蔣長虹，邱華東2，，楊曉光

（1.太原鋼鐵（集團(tuán)）有限公司，太原030003；2.太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，太原030024）

太鋼熱連軋廠于1994年引進(jìn)的日本1 549mm熱連軋機(jī)，其計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用美國西屋公司的WDPF控制系統(tǒng)。隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)熱連軋鋼卷的產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量等技術(shù)指標(biāo)有了更新更高的要求。由于熱連軋機(jī)卷取區(qū)是整個(gè)熱連軋生產(chǎn)線上的一個(gè)重要的組成部分，其生產(chǎn)現(xiàn)狀大大限制了軋機(jī)生產(chǎn)能力的進(jìn)一步提高［1］。因此，筆者及其課題成會(huì)員對(duì)其卷取區(qū)系統(tǒng)進(jìn)行了較大規(guī)模的技術(shù)改造，主要包括：拆除原有的1號(hào)、2號(hào)卷取機(jī)，新建一臺(tái)新的全液壓式的1號(hào)卷取機(jī)；改造3號(hào)卷取機(jī)，保留原3號(hào)卷取機(jī)的機(jī)械主體設(shè)備與電氣傳動(dòng)設(shè)備，將其控制系統(tǒng)改用德國西門子公司的TDC控制系統(tǒng)；新增兩套液壓卸卷小車等。本課題除熱連軋機(jī)硬件系統(tǒng)得到更新升級(jí)外，主要研究開發(fā)了帶鋼頭部張力優(yōu)化控制、夾送輥張力控制，以及卷取機(jī)平滑曲線減張控制等主要新技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明了新技術(shù)的有效性。

1 帶鋼頭部張力優(yōu)化控制技術(shù)

張力控制是卷取機(jī)控制的核心，不僅直接影響鋼卷的卷形，而且還會(huì)影響到精軋的板型。卷取張力控制不好，會(huì)造成精軋帶鋼拉窄等問題，很容易造成廢鋼。由于該廠3號(hào)卷取機(jī)采用的是斜楔柱塞式卷筒，屬于國內(nèi)較落后的卷筒，當(dāng)卷筒承受負(fù)荷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生內(nèi)瀉；且3號(hào)卷取機(jī)的助卷輥采用氣動(dòng)控制，當(dāng)其承受負(fù)荷時(shí)，助卷輥間隙難以穩(wěn)定，故而造成3號(hào)卷取機(jī)頭部卷形差，特別是鋼卷內(nèi)圈較松問題，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品質(zhì)量。為此，開發(fā)了3號(hào)卷取機(jī)帶鋼頭部張力優(yōu)化控制軟件，其主要控制思想包括以下幾點(diǎn)。

1.1 調(diào)節(jié)夾送輥張力控制與速度控制轉(zhuǎn)換的時(shí)間

由于3號(hào)卷取機(jī)夾送輥采用氣動(dòng)控制，無法檢測(cè)夾送輥是否咬鋼，所以利用3號(hào)卷取機(jī)夾送輥前的熱檢作為基準(zhǔn)點(diǎn)，延時(shí)使夾送輥采用張力控制、滯后速度控制。即，延時(shí)時(shí)間＝夾送輥與熱檢之間的距離／帶鋼速度＋時(shí)間常數(shù)。這樣可使夾送輥在帶鋼剛進(jìn)入卷取機(jī)時(shí)就在卷筒與夾送輥之間建立張力，以提高頭部卷形質(zhì)量。其中的時(shí)間常數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。

1.2 建立卷取張力的數(shù)學(xué)模型，提高卷取的質(zhì)量

現(xiàn)代熱軋帶鋼卷取生產(chǎn)中，普遍采用張力卷取來改善卷取過程中帶鋼的變形狀態(tài)，減少塔形、扁卷和松卷等缺陷。在卷取生產(chǎn)工藝參數(shù)中，張力是最重要的參數(shù)之一，它將直接影響到卷取的質(zhì)量，甚至卷取的成敗。因此，在生產(chǎn)實(shí)際中建立卷取張力的數(shù)學(xué)模型，對(duì)提高卷取的質(zhì)量和成材率起著重要的作用。

