無芯卷曲技術(shù)在熱連軋帶鋼生產(chǎn)線的研究與應(yīng)用

任瑩 ， 汪定態(tài)， 寧偉

（山東萊蕪鋼鐵集團(tuán)板帶廠，山東，萊蕪，271104）

0 引言

萊鋼1500mm熱軋帶鋼熱卷箱位于粗軋機(jī)后，切頭剪前，對來自粗軋機(jī)的中間坯進(jìn)行無芯軸卷取，然后對卷取后的中間坯帶卷開卷，使其尾部變成頭部，經(jīng)頭部剪切后送入精軋機(jī)。在熱連軋生產(chǎn)線中采用熱卷箱可使中間坯頭尾溫差降到10°C～30°C，并且尾部溫度高于頭部；而且縮短粗軋機(jī)和精軋機(jī)間輥道的長度；降低精軋機(jī)組能耗。

1 熱卷箱工作原理

熱卷箱是一個(gè)中間過程，把鋼材以高速從粗軋機(jī)移送出來，然后，把鋼材以低速開卷到精軋機(jī)里。由于兩個(gè)關(guān)鍵的原理的應(yīng)用---保存溫度以及中間坯有足夠的長度，熱卷箱技術(shù)對帶鋼熱軋生產(chǎn)帶來了革命。卷取過程減少中間坯熱輻射的表面區(qū)域，開卷了的中間坯具有與被卷取時(shí)相同的溫度，因而，就可以在精軋機(jī)里進(jìn)行勻速軋制。這樣減少了在精軋機(jī)里軋制材料所需要的功率，縮短了輸出輥道，并在整個(gè)最終產(chǎn)品的長度上，提供更均質(zhì)的冶金特性。此外，中間坯可以還在粗軋機(jī)里時(shí)，就開始卷取，這樣，與不采用熱卷箱軋制工藝相比，減少了在軋機(jī)中的空間要求和資金費(fèi)用。

1.1 卷心成形過程

如圖1所示，當(dāng)中間坯頭部進(jìn)入入口導(dǎo)槽時(shí)，入口導(dǎo)向輥和護(hù)板將使中間坯產(chǎn)生上彎曲（位置1），下彎曲輥前的護(hù)板將中間坯引向彎曲輥；然后中間坯首先與下彎曲輥接觸（位置2）使其與上彎曲輥接觸后，再與上彎曲輥中間的護(hù)板相接觸（位置3）；進(jìn)而中間坯沿護(hù)板繼續(xù)向前與出口處上彎曲輥相接觸。隨著中間坯頭部通過出口側(cè)彎曲輥，則中間坯將以下彎曲輥為樞軸同時(shí)與入口側(cè)上彎曲輥接觸繼續(xù)前進(jìn)。此時(shí)中間坯完成了頭部彎曲過程。當(dāng)然，圖 1中所述的中間坯頭部與彎曲輥和彎曲輥?zhàn)o(hù)板的接觸點(diǎn)將與彎曲輥輥縫設(shè)定值大小有關(guān)。

圖1 中間坯頭部通過熱卷箱入口導(dǎo)槽和彎曲輥的過程

1.2 帶卷下落前的卷取過程

卷心形成之后，帶卷靠在成形輥和1號托卷輥A輥上繼續(xù)轉(zhuǎn)動。由于托卷輥速度超前于彎曲輥，所以在1號托卷輥上的帶卷將靠在成形輥上。隨著帶卷的形成，此超前速度在帶卷和彎曲輥間的中間坯上所產(chǎn)生的后張力將會使帶卷卷的較緊。

隨著帶卷體積的增大，其重心將后移并超過1號托卷輥A輥中心。此時(shí)帶坯上的后張力可使帶卷卷緊以及與成形輥相接觸。

隨著帶卷直徑的增加，離開彎曲輥的帶坯勢必形成反向彎曲。反向彎曲會給帶卷附加新的后張力使卷取難度增加。為此，隨著帶卷直徑的增加，逐漸加大彎曲輥輥縫以避免反向彎曲。

1.3 帶卷下落過程

熱卷箱設(shè)計(jì)容許卷取中的帶卷移到較低卷取位置，以便能夠卷取大尺寸的帶卷。卷取中的帶卷移動稱作為帶卷下落。帶卷下落可采用速度控制或三輥接觸來實(shí)現(xiàn)。熱卷箱是采用三輥接觸來實(shí)現(xiàn)帶卷下落的。

