連退機組爐區(qū)張力控制的研究與應(yīng)用

常生財，呂慶秋，趙志堅

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司冷軋部，河北唐山 063200）

0 引言

連退爐區(qū)張力控制的穩(wěn)定性對機組的運行和產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要[1]，近年來，由于張力控制異常導(dǎo)致的帶鋼跑偏和瓢曲、爐輥速差劃傷、爐區(qū)堆鋼斷帶問題屢見不鮮，因此對連退爐區(qū)的張力控制模型進(jìn)行研究，通過系統(tǒng)優(yōu)化解決當(dāng)前爐區(qū)的張力控制問題，具有十分重要的意義[2]。對首鋼京唐1700 mm 連退機組爐區(qū)張力控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，并針對爐區(qū)張力的調(diào)節(jié)速度、爐溫變化導(dǎo)致的張力控制問題，對爐區(qū)張力控制進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，有效提高爐區(qū)張力的穩(wěn)定性，取得好的效果。

1 爐區(qū)張力控制原理

京唐冷軋1700 mm 連退機組爐區(qū)共有10 個張力分區(qū)，分別為：3 號張力輥、預(yù)熱段、加熱段、均熱段、緩冷段、快冷段、過時效1、過時效2、終冷段、水淬段。爐區(qū)整體采用基于速度的張力控制，其中3 號張力輥位于爐區(qū)入口，主要用于建立爐區(qū)入口張力，其余各段爐區(qū)張力均由爐輥建立。4 號張力輥位于爐區(qū)出口，是爐區(qū)主速度輥，其運行速度始終跟隨爐區(qū)線速度，不參與建張。爐區(qū)張力通過張力控制器產(chǎn)生的附加速度建立，爐區(qū)張力分區(qū)如圖1 所示，連退爐區(qū)的張力控制分區(qū)見表1。

圖1 爐區(qū)張力分區(qū)

爐區(qū)10 個張力分區(qū)的張力設(shè)定值由二級系統(tǒng)下發(fā)或者操作人員通過HMI 界面進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定張力的單位為N，為避免設(shè)定張力出現(xiàn)階躍性的跳變，系統(tǒng)中設(shè)置RFG 設(shè)定值斜坡功能，RFG 的上升斜坡與下降斜坡可以單獨進(jìn)行設(shè)置，調(diào)整單位為N/s。同時系統(tǒng)中還設(shè)置張力設(shè)定限幅功能，保證張力設(shè)定在可控范圍內(nèi)。

爐區(qū)張力實際值可通過張力計測量反饋，也可通過電機轉(zhuǎn)矩計算得出[3]。如表1 所示，連退爐區(qū)共設(shè)計10 個張力計，張力計均位于控制區(qū)域的出口。張力計TM3—TM11 分別對應(yīng)10 個張

表1 1700 連退爐區(qū)張力控制分區(qū)

式中，TQact為爐區(qū)電機的轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；TQloss為爐區(qū)運行中的轉(zhuǎn)矩?fù)p失，單位為N·m；i 為爐輥電機的加速比，D 為爐輥的直徑，單位為m。

通過以上兩種方法得到的張力實際值經(jīng)過濾波后直接供張力PI 調(diào)節(jié)器使用[5]，調(diào)節(jié)器的輸出即為控制區(qū)域的張力附加速度VTECH1。

2 爐區(qū)張力控制系統(tǒng)優(yōu)化

自投產(chǎn)以來，京唐冷軋1700 mm 連退機組因張力問題導(dǎo)致的停機次數(shù)為7 次，每次停機后均需要經(jīng)過長時間的降溫過程，嚴(yán)重影響產(chǎn)線的連續(xù)生產(chǎn)[6]。同時因張力波動導(dǎo)致的劃傷問題增加廢品量，降低產(chǎn)品的收益[7]。針對上述情況，對連退爐區(qū)張力調(diào)節(jié)速度進(jìn)行優(yōu)化，提高控制精度[8]。

2.1 張力級聯(lián)優(yōu)化

針對爐區(qū)張力調(diào)節(jié)速度較慢問題，由于連退爐區(qū)通過附加速度控制張力，且基準(zhǔn)線速度位于爐區(qū)出口的4 號張力輥。除力分區(qū)的測量值。通過張力計測量帶鋼實際張力的計算方法為：

式（1）中，TOS和TDS分別為操作側(cè)和驅(qū)動側(cè)張力計壓頭檢測到的壓力值，單位為N；θ 為張力計輥與帶鋼之間的包角。從張力計讀出的實際張力通過式（1）計算即可得到帶鋼的實際張力。

此外，還可通過區(qū)域內(nèi)的電機轉(zhuǎn)矩計算實際張力[4]，該方法可替代張力計進(jìn)行實際張力的反饋，具體方法如下：

式（2）中，TNearby為相鄰區(qū)域的張力設(shè)定值，單位為N；∑Tact_strip為計算區(qū)域內(nèi)參與張力控制的爐輥電機產(chǎn)生的張力之和?！芓act_strip可通過以下方法得到：

爐區(qū)入口段外，當(dāng)其余張力區(qū)段調(diào)節(jié)設(shè)定時，張力調(diào)節(jié)區(qū)域的張力附加速度發(fā)生變化會導(dǎo)致入口側(cè)相鄰區(qū)域的實際張力發(fā)生改變，從而間接的造成相鄰區(qū)域的張力調(diào)節(jié)，因此一次張力調(diào)整會造成所有入口側(cè)的張力區(qū)域依次被動做出調(diào)節(jié)，直到爐區(qū)入口。由于連退爐區(qū)較長，張力調(diào)節(jié)造成的張力波動問題將持續(xù)一段時間。

