度控制在1.5mm／全長，此時(shí)1A輥輥身的容忍磨損可達(dá)Φ5mm。

3.2.2 1A輥高度控制

1A輥高度包含兩個(gè)方面，即1A輥的初始高度、1A輥對卷徑的跟隨差額。

1A輥對卷徑的跟隨差額不僅對卷形自身有影響，還影響到帶卷對設(shè)備的沖擊。在彎曲輥、成型輥、1A輥水平度均為0.5mm／全長的條件下，在初卷帶鋼的時(shí)候，當(dāng)1A輥超高10mm時(shí)，無芯卷筒上移5mm，且現(xiàn)場有沖擊的聲音，當(dāng)1A輥超低10mm時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生廢鋼。這個(gè)初始位置，對卷取過程的跟隨差額有遺傳現(xiàn)象。故控制1A輥即一工位的初始位置至關(guān)重要。為此對1A輥的高度與帶鋼的一次成卷質(zhì)量、二次成卷質(zhì)量、最終卷型質(zhì)量等相互的關(guān)系進(jìn)行測試，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

顯然，1A輥的初始標(biāo)高與一次成卷困難沒有關(guān)聯(lián)，但標(biāo)高在±3mm的范圍內(nèi)，卷型良好，且?guī)т搶υO(shè)備沖擊最小。

在1A輥的初始標(biāo)高控制在±3mm的前提下，對1A輥高度與卷徑的跟隨差進(jìn)行測試。測試發(fā)現(xiàn)：當(dāng)兩者跟隨差在±0.5%時(shí)，卷型就會(huì)發(fā)生異常。為此對控制程序進(jìn)行優(yōu)化，確保1A輥高度與卷徑的跟隨差在±0.5%以內(nèi)。

綜合考慮，1A輥高度的控制要點(diǎn)如下：①控制1A輥的初始標(biāo)高差±3mm，②控制程序確保1A輥高度與卷徑跟隨差小于0.5%，③1A輥水平度新品要求0.5mm／全長，極限要求1.5mm／全長。

3.2.3 輥速匹配控制

輥速匹配包括“上彎曲輥－入口輥輥速匹配”、“1A輥與上彎曲輥輥速匹配”、“上彎曲輥－下彎曲輥輥速匹配”相互關(guān)聯(lián)、又獨(dú)立的三個(gè)方面，同時(shí)極易磨損的1A輥輥徑變化，對輥速匹配也有較大的影響。這四個(gè)方面，現(xiàn)場進(jìn)行分別測試。其中，彎曲輥－入口輥輥速匹配的結(jié)果如表2。

表2 彎曲輥速對入口輥速的提前量與帶卷質(zhì)量關(guān)系

顯然，“彎曲輥－入口輥”輥速匹配與“一次成卷沖擊上花架”沒有關(guān)聯(lián)，與帶卷質(zhì)量僅限于擦痕，顯然彎曲輥只要比入口輥有3%提前量即可。

“1A輥－彎曲輥輥速匹配”的試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 1A輥速對彎曲輥速提前量與帶卷質(zhì)量、1A輥徑磨損關(guān)系

顯然，1A輥對彎曲輥的輥速提前量，不應(yīng)小于3%，但不能大于5%。否則輥面磨損加劇，或有異常松卷。

“1A輥（設(shè)計(jì)直徑Φ400）的磨損－1A輥對彎曲輥的輥速提前量”與帶卷表面質(zhì)量及卷型也密切相關(guān)，通過在線測試，在1A輥速對彎曲輥速提前量分別為3%、5%、10%三種情況下，進(jìn)行1A輥磨損檢測。結(jié)果見表4。

表4 1A輥面輥徑與帶卷質(zhì)量關(guān)系

表4表明，當(dāng)1A輥磨損達(dá)Φ7mm時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生無法校正的異形卷、且?guī)Ь肀砻嬗忻黠@擦劃傷。這是由于1A輥磨損的增加，會(huì)導(dǎo)致彎曲輥與1A輥母線平行度有偏差，進(jìn)而使“無芯卷筒”的圓柱度超標(biāo)。同時(shí)，不規(guī)則的輥面磨損，也會(huì)增加擦劃傷的幾率與嚴(yán)重程度。故在1A輥輥速提前量為（3～5）%情況下，規(guī)定1A輥面最大磨損量小于Φ5mm。

綜合考慮，輥速匹配控制要點(diǎn)如下：①“彎曲輥－入口輥”輥速提前量10%，②1A輥對彎曲輥的輥速提前量（3～5）%，③控制1A輥面磨損量小于Φ5mm。

3.2.4 彎曲輥縫控制

彎曲輥縫控制包括彎曲輥水平度控制、輥縫標(biāo)定精度控制與輥縫offset值控制三個(gè)方面，同時(shí)也與上下彎曲輥輥速匹配密切相關(guān)，這四個(gè)方面決定了初始卷徑的大小、無芯卷筒的初始圓柱度，并關(guān)系到帶鋼表面的擦劃傷。

SMS的設(shè)計(jì)要求的彎曲輥的標(biāo)定精度見表5：

在表5中，上彎曲輥水平度的變化周期較長，使用兩年也不會(huì)有變化，而下彎曲輥的水平度與橫梁（下花架）的位置度度相關(guān)。橫梁位置度超過Φ2.0mm，下彎曲輥的水平度就可能超標(biāo)，故確認(rèn)橫梁位置超過Φ2.0mm時(shí)，即予以維修。