卷取張力控制由兩級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。首先由過程自動(dòng)化級(jí)L2中的張力模型，計(jì)算卷取張力的設(shè)定值，計(jì)算完成后下送基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)L1執(zhí)行。張力模型算法遵循三個(gè)原則：一是不同鋼種及不同厚度給定不同的張力初始值；二是張力值的確定與厚度有關(guān)；三是張力值應(yīng)與卷取不同溫度下的變形有關(guān)。其算法分以下兩個(gè)步驟。

第一步：根據(jù)鋼種特點(diǎn)及經(jīng)驗(yàn)調(diào)試，確定不同鋼種在不同規(guī)格范圍內(nèi)的初始單位張力F；

第二步：根據(jù)不同溫度下的高溫變形及具體厚度進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化計(jì)算：

式中：F′為單位卷取張力；F為初始單位張力；σ為該卷取溫度下的變形抗力，根據(jù)鋼種確定，同一鋼種為一固定值；k為高溫變形的轉(zhuǎn)換系數(shù)；h為帶鋼目標(biāo)厚度。

從以上公式可以看出，卷取張力除與單位張力有關(guān)外，還與變形抗力及厚度有關(guān)，變形抗力越大，張力越大；而厚度越厚，則張力越小。

1.3 3號(hào)卷取機(jī)頭部張力優(yōu)化

由于該廠軋制品種多、帶鋼性能差別大，原有的張力控制導(dǎo)致了如管線鋼等這類硬材質(zhì)的鋼種頭部極易打滑或松卷；而軟材質(zhì)的帶鋼如硅鋼、SPHC、08AL等頭部易拉窄，直接影響到產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。為了提高帶鋼卷形合格率，對(duì)帶鋼張力控制進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)于不同的鋼種采用不同的頭部張力優(yōu)化控制。例如，對(duì)硬質(zhì)鋼，3號(hào)卷取機(jī)咬鋼時(shí)以大張力卷取數(shù)圈（一般是3圈），保證帶鋼頭部緊緊纏繞卷筒，從而使帶鋼穩(wěn)定建張，提高成卷率，保證了頭部卷形，尤其保證頭部不松圈。圖1所示為3號(hào)卷取機(jī)頭部張力優(yōu)化曲線（硬質(zhì)鋼）。圖中電流與張力成正比，電流情況可清晰地反映出張力的變化。頭部咬鋼時(shí)張力較大，而咬鋼數(shù)圈后張力迅速下降。對(duì)于軟質(zhì)鋼，由于精軋出口溫度高，并且材質(zhì)較軟，當(dāng)卷取張力較大時(shí)，很容易將帶鋼拉窄，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量，為此采取的措施是：卷取機(jī)咬鋼時(shí)，先以小張力咬鋼卷取數(shù)圈，然后再按曲線迅速提高到設(shè)定張力。由于軟質(zhì)鋼頭部較軟，以合適的小張力咬鋼，才能保證頭部良好的卷形。如圖2所示，咬鋼過程電流呈逐漸增加趨勢(shì)，反映出張力也呈逐漸增加趨勢(shì)。

圖1圖2中，MA current fbk表示卷筒最大電流百分比；MA current ref表示卷筒電流給定值（%）。

1.4 帶鋼頭部張力優(yōu)化控制程序

為了適應(yīng)該廠軋制不銹鋼板形的需要，對(duì)相應(yīng)張力設(shè)定程序進(jìn)行了以下改進(jìn)。

圖1 3號(hào)卷取機(jī)頭部張力優(yōu)化曲線（硬質(zhì)鋼）

圖2 3號(hào)卷取機(jī)頭部張力優(yōu)化曲線（軟質(zhì)鋼）

1）L2增加了單位張力設(shè)定增益系數(shù)，平時(shí)設(shè)定為1。當(dāng)軋制不銹鋼時(shí)，根據(jù)生產(chǎn)要求下送相應(yīng)數(shù)值，原則上大于等于1。

2）L1對(duì)L2下送單位張力設(shè)定增益系數(shù)進(jìn)行限幅，上限140%，下限100%。

如果L2下送單位張力增益系數(shù)大于1，則實(shí)際單位張力設(shè)定為原有單位張力設(shè)定乘以單位張力設(shè)定增益系數(shù)；待帶鋼頭部進(jìn)入卷取機(jī)100m后開始減張，直至實(shí)際單位張力設(shè)定達(dá)到原有單位張力設(shè)定值的100%，減張斜率為5%／s。

