王天順，劉 蓉，柴佐華

(1.上海梅山鋼鐵股份有限公司冷軋廠，江蘇 南京210039;2.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710018;3.中冶陜壓重工設(shè)備有限公司，陜西 西安 710119)

0 前言

馬口鐵是厚度0.1～0.5 mm的冷軋低碳鋼薄板[1-6]，鍍錫后的馬口鐵對空氣、水、水蒸氣、特別是食品、果酸等有較高的耐腐蝕能力，以及其無毒和很好的可深沖性，使得馬口鐵廣泛應(yīng)用于制作各種罐頭食品的包裝盒。馬口鐵對其退火后的鋼卷質(zhì)量有非常高的要求，特別是T2～T5級鍍錫板和DI罐用鍍錫板，對其來料的卷形、錯層、內(nèi)圈質(zhì)量以及層間張力都要求非常高[7]。

常見的馬口鐵連續(xù)退火機組出口使用助卷皮帶包裹的方式自動助卷帶鋼進(jìn)入卷取機，助卷過程中助卷皮帶的張力保持恒定[8-9]，通過PLC程序和傳動參數(shù)控制卷取機卷筒的線速度和帶鋼速度同步，這種方案能夠成功的把帶鋼助卷到卷取機的套筒上。但是由于帶鋼與套筒之間以及帶鋼內(nèi)圈之間摩擦系數(shù)非常小，助卷過程很容易產(chǎn)生打滑的現(xiàn)象[10-15]，同時隨著進(jìn)入角度的變大帶鋼與卷取機上套筒的摩擦力也變大，那么相同的皮帶張力施加給帶鋼上的張力是一個不可控的變化值，這種變化給卷取內(nèi)圈帶來了錯層和溢出的缺陷，大大降低了帶鋼的合格率。

1 傳統(tǒng)的馬口鐵連退機組出口卷取工藝流程

出口段卷取的工藝布局如圖1所示[16-17]，出口轉(zhuǎn)向輥擺動伸縮導(dǎo)板起輔助導(dǎo)向帶鋼穿帶作用，助卷皮帶包裹卷取機上的套筒輔助實現(xiàn)帶鋼卷取。

傳統(tǒng)的出口卷取方案步驟：

(1)將套筒放置在卷取機卷筒上，卷取機軸頭支撐抬起。

(2)出口轉(zhuǎn)向輥擺動伸縮導(dǎo)板擺起、伸出。

(3)助卷器大臂進(jìn)入。

(4)助卷器小臂抱緊并包裹卷筒，助卷皮帶加載張力。

(5)機組聯(lián)動，出口轉(zhuǎn)向輥夾送帶鋼經(jīng)由擺動伸縮導(dǎo)板進(jìn)入助卷皮帶與套筒之間。

(6)機組繼續(xù)聯(lián)動，卷取2～3圈。

(7)出口轉(zhuǎn)向夾送輥打開，伸縮擺動導(dǎo)板縮回，助卷器小臂打開同時大臂退回原位，機組出口段繼續(xù)聯(lián)動生產(chǎn)。

圖1 出口段卷取的工藝布局

2 傳統(tǒng)的馬口鐵連退機組出口卷取控制方案

在控制方案上，助卷皮帶采用恒張(拉)力控制，卷取機控制分為兩種[18]。一種是速度控制模式，同時設(shè)置電流和扭矩限幅。帶頭進(jìn)入助卷皮帶之前卷取機采用純速度控制模式，給定線速度同機組穿帶線速度相同，當(dāng)帶頭進(jìn)入助卷器后卷取機增加一個速度的激勵值，同時對卷取機電流和扭矩進(jìn)行限幅。另一種是轉(zhuǎn)矩控制模式，帶頭進(jìn)入助卷器之前和之后，卷取機都采用電流和力矩限幅的工作模式。

卷取機控制的兩種工作模式中，第一種模式的缺陷是：卷取機在助卷過程中需要進(jìn)行工作模式切換，而且工作模式由速度模式切換成扭矩模式后，施加給帶材上的實際張力變化非常大，這種變化直接影響了內(nèi)圈帶鋼的卷取質(zhì)量。第二種模式的缺陷是：帶頭進(jìn)入助卷器之前卷取機反饋扭矩根本達(dá)不到限幅扭矩，帶頭進(jìn)入助卷器后一兩圈卷取機實際扭矩在不停變化，增加了帶頭內(nèi)圈打滑的風(fēng)險，內(nèi)圈打滑也會直接帶來內(nèi)圈質(zhì)量缺陷。

3 皮帶助卷器對帶鋼的力能分析以及對帶鋼進(jìn)入卷取機的作用

助卷皮帶的皮帶張緊力由張緊油缸提供，用于在助卷時將皮帶張緊，這種張緊力在助卷過程中施加給帶鋼，從而使帶鋼緊緊的纏繞在卷筒的套筒上[19-20]。

帶材在剛進(jìn)入助卷器階段，皮帶施加給帶鋼的帶頭部分一個壓力，該壓力的一部分用于帶鋼頭部產(chǎn)生彈塑性形變，另一部分通過帶材傳遞施加給套筒一個正壓力，該正壓力進(jìn)而轉(zhuǎn)化為摩擦力，幫助帶鋼在套筒上纏繞。如圖2所示，F(xiàn)1為皮帶施加給帶鋼頭部的一個壓力，該壓力部分通過帶鋼傳遞給套筒，F(xiàn)2為套筒施加給帶鋼一個作用力，這個作用力和帶鋼施加給套筒的正壓力是一組平衡力。F3為F2轉(zhuǎn)換的摩擦力。

