李冬,劉哲
(1.中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院 石油和化學(xué)工業(yè)電氣產(chǎn)品防爆質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,天津 300131;2.河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300130)
我國(guó)的汽車(chē)產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出蓬勃的發(fā)展勢(shì)頭,伴隨而來(lái)的是汽車(chē)產(chǎn)業(yè)對(duì)優(yōu)質(zhì)鋼材品種的要求越來(lái)越高。連續(xù)退火機(jī)組具有生產(chǎn)鋼材質(zhì)量?jī)?yōu)、產(chǎn)量高、板形好、表面清潔、性能均勻的特點(diǎn),是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)車(chē)用板材的關(guān)鍵設(shè)備。在生產(chǎn)過(guò)程中,帶鋼在退火爐內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)“熱飄曲”、斷帶等現(xiàn)象,嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量,對(duì)帶鋼施加合適的張力是防止以上現(xiàn)象的必要條件,同時(shí)運(yùn)行過(guò)程中爐區(qū)段張力的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能對(duì)機(jī)組的高速運(yùn)行也有重要的影響,因此研究帶鋼在爐區(qū)段的張力是十分必要的。本文以福建某30萬(wàn)t連續(xù)光亮退火生產(chǎn)線(xiàn)為研究平臺(tái),對(duì)其爐區(qū)段張力控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
該條生產(chǎn)線(xiàn)退火爐入口段的設(shè)備是3#張力輥組,采用直流電機(jī)傳動(dòng),入口輥與出口輥采用的電機(jī)一樣,功率為27kW,電樞電壓為400V,電樞電流為77.8A,額定轉(zhuǎn)速為1 350r/min,勵(lì)磁電壓為310V,勵(lì)磁電流為2.5A。直流調(diào)速裝置采用意大利安薩爾多的SPDM[1]。在連續(xù)退火爐內(nèi),帶鋼靠爐輥的轉(zhuǎn)動(dòng)在加熱均熱段、一次快冷段、過(guò)時(shí)效段和2次快冷段內(nèi)上下游動(dòng)。
本機(jī)組共有45根爐輥,每個(gè)爐輥電機(jī)都是一樣的,電機(jī)功率為4kW,額定電流為8.8A,頻率為3~100Hz,額定轉(zhuǎn)速為1 440r/min,輥徑為650mm,電機(jī)工作轉(zhuǎn)速為1 585r/min,工作頻率為55Hz,電機(jī)輸出軸速為91r/min。爐輥傳動(dòng)采用交流獨(dú)立傳動(dòng)。同時(shí)在整個(gè)爐區(qū)段設(shè)置了7個(gè)張力計(jì)。設(shè)備布置如圖1所示。
圖1 爐區(qū)設(shè)備布置圖Fig.1 Layout diagram of equipment in furnace area
在生產(chǎn)過(guò)程中,帶鋼上之所以有張力的作用,是由于帶鋼在相鄰設(shè)備之間存在秒流量差而產(chǎn)生彈性形變。在退火爐內(nèi)影響帶鋼張力的因素跟爐外有很大的不同,這是因?yàn)閹т撛跔t內(nèi)必然產(chǎn)生“熱脹冷縮”。在連續(xù)光亮退火爐內(nèi)影響帶鋼張力的因素有很多,主要有爐輥間的速度差、爐內(nèi)帶溫、爐輥表面的摩擦等。下面我們將詳細(xì)對(duì)這幾種干擾爐內(nèi)帶鋼張力的因素進(jìn)行詳細(xì)分析。
帶鋼在連續(xù)退火爐內(nèi),尤其是在加熱均熱段,溫度的高低變化造成帶鋼熱脹冷縮而干擾帶鋼張力。根據(jù)文獻(xiàn)[2]得出以下幾點(diǎn)。
1)帶鋼在退火爐內(nèi)運(yùn)行時(shí),橫向溫度的不均勻性對(duì)帶鋼張力影響最大。橫向溫度差異性越大,帶鋼的臨界屈服應(yīng)力變得越小,越容易產(chǎn)生屈服效應(yīng),嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量。
2)帶鋼在退火爐內(nèi)運(yùn)行時(shí),縱向溫度的不均勻性對(duì)帶鋼張力影響比較小??v向溫度的差異性對(duì)帶鋼的臨界屈服應(yīng)力影響比較小,不會(huì)產(chǎn)生“熱飄曲”。