原有操作工手動(dòng)干預(yù)張力功能不變：3號(hào)卷取機(jī)由于軋制能力限制，張力設(shè)定增益系數(shù)為固定值115%；手動(dòng)干預(yù)3號(hào)卷取機(jī)張力給定值的范圍是50%至200%。

3）帶鋼纏繞數(shù)圈后，采用張力優(yōu)化曲線，使張力沿曲線迅速達(dá)到設(shè)定值，這樣可以讓張力平滑過渡，既克服了松圈缺點(diǎn)，又可以使帶鋼張力沒有大的波動(dòng)，從而保證了卷形。

帶鋼頭部張力優(yōu)化控制程序框圖如圖3所示。生產(chǎn)實(shí)踐證明，帶鋼頭部張力優(yōu)化控制技術(shù)對(duì)帶鋼頭部張力實(shí)施了有效控制，既保護(hù)了機(jī)械電氣設(shè)備，保證了精軋出口的寬度控制，又克服了頭部松圈的缺點(diǎn)，保證了卷形質(zhì)量，效果良好。

2 夾送輥張力控制

圖3 帶鋼頭部張力優(yōu)化控制程序框圖

改造前的3號(hào)卷取機(jī)夾送輥沒有張力控制。在卷筒咬鋼前，夾送輥采用超前速度控制；卷筒咬鋼后，精軋沒拋鋼則采用夾送輥零電流控制，使夾送輥線速度保持與帶鋼速度一致；精軋F(tuán)4拋鋼后，夾送輥采用滯后速度控制，卷筒進(jìn)行減張控制。這種控制方式在卷取機(jī)產(chǎn)生故障時(shí)，有可能使夾送輥往卷筒內(nèi)送鋼，造成帶鋼在卷取機(jī)內(nèi)重疊；精軋拋鋼后夾送輥采用滯后控制，卷筒張力控制經(jīng)常造成帶鋼甩尾，卷形不好。

由于夾送輥主傳動(dòng)采用富士通公司U2板控制，屬于日本20世紀(jì)80年代初的產(chǎn)品，改造前夾送輥采用零電流控制，沒有張力控制功能。為了對(duì)夾送輥進(jìn)行張力控制，首先對(duì)U2板進(jìn)行改造，將U2板電流負(fù)限幅引至TDC，由TDC進(jìn)行張力控制。

夾送輥張力控制是一種新的控制方式。帶鋼進(jìn)入夾送輥之前，夾送輥速度等于帶鋼速度乘超前系數(shù)。即卷取機(jī)咬鋼前，夾送輥采用超前速度控制。根據(jù)帶鋼數(shù)據(jù)計(jì)算出夾送輥張力和扭矩設(shè)定值，從卷取機(jī)建張（即卷取機(jī)咬鋼）時(shí)起，夾送輥采用滯后速度控制；夾送輥建立的張力和扭矩被限定在張力和扭矩設(shè)定值范圍內(nèi)。同時(shí)夾送輥采用反張力控制，末機(jī)架拋鋼之前反向張力（反向扭矩）增加到100%。

精軋時(shí)，當(dāng)帶鋼正在卷取，其張力被分成可調(diào)的卷筒與末機(jī)架的張力和卷筒與夾送輥之間的張力兩部分。其中張力分配系數(shù)在過程自動(dòng)化級(jí)L2中的監(jiān)控中可以進(jìn)行設(shè)置。

由于夾送輥與卷筒之間始終存在一定張力，這樣使得帶鋼進(jìn)入卷取機(jī)后板型較好，從而有效避免了由于設(shè)備、控制原因或者設(shè)定不好導(dǎo)致卷筒失張，甚至卷取機(jī)疊鋼故障的發(fā)生。夾送輥正向張力力矩（夾送輥向前拽帶鋼的力矩）等于精軋機(jī)的反向力矩（精軋機(jī)相對(duì)于夾送輥向后拽帶鋼的力矩）。如果開始卷取時(shí)正向力矩太大，精軋機(jī)活套也會(huì)受到影響，帶鋼會(huì)出現(xiàn)拉窄現(xiàn)象，因此，必須保證平滑的張力變換。夾送輥力矩控制模型為：

