带钢生产过程中张力问题分析和对策.doc

钢板轧制过程中张力控制的分析和对策张守兴（海口经济学院 信息工程学院 海南 海口 571127）摘要：本文介绍了武钢集团海南有限责任公司单机架四辊可逆式轧机机组张力控制系统的应用研究，通过精准调整相关参数，提高轧机张力控制精度，解决了轧制和平整极薄带钢过程中出现的带钢鼓包和拉皱现象。关键词：冷轧；张力控制；精度The Analysis and countermeasures Of Tension Control In The Steel MiLLs ProcessZHANG SHOU XING（Haikou College of Economics，The Institute of Information Engineering，Haikou，Hainan 571127）Abstract: This paper introduces the hainan wisco group limited liability company leveling unit motor applied research, through the motor related parameter calculation and replace domestic motor, solve the stability of motor, make the unit production get more powerful guarantee.Key word: cold mill；tension controls；accuracy一 概述武钢集团海南有限责任公司目前逐步形成了国内精密极薄带钢的生产基地，公司冷轧机组为单机架四辊可逆式轧机，完成带钢的冷轧轧制和平整两道工序，机组由美国综合工业I2S公司设计制造，主要设备全部从美国引进，具有90年代国际先进水平。该轧机设计年产量10万吨，产品的厚度范围是0.2mm-2.0mm。机组采用八台美国GE公司生产的840KW直流电机对四条主轴进行拖动，每根轴系由两台电机串联提供动力，传动系统采用西门子6RA7025调速装置对原装置进行了数字化改造，张力控制采用附加T400工艺控制板实施。轧机原设计100%额定张力值为15.4吨，在轧制过程中，卷取机的张力静态误差不超过3%，动态误差不超过6%，在生产原规格的产品范围内基本满足生产要求。二 问题的提出 随着企业的生产经营发展和市场的需要，公司决定对产品结构进行战略调整，确立了“公司发展成为精密冷轧极薄带钢生产基地”的经营思路。在试生产0.15mm极薄带钢的初期并不顺利，出现了许多不同的问题，其中最为突出的是张力控制精度不够的问题。因新开发的0.15mm厚的内磁屏蔽钢材质比较软，工艺要求的张力比普通的钢板小得多，尤其在平整时比张力设定小到5kg/mm，按平整宽度为1000mm的带钢计算，在生产成品为0.15mm的带钢过程中开卷卷取张力设定为大约750kg，是额定张力设定的5%，按原系统的控制精度是不够的。卷取机的张力控制精度不够造成轧制过程，特别是升降速过程中，经常出现由于张力波动造成的带钢表面鼓包、折皱，甚至出现勒辊断带现象，严重制约内磁屏蔽钢的开发进程，因此必须尽快通过提高轧机张力控制精度来解决此问题。三 张力控制原理分析1.单机架可逆式轧机的卷取张力工作的特点冷轧带钢的一个特点就是张力轧制，张力可以降低轧制压力和改善钢板板型，可以说，没有张力是无法进行冷轧轧钢的。在可逆式单机冷轧机上，张力是在轧机和卷取机之间产生的，形成前张力的卷取机处于电动状态，而形成后张力的卷取机处于发电状态，又称为开卷机。带钢张力的控制精度对带钢冷轧轧制稳定性和成品带钢的质量有着极大的影响，它一般可分为直接张力控制和间接张力控制两种类型。前者是通过张力计直接检测张力的实际值，经张力控制器送入系统构成闭环控制；后者则是通过控制其他参数而间接地进行恒张力控制。