3)帶鋼在退火爐內(nèi)運(yùn)行時(shí),帶鋼越厚越不容易發(fā)生“熱飄曲”或者斷帶,帶鋼越薄越容易發(fā)生“熱飄曲”或者斷帶現(xiàn)象。
在本條生產(chǎn)線(xiàn)中,退火爐內(nèi)溫度控制采用先進(jìn)的控制算法,溫度恒定,可不考慮爐區(qū)溫度對(duì)帶鋼的影響。
在連續(xù)退火生產(chǎn)線(xiàn)上,造成爐輥磨損的主要原因是帶鋼與爐輥的打滑。帶鋼與爐輥之所以會(huì)出現(xiàn)打滑是由于帶鋼在爐輥入口處與出口處的張力差值出現(xiàn)比較大的變化,該退火生產(chǎn)線(xiàn)中,爐區(qū)張力采用的直接張力控制可以對(duì)爐區(qū)張力進(jìn)行實(shí)時(shí)、快速的調(diào)節(jié);另外,爐區(qū)帶鋼張力的范圍為0~11.5kN,爐輥承受的力很?。灰虼丝梢圆豢紤]爐輥磨損對(duì)爐內(nèi)帶鋼張力的影響。
帶鋼在連續(xù)退火爐內(nèi)運(yùn)行時(shí),當(dāng)爐輥間存在速度差時(shí),必然會(huì)導(dǎo)致張力產(chǎn)生。我們以相鄰一對(duì)爐輥為研究對(duì)象進(jìn)行分析,如圖2所示。
圖2 相鄰爐輥間速度關(guān)系Fig.2 The speed relation between furnace rollers
利用相鄰爐輥間速度差的積分來(lái)求出爐輥間的帶鋼在生產(chǎn)線(xiàn)運(yùn)行方向的變形,然后用應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系求出張力[3]。
帶鋼在第i根爐輥和第i+1根爐輥間運(yùn)行時(shí),如圖2所示。設(shè):
式中:vi為第i根爐輥出口處帶鋼的線(xiàn)速度,i=1,2,…,44。
由于帶鋼兩端出現(xiàn)了速度差,這樣在相鄰爐輥間的帶鋼就會(huì)產(chǎn)生張力,爐輥間的帶鋼將發(fā)生拉伸形變,帶鋼被拉長(zhǎng),它與爐輥間距的關(guān)系可以表示為
式中:L為爐輥間距;L1為帶鋼未被拉伸時(shí)的長(zhǎng)度;ΔL為帶鋼段拉伸伸長(zhǎng)量。
其相對(duì)拉伸量ε為
在任意時(shí)刻t,帶鋼段被拉伸的速度為
對(duì)式(2)進(jìn)行變形處理得:
代入到式(3)中,并整理得:
式中:ε為第i,i+1爐輥間帶鋼段的拉伸率;t為時(shí)間;vi為第i爐輥出口處帶鋼線(xiàn)速度;vi+1為第i+1爐輥入口處帶鋼線(xiàn)速度。
設(shè)帶鋼為彈性拉伸,按虎克定律:
式中:E為材料的彈性模數(shù),鋼的E=20.58×104MPa;σ為張應(yīng)力。
把式(6)、式(7)代入式(5)得:
由于σ?E,故:
實(shí)際中應(yīng)用的張應(yīng)力微分公式為
對(duì)式(8)進(jìn)行積分就可以求出i,i+1爐輥間的張應(yīng)力為
故總張力為
式中:A為帶鋼的截面積,A=Bhi;B為帶鋼寬度;hi為帶鋼厚度。
因?yàn)閔i變化很小,由式(9)可知BhiE/L可以視為常數(shù),根據(jù)式(9)可以看出兩個(gè)相鄰爐輥間的帶鋼張力,與兩個(gè)相鄰爐輥間的速度差有關(guān),故調(diào)節(jié)相鄰爐輥間的速度差就可以調(diào)節(jié)爐輥間的張力,因此在實(shí)際生產(chǎn)中一般采用調(diào)節(jié)爐輥間的速度差來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)張力的目的。
4.1.1 爐區(qū)入口張力調(diào)節(jié)方案
3#張力輥組位于光亮退火爐前面,正常生產(chǎn)過(guò)程中用于調(diào)節(jié)爐區(qū)入口的張力。爐區(qū)入口張力的反饋是由3輥張力計(jì)來(lái)獲得的,張力給定值與張力反饋值的差值送入張力調(diào)節(jié)器,張力調(diào)節(jié)器的輸出作為3#張力輥組主輥的附加速度給定?;谒俣日{(diào)節(jié)的張力控制算法示意圖如圖3所示。
圖3 基于速度調(diào)節(jié)的張力控制算法示意圖Fig.3 Schematic diagram of tension control algorithm based on speed regulation
爐區(qū)入口張力控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過(guò)程為:正常生產(chǎn)時(shí),從上位機(jī)畫(huà)面INTOUCH中調(diào)用生產(chǎn)工藝表,通過(guò)以太網(wǎng)傳到西門(mén)子PLC中,在程序中將爐區(qū)入口張力值通過(guò)DP網(wǎng)送到直流調(diào)速裝置SPDM中作為張力給定;張力的反饋由3輥張力計(jì)監(jiān)測(cè)得到。當(dāng)張力反饋值小于張力給定值時(shí),張力差值送到張力調(diào)節(jié)器,經(jīng)張力控制器調(diào)節(jié)使3#張力輥組速度減小,以達(dá)到張力增加的目的;當(dāng)張力反饋值大于張力給定值,張力差值送到張力調(diào)節(jié)器,經(jīng)張力調(diào)節(jié)器3#張力輥組入口輥的速度給定增大,爐區(qū)入口張力減小。