三輥接觸卷取是一種新方式，通過使卷取中的帶卷與成型輥相接觸來建立最穩(wěn)定的卷取條件，保證完成整個(gè)卷取過程。當(dāng)卷取中的帶卷的尺寸增大到其外表面與1號托卷輥B輥相接觸時(shí)，根據(jù)帶卷直徑的計(jì)算值，1號托卷輥逐漸下降以配合帶卷尺寸的增加。在此過程中，帶卷移動是緩慢的，所以彎曲輥和托卷輥之間的速度關(guān)系并沒有變化，仍保持恒后張力。

上述1號托卷輥下降過程一直持續(xù)到中間坯尾部接近熱卷箱為止。當(dāng)然中間坯尾部接近熱卷箱的時(shí)刻取決于中間坯長度。在中間坯尾部定位順序控制中，將取消1號托卷輥的超前速度，以便平穩(wěn)地將1號托卷輥和帶卷移到開卷位置。1號托卷輥從任意位置下降到最低位置所需的時(shí)間必須滿足實(shí)際要求，同時(shí)不得影響后序動作。

三輥接觸卷取也應(yīng)保證在卷取過程中成型輥向前移動。因此，1號托卷輥應(yīng)以額定速度下降，成型輥隨動迫使帶卷逐漸下落。隨著帶卷直徑的增加，成型輥逐漸向前移動，最后到達(dá)初始位置。

1.4 開卷和放卷過程

當(dāng)帶卷卷取過程快結(jié)束時(shí)，應(yīng)向熱卷箱站電氣傳動設(shè)備發(fā)出停車命令。停車命令的發(fā)出時(shí)刻是由卷取速度、減速率、帶卷直徑、帶坯尾部與圖2中所示的尾部定位間的距離所決定的。較好的尾部定位能保證開卷順利。

圖2 中間坯尾部定位

帶卷尾部定位命令也可用于上抬彎曲輥，以確定中間坯尾部不彎曲直接通過。

開卷后，開卷臂應(yīng)一直保持開卷位置上，直至中間坯頭部進(jìn)入F1精軋機(jī)后開卷臂才上抬。以此保證開卷后仍在1號托卷輥上的帶卷其位置不變。

開卷臂抬起之后，帶卷傳動臂可將帶卷從1號托卷輥傳送到2號托卷輥，使熱卷箱卷取站準(zhǔn)備卷取下塊中間坯。

帶卷傳送之前，傳送臂心軸應(yīng)插入帶卷。但何時(shí)插入傳送臂心軸可根據(jù)帶卷尺寸大小和定時(shí)要求來確定。

傳送臂應(yīng)有定位控制功能，隨動于帶卷中心的變化，除帶卷傳送過程和放卷結(jié)束時(shí)其尾部與心軸相碰外，均應(yīng)保證傳送臂心軸與帶卷內(nèi)壁有一定的空隙。放卷結(jié)束時(shí)，中間坯尾部與傳送臂心軸相碰功能將除去其尾部的圓弧，待通過夾送輥時(shí)可進(jìn)一步平整，使飛剪尾部剪切效果更佳。

2 熱卷箱控制功能

熱卷箱可在自動、手動及模擬軋鋼3種運(yùn)行模式工作。此外，生產(chǎn)過程中應(yīng)防止干擾，儀表失靈和單個(gè)動作的操作控制都可以導(dǎo)致機(jī)械故障。在全部的位置控制回路里，都必須有事故保險(xiǎn)裝置，必須能夠在所有的運(yùn)行方模式下發(fā)生作用。任何時(shí)候都要求在控制機(jī)構(gòu)內(nèi)有機(jī)械聯(lián)鎖，以在出現(xiàn)機(jī)械故障時(shí)，防止損壞。這些機(jī)械聯(lián)鎖裝置必須在任何運(yùn)行模式下發(fā)生作用。