針對該問題，在爐區(qū)張力控制系統(tǒng)中引入一個新的級聯(lián)附加速度VTECH2，級聯(lián)附加速度由控制區(qū)域后所有張力控制器的輸出決定，計算方法如下：

式（4）中，VTECH1為控制區(qū)域后張力控制器的附加速度，單位為m/s；a、b、c 為調(diào)整系數(shù)，數(shù)值采用0.000 1 做計算。

添加張力級聯(lián)功能后，爐區(qū)張力控制附加速度由張力控制器附加速度VTECH1和級聯(lián)附加速度V級聯(lián)構(gòu)成，當(dāng)張力區(qū)域X+1 至區(qū)域10 任意一個張力區(qū)域變更張力時，通過級聯(lián)功能使區(qū)域X 同步調(diào)節(jié)張力，提高爐區(qū)的張力調(diào)節(jié)速度。張力級聯(lián)控制如圖2 所示。

圖2 張力級聯(lián)功能圖

2.2 爐輥速度糾正

由于爐區(qū)在生產(chǎn)不同規(guī)格的帶鋼時爐溫會發(fā)生變化[9]，爐輥直徑也會隨著爐溫的變化而熱脹冷縮。實際輥徑的變化必然會導(dǎo)致爐輥線速度發(fā)生改變。在基于速度的張力控制模式下，運行線速度變化會導(dǎo)致區(qū)域的實際張力發(fā)生改變。此時張力控制器會產(chǎn)生一個恒定的積分量補償輥徑導(dǎo)致的速度變化，從而穩(wěn)定區(qū)域張力。在正常情況下，由于實際張力跟隨設(shè)定值上下波動，張力控制器的積分輸出也在0 附近波動，而當(dāng)爐輥輥徑變化時，張力控制器的積分值將變?yōu)橐粋€正值或者負(fù)值，從而降低了張力控制器的輸出調(diào)節(jié)范圍。

為了消除爐區(qū)溫度變化對張力控制的影響，需要對爐輥的運行速度進(jìn)行糾正[10]，降低張力控制器的累計輸出。因此在現(xiàn)有的控制方案上引入爐輥的自動速度糾正功能，具體方法是采用對張力控制器的積分值再次進(jìn)行積分累加，將積分累加的結(jié)果作為爐輥的速度補償。當(dāng)正常張力控制器的積分值在0 附近波動時，積分值的積分累加也趨近于0，即爐輥速度補償趨近于0。當(dāng)由于爐溫變化導(dǎo)致張力控制器產(chǎn)生累計積分值時，積分值的積分累加將為一個正負(fù)的累加量，將該累加量作為爐輥的附加速度可替代張力控制對爐溫導(dǎo)致的張力變化進(jìn)行補償，從而使張力控制器的輸出重新回到0 附近，增大張力控制器的調(diào)節(jié)范圍，消除爐溫波動對張力控制的影響。爐輥速度糾正的計算方法如下：

式（5）中，Vcorrect為爐輥的速度糾正補償值，單位為m/s；YiTCON2為張力控制器的積分值。

爐輥速度糾正的補償示意圖如圖3 所示。

圖3 速度糾正功能

3 應(yīng)用效果

爐區(qū)張力級聯(lián)與爐輥速度糾正功能于2016 年12 月投入使用，為了進(jìn)一步說明張力級聯(lián)于自動速度糾正產(chǎn)生的實際效果，對功能投用后的張力調(diào)節(jié)曲線進(jìn)行了說明。連退爐區(qū)張力控制調(diào)節(jié)曲線如圖4 所示，爐輥附加速度曲線如圖5 所示。

圖4 中的①時刻，均熱段張力由9403 N 增大到112 52 N，緩冷段張力由10 260 N 增大到11 500 N，其他爐區(qū)各段張力均未發(fā)生變化。通過圖5 可以看出，隨著均熱段和緩冷段調(diào)張，張力級聯(lián)功能使?fàn)t區(qū)入口、預(yù)熱段、加熱段爐輥附加速度均同步增大，配合均熱段和緩冷段調(diào)整張力，使調(diào)張過程中的張力波動減小，調(diào)張速度加快。爐輥速度糾正曲線如圖6 所示。

圖4 連退爐區(qū)張力控制調(diào)節(jié)曲線

圖5 爐輥附加速度曲線

取圖6 緩冷段爐輥附加速度舉例說明爐輥速度糾正功能的應(yīng)用效果，當(dāng)緩冷段張力設(shè)定保持恒定時，張力附加速度在自動速度糾正功能的影響下始終在0 附近上下波動，自動速度糾正功能提供的附加速度取代了張力控制器單方向的恒定輸出，使張力控制器的調(diào)節(jié)作用加快，調(diào)節(jié)范圍增大。

圖6 爐輥速度糾正曲線

經(jīng)過現(xiàn)場的實際效果驗證，爐區(qū)張力級聯(lián)和自動速度糾正功能有效的提高了爐區(qū)張力的調(diào)節(jié)速度，擴寬了張力控制器的調(diào)節(jié)區(qū)間，優(yōu)化取得了好的效果。

4 結(jié)束語

連退爐區(qū)張力控制對機組的運行和產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要，對爐區(qū)張力控制進(jìn)行研究，通過增加級聯(lián)和爐溫速度補償功能，可有效的提高爐區(qū)的張力調(diào)節(jié)速度，消除爐區(qū)溫度對張力控制的影響，對提高爐區(qū)張力控制的穩(wěn)定性具有十分重要的意義。