式中：M為輸出力矩；Mt為張力力矩；Ma為加速力矩；Mf為摩擦力矩。

1）張力力矩Mt

式中：F1為夾送輥張力；D為夾送輥直徑。

2）加速力矩Ma式中：i為減速比；IFM為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、電機(jī)側(cè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及電機(jī)側(cè)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和；IFH為軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、軋輥側(cè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及軋輥側(cè)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和；ρ為夾送輥密度；π取固定值3.141 59；D為夾送輥直徑；A為加速系數(shù)。

3）摩擦力矩Mf。摩擦力矩取決于軸承結(jié)構(gòu)、潤滑、速度，一般取經(jīng)驗(yàn)值。

從公式（1）—（3）可以看出，力矩由張力力矩、加速力矩、摩擦力矩三部分組成。其中，張力力矩與直徑成正比，加速力矩與直徑成反比；加速力矩與減速比、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及夾送輥材質(zhì)有關(guān)。

應(yīng)用力矩控制模型，經(jīng)過實(shí)踐證明，夾送輥張力控制效果良好，滿足了控制要求，使卷形較改造前有了質(zhì)的提高。

3 卷取機(jī)平滑曲線減張控制

改造前3號(hào)卷取機(jī)夾送輥采用速度控制。精軋沒拋鋼前，夾送輥采用零電流控制；精軋拋鋼后采用卷筒減張控制，夾送輥投速度滯后。減張采用3次減張，由于每次減張都是階躍給定，使得卷取張力不穩(wěn)，影響卷形，不是減張過大造成卷取尾部張力不足，就是減張?zhí)≡斐伤ξ?。其中，最常見的是卷取的?xiàng)鏈卷，即在精軋拋鋼后由于張力急劇變化導(dǎo)致鋼卷中央有一圈或數(shù)圈突起。

改造后的3號(hào)卷取機(jī)，采用了張力控制技術(shù)，按照表1所示的減張率進(jìn)行減張控制。

表1 卷取機(jī)平滑減張表

由表1可知，一次減張最大可以至40%，這樣可以保證帶鋼離開末機(jī)架時(shí)張力已基本達(dá)到平穩(wěn)過渡，避免了項(xiàng)鏈卷的出現(xiàn)。如果是短帶鋼，則不減張。曲線減張控制程序框圖如圖4所示。

圖4 曲線減張控制程序框圖

4 結(jié)論

綜上所述，卷取機(jī)能否正常工作，以及卷取效果的好壞直接影響到產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。由于新的3號(hào)卷取機(jī)采用了多項(xiàng)新的控制策略，在張力設(shè)定、帶鋼頭部?jī)?yōu)化、減張等方面采用了更為精確的控制手段，調(diào)整依據(jù)曲線進(jìn)行優(yōu)化，使得控制準(zhǔn)確，效果十分顯著。卷取張力控制系統(tǒng)的優(yōu)化改造，既解決了松圈、拉窄問題，又使帶鋼張力無大的波動(dòng)，從而保證了卷形，使鋼卷的合格品率大幅度提高，同時(shí)也減少了廢鋼。

太鋼熱連軋廠卷取區(qū)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)改造中，3號(hào)卷取機(jī)既吸收了SIEMENS公司1號(hào)卷取機(jī)的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，又結(jié)合3號(hào)卷取機(jī)自身的特點(diǎn)，自主研發(fā)，獨(dú)立完成開發(fā)了多項(xiàng)新技術(shù)，不僅為太鋼節(jié)約了大量的軟件硬件設(shè)計(jì)、編程、調(diào)試費(fèi)用，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，而且其新型的控制思路可以在國內(nèi)外同類工程中推廣使用。

［1］ 童朝南，紀(jì)智彭，開香董，等.卷取張力控制新方法［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，24（4）：463-465.

［2］ 胡 平.卷取張力數(shù)學(xué)模型的建立［J］.昆明冶金高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2002，18（4）：3-5.

［3］ 董建芝.熱連軋卷取機(jī)智能張力控制系統(tǒng)［J］.自動(dòng)化應(yīng)用，2011（4）：35-36，43.