2.1 自動運(yùn)行

自動運(yùn)行是處理中間坯移送的普通模式。熱卷箱控制程序協(xié)調(diào)全部的自動卷取及開卷順序。熱卷箱控制器用速度、位置、方向和時(shí)間測量來跟蹤中間坯的移送，用HMD信號來檢測中間坯的頭部及尾部。為熱卷箱的定序，持續(xù)計(jì)算帶卷直徑?？刂破髟O(shè)定值可通過人機(jī)界面（HMI）上設(shè)定或接收L2級的設(shè)定。

2.2 人工干預(yù)

人工干預(yù)是自動模式的擴(kuò)展，它可以允許操作者調(diào)節(jié)或中斷程序，并在該模式激活時(shí)，用操作臺按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)等調(diào)整熱卷箱各設(shè)備的位置。當(dāng)粗軋機(jī)和精軋機(jī)空的時(shí)候，速度控制器允許操作者傳送帶卷和板材，然后，在特定的點(diǎn)上，恢復(fù)自動速度控制。熱卷箱的每個(gè)部分的位置控制運(yùn)算法則必須接受操作臺直接手動的調(diào)節(jié)，而不影響自動順序。調(diào)節(jié)的范圍是有限度的，只適用于當(dāng)前的帶卷或者只在下一次自動位置調(diào)節(jié)要求之前才適用。如有必要，在人機(jī)界面屏上，對正在運(yùn)行的帶卷的位置調(diào)節(jié)器偏移量作永久修正。

2.3 手動運(yùn)行

手動運(yùn)行模式用在停機(jī)時(shí)、維修檢查時(shí)和緊急情況下。操作者能夠通過操作臺控制各設(shè)備動作。

2.4 模擬運(yùn)行

熱卷箱模擬運(yùn)行是用于軟件開發(fā)的一種輔助運(yùn)行模式：培訓(xùn)操作者和檢查準(zhǔn)備就緒情況。模擬卷取及開卷運(yùn)行時(shí)熱卷箱要求的外部信號，這樣，熱卷箱可以不帶運(yùn)送的板材進(jìn)行運(yùn)行。所有熱卷箱操作控制裝置在模擬期間具有完全的功能，操作者完全能夠進(jìn)行干預(yù)。

熱卷箱模擬功能作為設(shè)備的單機(jī)模擬，從熱卷箱的輸入輥道到第一個(gè)精軋機(jī)架，或者作為整個(gè)軋機(jī)模擬的一部分。要模擬的中間坯參數(shù)在整個(gè)軋機(jī)模擬過程中，由L2提供，或者由操作者通過人機(jī)界面為單機(jī)模擬輸入這些參數(shù)。可能將由熱卷箱處理的任何中間坯可以與一個(gè)生產(chǎn)計(jì)劃相似，被單獨(dú)模擬，或者被成組模擬。