间接张力控制的优点是设备投资少，动态可以前置预补偿，静态精度只要定期核准，均可满足设计要求，因此在工业生产中应用广泛。武钢集团海南公司轧机张力控制系统采用间接张力控制方式。轧机张力系统示意图如以下图1所示：2.卷取机间接张力控制原理和方案所谓间接张力控制，就是只给张力设定值，不用检测装置采样张力的实际值进行负反馈构成张力闭环，而是通过对开卷、卷取机的电流控制来间接对张力进行恒定控制。正常轧制工作过程张力工作原理如图1所示，轧机轧辊传动处于正常的速度环控制，左（右）卷取机在速度调节器前加入正（负）饱和输入，使速度调节器进入饱和状态，这样卷取的力矩输出完全取决于限幅值的变化，只要按照一定的数学模型对速度调节器输出的力矩限幅进行控制，就可以达到对张力控制的目的。如上图所示，生产方向向左，上下轧辊拉动带钢运动，由于左卷取机与轧辊之间存在正饱和给定的速差，右卷机机与轧辊之间存在负饱和给定的速差，从而使左、右卷取机与轧辊之间的带钢形成张力T，张力力矩为，在轧机稳态运行时带钢张力应保持恒定。由电机学可知，电动机的电磁转矩公式为 （1）式中，为电动机的转矩常数；为电动机的磁通；I为电动机的电枢电流。带钢所需张力力矩的公式为： （2）式中，T为带钢张力；D为钢卷卷径（直径）；i为机械传动比；为机械效率。在系统正常开卷的过程中，带钢运行的线速度保持恒定，如果忽略数量不大的空载转矩和摩擦转矩，则电动机的电磁转矩应与带钢张力力矩始终保持相等，即=。于是可得带钢张力： （3）式中，K值为常数。由上（3）式可知，只要根据系统磁通和直径D的值来控制电动机电流I，确保I/D保持恒定，就可使带钢张力T保持恒定，3 .基于西门子T400工艺控制板的间接张力控制系统 武钢海南公司轧机张力控制系统是以西门子6RA7025全数字可逆直流调速器为基础，配以T400工艺控制板及SPC420标准卷取软件包，构成的全数字间接恒张力控制的直流调速系统。其张力控制系统示意图如图2所示：图2 开卷机间接张力控制示意图上图所示，框图虚线上方部分功能在T400控制板中实现，下方有阴影部分调节功能为6RA70传动系统标准传动功能。在稳态情况下，主控台来的张力设定T，乘以张力系统开环增益调节因数H200后，再乘以钢卷的实际卷径D，之后作为传动系统的转矩限幅间接地控制传动的电流，从而达到控制带钢张力。根据电力拖动和电机学原理，卷取机电机的总力矩： （4）其中，电机的总力矩；空转力矩；为摩擦力矩；为张力力矩；为动态力矩。在实际的轧钢生产过程中，生产工人关注的是对带钢张力T的控制，即系统设定张力后，实际加在带钢上的张力是精确的。如图2所示，除张力T是从外部认为给定，其它力矩均为物理补偿量。其中空转力矩和摩擦力矩可以通过6RA70调速器的优化步骤较精确地得出，摩擦力矩补偿与轧机的运行速度有关，在T400的参数H230-H235中设定。在卷取机加速的过程中，由于电动机的总力矩中需要加速分量，如果不能及时补充，则卷取机将由于力矩不够维持与轧辊的速差，使带钢张力实际值T出现瞬间的扰动，扰动的大小与机组加速的加速率有关。因此在电动机的力矩控制中，动态力矩作为一种预控量，必须及时在张力设定通道给以补偿（见上图2），其过程量值的准确性对于张力的控制精度非常重要。卷取机在实际生产中的转动惯量由电动机转动惯量、齿轮箱转动惯量、转筒芯轴转动惯量和钢卷转动惯量四部分组成，其中前三部分为固定转动惯量，其普通表达式为： （5）钢卷为变动转动惯量JV，其普通表达式为： （6）可逆式轧机在极薄带钢的轧制,不仅要求在稳态轧制过程中,而且在加、减速的动态过程中也应保持张力T的恒定。对于卷取机张力控制性能来说，其优劣程度取决于对以下三个方面的调节能力：在主机加减速阶段，也就是建张和升降速阶段，如何控制卷取机使其跟随主机速度的变化，克服（补偿）加减速造成的动态力矩对张力的影响；在主机稳速阶段，如何克服卷径的变化带来的张力波动；如何解决由于卷径及其它工艺参数的改变而造成系统参数改变的问题。