4.1.2 爐區(qū)入口張力控制系統(tǒng)的控制效果
圖4為生產(chǎn)規(guī)格(熱調(diào))0.5×1 000帶鋼爐區(qū)入口張力設(shè)定為5.8kN時(shí)張力趨勢(shì)圖,穩(wěn)態(tài)時(shí),張力波動(dòng)為2%;加減速時(shí),張力波動(dòng)為5%,完全滿(mǎn)足工藝的要求。
圖4 爐區(qū)入口張力趨勢(shì)圖Fig.4 Trend chart of inlet tension in furnace area
爐內(nèi)帶鋼張力的調(diào)節(jié)是靠調(diào)節(jié)45根爐輥的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)的,交流傳動(dòng)采用M440變頻器的無(wú)編碼器的速度控制模式。如圖1所示,爐區(qū)段張力的控制是靠調(diào)節(jié)39#、40#、41#和42#爐輥的速度來(lái)完成的;爐區(qū)過(guò)時(shí)效段出口張力的控制是靠調(diào)節(jié)28#至38#爐輥的速度來(lái)完成的;爐區(qū)過(guò)時(shí)效段內(nèi)張力的調(diào)節(jié)是靠調(diào)節(jié)21#至27#爐輥的速度來(lái)完成的;爐區(qū)一次快冷段張力的調(diào)節(jié)是靠調(diào)節(jié)17#至20#爐輥的速度來(lái)完成的;爐區(qū)均熱段張力調(diào)節(jié)是靠調(diào)節(jié)8#至16#爐輥的速度來(lái)完成的;爐區(qū)加熱段內(nèi)張力調(diào)節(jié)是靠調(diào)節(jié)1#至7#爐輥的速度來(lái)完成的。
爐區(qū)內(nèi)各段控制方式相同,我們以爐區(qū)出口段張力的調(diào)節(jié)為例進(jìn)行詳細(xì)闡述。6#張力計(jì)裝設(shè)在43#爐輥處(張力給定值為FT1),工藝段速度作為43#、44#和45#爐輥的速度給定,對(duì)于FT1的控制是靠調(diào)節(jié)39#、40#、41#和42#爐輥的速度來(lái)完成的。張力調(diào)節(jié)器的輸入量為FT1的設(shè)定值和張力檢測(cè)值,調(diào)節(jié)器的輸出為爐輥速度給定補(bǔ)償。39#到42#爐輥速度的給定值為43#到45#爐輥速度給定值(即工藝段系統(tǒng)速度)加上張力調(diào)節(jié)器的輸出值。當(dāng)FT1張力的反饋值大于爐區(qū)出口張力設(shè)定值時(shí),經(jīng)張力調(diào)節(jié)器爐輥速度補(bǔ)償量為正,使39#至42#爐輥的速度增加;當(dāng)FT1張力反饋值小于爐區(qū)出口張力設(shè)定值,經(jīng)張力調(diào)節(jié)器爐輥速度補(bǔ)償量為負(fù),使39#至42#爐輥的速度減小,因此對(duì)于爐區(qū)出口張力的控制是通過(guò)調(diào)節(jié)39#至42#爐輥的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。MICROMASTER-440變頻器對(duì)爐輥進(jìn)行閉環(huán)控制。
爐區(qū)出口帶鋼張力控制示意圖如圖5所示,39#至42#爐輥的速度給定為工藝段速度加上速度補(bǔ)償量,速度補(bǔ)償量和張力設(shè)定值與張力反饋值的差值有關(guān),即電機(jī)的速度給定為
電機(jī)速度給定=43#至45#爐輥速度給定+張力調(diào)節(jié)器輸出速度補(bǔ)償量
圖5 爐區(qū)出口張力調(diào)節(jié)示意圖Fig.5 Schematic diagram of export tension regulation in furnace area
該控制系統(tǒng)自從投入現(xiàn)場(chǎng)后,爐區(qū)內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)斷帶和“熱飄曲”的現(xiàn)象,保證了產(chǎn)品質(zhì)量,系統(tǒng)的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能良好。該控制方案具有很強(qiáng)的參考價(jià)值。
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