表5 彎曲單元輥縫精度

在彎曲輥水平度滿足要求的情況下，由于上下彎曲輥輥身不接觸，表5要求①檢測兩側(cè)的上下軸承座距離，②在輥縫為50mm的情況下，可以采用壓銅棒標(biāo)定。顯然上下軸承座距離檢測方案不能直接檢測上下彎曲輥的輥縫，且或略了輥徑不規(guī)則磨損的影響；輥縫的檢測誤差常常超過2mm；而壓銅棒標(biāo)定，對新彎曲輥完全可靠，對磨損的彎曲輥，誤差則由輥徑磨損的程度決定，且標(biāo)定時(shí)間長達(dá)2h。

通過研究，并參照相關(guān)文獻(xiàn)［2－3］，設(shè)計(jì)新的標(biāo)定方案，即①輥徑磨損由Φ5mm縮小為Φ3mm，以便降低輥徑磨損的影響，②通過特制的標(biāo)定模具（如圖3）進(jìn)行標(biāo)定，將輥縫的標(biāo)定精度提高到0.5mm，標(biāo)定時(shí)間縮小為0.5h。

圖3 輥系標(biāo)定圖

彎曲輥輥縫offset值，關(guān)系到帶鋼頭部的落點(diǎn)位置與初始卷徑的大小，經(jīng)過現(xiàn)場測試，其主要的影響關(guān)系見圖4。帶鋼頭部的落點(diǎn)位置位于上花架的下1／3，卷型最優(yōu)，此時(shí)offset數(shù)據(jù)見表6。

圖4 帶鋼落點(diǎn)與卷型關(guān)系圖

表6的offset予以固化，但需要根據(jù)彎曲輥的輥徑磨損進(jìn)行微調(diào)。

綜合考慮，彎曲輥縫控制要點(diǎn)如下：①嚴(yán)格執(zhí)行橫梁位置度Φ2mm，②采取特殊模具標(biāo)定彎曲輥輥縫，③對不同板厚采用不同的offset值，并現(xiàn)場微調(diào)。

上下彎曲輥形成了帶卷初始曲率，造成帶鋼內(nèi)外表面的速差，故上下彎曲輥輥速匹配關(guān)系到彎曲輥面與帶卷表面的打滑程度，即劃傷的幾率。現(xiàn)場的“上下彎曲輥速度匹配－帶鋼厚度－劃傷情況”試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表7。

表6 彎曲輥輥縫offset試驗(yàn)值（mm）

表7 上下彎曲輥速度匹配試驗(yàn)數(shù)據(jù)

綜合考慮，為了保證帶鋼表面質(zhì)量，確認(rèn)下彎曲輥輥速滯后上彎曲輥輥速1～2%。

3.2.5 卷型控制

在固化上述技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)卷型控制程序，主要包括卷眼形成的控制和成卷后速度的優(yōu)化兩個(gè)方面，同時(shí)將輥速的基準(zhǔn)統(tǒng)一為入口輥輥速。

卷眼形狀的控制：通過控制彎曲輥的輥縫H值，使帶鋼頭部與上花架接觸部位控制在其下1／3范圍內(nèi)。要點(diǎn)是通過固化各種板坯厚度的offset值，給定初步的帶鋼曲率，使帶鋼一次成卷位置位于上花架的下半部，通過輥縫微調(diào)，使帶卷一次成卷位置位于下1／6至1／3處。

成卷后速度的優(yōu)化主要包括上彎曲輥、下彎曲輥、1工位A輥、成型輥、及1B輥下降速度。通過綜合試驗(yàn)，成果如下：上彎速度超前入口輥的3%，下彎超前入口輥的1%，1A超前入口輥的6%，成型輥超前入口輥的6%。隨著鋼卷外徑增大，1A輥與之相對應(yīng)的自動(dòng)下降，1A輥與卷徑的跟隨速差控制在0.5%，確保了成卷過程中鋼卷與1B輥不接觸。其關(guān)系圖見圖5。

3.3 效果

通過上述的各種實(shí)驗(yàn)與卷型控制的技術(shù)程序的開發(fā)，將各種經(jīng)驗(yàn)值予以相對固化，并在生產(chǎn)過程中逐步優(yōu)化，使帶卷“異形卷”的發(fā)生率由19年的10%下降到目前0.5%，帶鋼的表面擦傷降級率由19年的0.17%下降為目前的0.034%；擦傷返修率由19年的0.9下降為目前0.04%。

圖5 卷型控制示意圖

4 結(jié)論

通過對SMS設(shè)計(jì)的熱卷箱卷取站的研究，實(shí)現(xiàn)了該品牌的一代產(chǎn)品的功能精度的提升，修正了原功能說明的各輥的速度匹配、1A輥的標(biāo)高跟隨、設(shè)備位置度偏差、彎曲輥縫標(biāo)定等技術(shù)參數(shù)，不僅滿足了目前的生產(chǎn)需求，提升帶鋼表面的質(zhì)量，也為熱卷箱的迭代更新提供參考。