四 张力控制系统中关键参数的调整根据上述间接张力控制的原理分析可知，解决好上述3个问题，实质就是如何解决好轧制生产过程中对于生产速度的动态补偿问题和张力的静态核准问题。如图2所示，静态张力的精确度与张力的标称和卷径计算有关，动态补偿精度与卷取机转动惯量的标称和加速率的采样增益有关，因此上述相关参数均为张力控制系统的关键参数，其精确与否对张力控制系统的精度起到关键的作用。1.卷径计算系统功能的核准 开卷机间接张力控制示意图如图2所示： 在间接恒张力控制系统中，卷径D是一个非常重要的参数，直接影响着对张力的控制。在开卷的整个过程中卷径一直在减小，所以需要在线实时地对其进行计算。根据 （7）式中，为开卷机转速取自电动机测速编码器；V为带钢运行线速度，取自夹送测速辊编码器。实际运行过程中，当夹送测速辊一旦运转，就有带钢线速度信号，开卷机也随着运转，有了转速反馈信号，于是根据公式(7)，卷径的实际值D就可以计算出来。 卷径计算是根据原有卷径和卷径变化量做减法运算，并对计算结果进行正确与否的判定，所以必须有一初始的卷径设定值。需要指出的是，在卷径计算环节中，初始的卷径设定值的选定是关键，要求是作开卷机的卷径初始设定值要比实际值小，作为卷取机的卷径初始设定值要比实际值大，这样才不会造成卷径计算过程中出现“跳变”现象，影响正常生产。一般情况下，开卷机的卷径初始值由系统内部设定为带钢的最大卷径（D=1870mm），卷取机的卷径初始值由系统内部设定为带钢的最小卷径（D=610mm）。卷径复位开关与张力切人开关做成一体，开卷机工作时，一旦有张力投人卷径被自动复位为最大值避免出现卷径初始设定值小于实际卷径的错误，确保系统正常工作。2.动态力矩补偿环节精调 动态力矩补偿是在主机加减速阶段，如何跟随主机速度的变化，及时补偿卷取机这部分力矩，使其克服（补偿）加减速造成的动态力矩对张力的影响。西门子T400工艺控制板内含标准的动态力矩补偿环节，如下图3所示。对此环节的精调主要是对H220、H225、H227、H228四个参数通过实验方式进行精确的匹配。为了规范调试过程，避免现场调试中由于参数初始值偏差过大，造成调试困难，应分两步进行调试：图3 T400中张力补偿环节第一步：4.2.1相关物理量的标幺参数预设置：（1）齿轮级别参数H127，即对应600米/分档,应改为0.6,同时齿轮级别切换逻辑应取反。（2）卷径计算调整参数H210设定为1.0,标“1”卷芯直径参数H222：H222设定为0.326,如最终实际卷径有偏差,可适当调整H210参数。（3）速度设定的微分采样时间H220设为标准的5000毫秒。（4）变动部分转动惯量参数H227可应用西门子T400所给公式求出： （8） 设H227=0.372。 （5）变动部分转动惯量参H228： （9）（6）磨擦补偿应加入控制，不一定要很精细，但要确保整条曲线应是平滑，正常加0.3%的补偿。第二步：现场调试的调试方法（1）确定固定部分转动惯量的补偿因数H228：用薄带钢，尽可能小的张力设定，绕在卷取机几圈后（确保卷径为610mm）加速、减速。观察卷取机部分出口带钢，如卷取机加速出现“掉张力”，应增大H228；如减速时出现“掉张力”，应减小H228，直到满意。（2）确定变动部分转动惯量的调整因子H227：用卷径1600mm左右的正常薄带钢卷作为开卷、设定5%的小张力，慢速启动确保卷径计算正确的情况下，进行大幅度的加、减速，通过观察开卷机部分入口带钢，如加速出现“掉张力”，应减小H227；如减速时出现“掉张力”，应增大H227，直到满意。（3）左右卷取以上参数应同时修改，保持两台卷取机参数匹配的一致性。五 结束语经过三个多月的深入分析和探讨，按照上述办法进行了几个阶段的反复调试，效果较好。轧机轧制成品道次出口厚度0.15mm时，张力控制建张比较稳定，轧机速度直接从0r/m升速到500r/m，出入口张力显示波动不大，