圖2 帶材帶頭進(jìn)入卷取機的受力分析

隨著帶材繼續(xù)運行進(jìn)入助卷器，帶材在卷筒上的纏繞面積越來越大，皮帶施加給套筒的正壓力也越來越大。此時帶鋼的受力由兩部分組成，一部分是卷取機通過套筒施加給帶材上表面的正向摩擦系數(shù)，一部分是皮帶施加給帶材下表面正壓力轉(zhuǎn)換的反向摩擦系數(shù)。

圖3 帶材繼續(xù)進(jìn)入卷取機的受力分析

常規(guī)模式下，皮帶給帶材施加的正壓力是一個恒定值。卷取機輸出的扭矩，一部分通過套筒施加給帶材產(chǎn)生摩擦力，一部分帶動皮帶旋轉(zhuǎn)被皮帶消耗掉。而隨著卷取進(jìn)程的進(jìn)行，最終施加給帶鋼上的張力是一個變化值。正是這個變化值讓整個帶鋼在帶頭的卷取過程不穩(wěn)定，從而產(chǎn)生內(nèi)圈松卷和溢出的質(zhì)量缺陷。

4 助卷皮帶變張力配合卷取機變頻器恒扭矩輸出的方法

在助卷過程中根據(jù)卷取機變頻器和卷取機電機測速編碼器反饋的信息，適時的調(diào)整皮帶助卷器的助卷力，使得帶鋼受到的張力恒定，從而使得整個助卷過程的系統(tǒng)控制穩(wěn)定性得到提高。通過助卷力的調(diào)整解決卷取內(nèi)圈松卷和溢出的問題。具體方法：

(1)帶頭進(jìn)入助卷器之前，卷取機給定速度為帶材聯(lián)動穿帶速度疊加速度激勵值(一般為穿帶速度的5%左右)，對卷取機變頻器進(jìn)行電流和扭矩限幅，限幅值一般為正常生產(chǎn)張力的60%左右，皮帶助卷器控制皮帶張緊油缸張緊力100%設(shè)計張力。這時卷取機變頻器反饋的電流值、扭矩值以及卷取機編碼器反饋的轉(zhuǎn)速值都是恒定的。

(2)通過帶頭位置測量編碼器檢測帶頭從進(jìn)入助卷器開始，直到纏繞一圈，繼續(xù)對卷取機實時反饋電流和扭矩以及卷取機電機編碼器反饋轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)卷取機反饋電流增大至限幅值的50%時候，或者卷取機電機編碼器反饋的轉(zhuǎn)速開始下降并開始消耗速度激勵值以后，以梯度減少形式對助卷器皮帶的張力設(shè)定值進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)卷取機反饋扭矩增大至限幅80%以后，或者卷取機電機反饋的速度已經(jīng)完全消耗掉速度激勵以后，迅速調(diào)整卷取機力矩限幅值至100%，調(diào)整聯(lián)動穿帶速度疊加速度激勵值為10%，并且助卷器皮帶的張力設(shè)定值為0。

(3)通過帶頭位置測量編碼器檢測帶頭在卷取機套筒上卷取的長度超過1.5圈以后，助卷器發(fā)出助卷完成指令。機組進(jìn)入正常聯(lián)動生產(chǎn)。

經(jīng)過梅山鋼鐵冷軋廠連續(xù)退火機組現(xiàn)場實際測試，結(jié)合實時數(shù)據(jù)測量分析軟件PDA，對比卷取機力矩、速度的給定和反饋，得到卷取機扭矩和速度曲線的測量曲線如圖4所示的。卷取內(nèi)圈的現(xiàn)場照片如圖5所示。

圖4 卷取機扭矩和速度曲線

圖5 卷取內(nèi)圈的現(xiàn)場照片

通過PDA曲線和現(xiàn)場實際應(yīng)用情況對比，充分驗證了該種方法的有效性，該方法的優(yōu)勢是通過調(diào)整助卷皮帶的張力，使得助卷過程中卷取機施加給帶鋼上的最終張力能夠保持相對恒定和穩(wěn)定。

這種卷取過程中前幾圈施加給帶鋼的張力穩(wěn)定正是解決內(nèi)圈松卷和溢出的主要原因。也只有前幾圈質(zhì)量的保證，才能很好的保證更多內(nèi)圈的卷形。同時，該方法大大提高了助卷的效率，通過張力曲線可以看出加張完成時機從原來的2圈多降至現(xiàn)在的1.2圈。

5 結(jié)束語

本文提出的依靠助卷皮帶變張力配合卷取機變頻器恒扭矩輸出的方法，通過檢測卷取機變頻器電流和扭矩的變化值，以及監(jiān)控帶頭進(jìn)入助卷器的長度，適時的梯度調(diào)整助卷皮帶的張力，使得助卷過程中皮帶和卷取機施加給帶鋼的合力保持穩(wěn)定。該方法成功地解決了卷取內(nèi)圈的松卷和溢出缺陷，也提高了助卷過程中的加張效率，使得加張時機從2圈多減少至1.2圈。同時，該方法也能緩解卷取內(nèi)圈打滑的問題。