2.5 計(jì)算帶卷直徑和帶卷單位重量

下列公式用于計(jì)算帶卷直徑（mm）

帶卷直徑（mm）=SQRT（（1+%空氣）*l*h）/（π/4）+D孔2）

l:長度（mm）計(jì)算自1號托輥測速儀，

h:厚度（mm）是中間坯的厚度，

%空氣:帶卷圈之間的縫隙（默認(rèn)3%，在人機(jī)界面設(shè)置屏里可調(diào)節(jié)）。

D孔（mm）:假設(shè)的帶卷圓孔直徑，默認(rèn)值是650mm（在控制器中可調(diào)節(jié)）。

單位帶卷重量（kg/mm）與帶卷直徑（mm）有關(guān)，

帶卷單位重量（kg/mm）=（π/4）（鋼材比重）（D外2 - D孔2）/（1+%空氣）

鋼材比重（kg/mm3）：默認(rèn)值是7.85X10-6 kg/mm3。

D孔（mm）：假設(shè)的帶卷圓孔直徑，默認(rèn)值650mm（在CPU可調(diào)節(jié)）。

D外（mm）：當(dāng)前帶卷孔外徑。

2.6 卷取速度主控參考值（CMSR）

圖3 熱卷箱卷取速度模式

CMSR提供的是粗軋機(jī)、輥道和貫穿在卷取運(yùn)行里的熱卷箱卷取傳動裝置的速度參考值。圖3所示的是各個(gè)跟蹤點(diǎn)定義的速度模式。各個(gè)傳動裝置的速度參考值得自CMSR，并可以按要求，用可調(diào)節(jié)的先行和滯后速度+鋼坯曲率補(bǔ)償進(jìn)行修改。CMSR速度被定義為中間坯在彎曲輥內(nèi)的厚度中間值，為了與之相適應(yīng)，研究出下面的速度參考公式。

2.6.1 粗軋機(jī)和延時(shí)輥道速度參考

長的中間坯的頭部開始在熱卷箱里卷取，此時(shí)，中間坯的尾部還在粗軋機(jī)里。這就生成了“粗軋機(jī)—熱卷箱”的“連軋—連卷”串聯(lián)運(yùn)行，在鋼坯的尾部離開粗軋機(jī)之前，粗軋機(jī)與熱卷箱的速度級聯(lián)一直發(fā)生作用。當(dāng)中間坯的頭部到達(dá)HMD1時(shí)，CMSR就提供粗軋機(jī)速度參考值（RSR）。在串聯(lián)時(shí)，CSMR根據(jù)粗軋機(jī)速度反饋，來保證可靠的運(yùn)行，并在串聯(lián)結(jié)束時(shí)，消除速度的不穩(wěn)定現(xiàn)象。在串聯(lián)運(yùn)行期間，

RSR=CMSR*（1.00-（RFS+TLS+CLS）/100）

RFS：粗軋機(jī)前滑，用粗軋機(jī)控制計(jì)算（%）、

TLS：輥道相對于粗軋機(jī)的先行速度（%）

CLS：熱卷箱相對于輥道的先行速度。

當(dāng)中間坯太短而形成不了串聯(lián)運(yùn)行時(shí)，粗軋機(jī)則不受CMSR的影響。

2.6.2 輥道和熱卷箱入口速度參考值

輥道和熱卷箱入口輥用得自CMSR的輥道速度參考值（TSR）一起工作。當(dāng)尾部接近熱卷箱時(shí)，輥道段根據(jù)跟蹤信息，不再按CMSR執(zhí)行。

TSR=CMSR*（1.00-CLS/100）

2.6.3 底部彎曲輥速度參考值

底部彎曲輥速度參考值（BBRSR）按照下面的公式，補(bǔ)償在彎曲輥里的鋼坯曲率和鋼坯厚度：

BBRSR=CMSR*（1.00–中間坯厚度/（2*R））

這里，R是彎曲輥里的鋼坯曲率半徑。

2*R的值是一個(gè)在設(shè)置卷取時(shí)可調(diào)的常數(shù)。在輸出彎曲輥開始提升時(shí)，帶卷直徑用作2*R。

2.6.4 頂部彎曲輥速度參考值

頂部彎曲輥速度參考值（TBRSR）按照下面的公式，補(bǔ)償在彎曲輥里的鋼坯曲率和鋼坯厚度：

TBRSR=CMSR*（1.00+ 中間坯厚度 /（2*R））。

2.6.5 號托輥速度參考值

1號托輥速度參考值（CR1SR）按照下面的公式，補(bǔ)償離開彎曲輥的鋼坯的曲率和鋼坯厚度：

CR1SR=CMSR*（1.00+中間坯厚度 /（2*R））*（1.00+CR1LS/100）

CR1LS：1號托輥的先行速度（%）。

3 結(jié)論

該熱卷箱控制系統(tǒng)采用先進(jìn)無芯卷曲先進(jìn)技術(shù),穩(wěn)定可靠,實(shí)時(shí)性強(qiáng).系統(tǒng)投運(yùn)半年以來，取得良好的控制效果，自動化高，創(chuàng)造了很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益,具有極高的推廣價(jià)值。

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