棒線材連軋中的張力控制

李 杰, 劉 毅， 張艷春

（1.河鋼集團(tuán)鋼研總院， 河北 石家莊 050023； 2.河北鋼建集團(tuán)， 河北 唐山 063000）

棒線材連軋中的張力控制

李 杰1, 劉 毅1， 張艷春2

（1.河鋼集團(tuán)鋼研總院， 河北 石家莊 050023； 2.河北鋼建集團(tuán)， 河北 唐山 063000）

對棒線材生產(chǎn)中的連軋張力進(jìn)行了系統(tǒng)分析，提出張力控制對生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和最終產(chǎn)品的尺寸精度具有重要影響。對影響張力的主要設(shè)備和工藝因素給出了理論分析；提供了實(shí)際應(yīng)用中連軋過程中的張力值的判斷方法和調(diào)整依據(jù)，提出了利用活套套型和速度級聯(lián)變化數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)棒線材連軋過程中的張力精準(zhǔn)控制的解決方案。該方案可直接減少深加工過程中的模具損耗，提高工作效率以及優(yōu)化最終產(chǎn)品質(zhì)量。

棒線材 連軋 張力 活套 尺寸波動

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，棒材和線材產(chǎn)品在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和工業(yè)制造中獲得越來越廣泛的應(yīng)用。棒線材的軋制裝備水平不斷進(jìn)步，產(chǎn)品檔次不斷提升，市場的發(fā)展對棒線產(chǎn)品質(zhì)量的要求也在持續(xù)提高。棒線材產(chǎn)品尺寸精度對下游用戶至關(guān)重要，直接影響深加工過程中的模具損耗、工作效率以及最終產(chǎn)品質(zhì)量。因此要提高棒線產(chǎn)品的尺寸精度以滿足下游用戶的要求，進(jìn)而提高產(chǎn)品的質(zhì)量和競爭力，實(shí)現(xiàn)連軋過程中的張力精確控制是必要條件[1]。

1 棒線生產(chǎn)連軋概述

我國目前裝備的棒線材軋機(jī)絕大多數(shù)為全連續(xù)軋制。棒材軋機(jī)的典型裝備為粗軋機(jī)組、中軋機(jī)組，均布置為六機(jī)架平立交替；精軋機(jī)組布置六架可翻轉(zhuǎn)的平立交替軋機(jī)，多數(shù)為高剛度軋機(jī)。一般中軋機(jī)組和精軋機(jī)組配有5～6個活套。高速線材軋機(jī)的典型裝備為國產(chǎn)摩根五代機(jī)型，引進(jìn)生產(chǎn)線帶有減定徑機(jī)組。預(yù)精軋機(jī)組使用懸臂輥環(huán)式軋機(jī)，精軋機(jī)組為45°頂交軋機(jī)，全線配有6～7個活套。坯料一般采用165或150方坯。張力控制粗中軋機(jī)組一般采用頭部微張力自動檢測控制，高速區(qū)采用活套控制實(shí)現(xiàn)無張力軋制。

2 張力對尺寸波動的影響

張力軋制的直接結(jié)果就是造成產(chǎn)品尺寸在長度方向上不均勻，即頭尾孔型過充滿，尤其是尾部尺寸變大尤為突出。張力對產(chǎn)品尺寸波動的影響實(shí)質(zhì)上是張力對軋件在孔型中寬展的影響。軋件尾部離開上游機(jī)架后即處于無張力狀態(tài)，兩個機(jī)架間距離等長度的軋件張力消失后寬展開始增加，造成尺寸變大。而頭部僅在咬入瞬間處于無張力狀態(tài)，一旦沖擊速降消失，連軋關(guān)系建立則立刻形成張力軋制狀態(tài)，且張力越大，則軋件頭、中、尾三者之間的尺寸差別越大。

3 連軋張力對軋制過程穩(wěn)定的作用

連軋過程中必須保持一定的微張力。在軋制生產(chǎn)中存在大量的不確定干擾因素，張力存在的目的是抵消這些干擾因素，維持軋制過程的順利進(jìn)行。典型的干擾因素有：鋼坯沿長度方向的溫度差異、不同鋼坯之間的溫度差異、鋼坯斷面因連鑄結(jié)晶器磨損引發(fā)的尺寸波動、連鑄坯內(nèi)部組織致密度的差異等，都會造成軋制過程中軋件寬展發(fā)生變化，從而引起連軋常數(shù)的變化，進(jìn)而引起連軋過程的不穩(wěn)定。適當(dāng)大小的連軋張力可以抵消這部分的干擾波動，使軋制過程順利進(jìn)行。

由于棒線材軋制都是橫向和豎向兩個方向交替壓縮變形，適當(dāng)?shù)膹埩Τ善烦叽绲挠绊懣梢栽谙掠蔚臒o張力軋制狀態(tài)中消除（棒材軋機(jī)）或者在高線精軋機(jī)組軋制后控制在最后的尾部3～10 m（1～3圈）之內(nèi)，帶有減定徑機(jī)組的棒線材軋機(jī)則基本消除了一定范圍內(nèi)張力對成品尺寸的影響，從而實(shí)現(xiàn)高精度軋制。

4 張力值的判斷方法

4.1 電流負(fù)荷法

實(shí)踐表明，后張力的存在會升高軋機(jī)的電機(jī)負(fù)荷，前張力會降低軋機(jī)的電機(jī)負(fù)荷。咬入前后的電流值即可判斷張力大小。張力越大則咬鋼前后電機(jī)電流值變化越大。這個變化值不可大于軋機(jī)總電流的8%。一般控制在3%～5%之間比較理想。將此電流變化值通過數(shù)學(xué)模型計算后得到對應(yīng)張力值，進(jìn)行自動的記憶比較，即為頭部微張力控制原理。由于目前條件下準(zhǔn)確的實(shí)時測量連軋時軋機(jī)之間的張力值尚存在困難，頭部微張力的張力值調(diào)整仍然是通過軋機(jī)電流的變化比較來實(shí)現(xiàn)的。

4.2 活套套形判斷法

在棒材和高速線材軋機(jī)中，活套是重要的設(shè)備之一。活套的功能是實(shí)現(xiàn)軋機(jī)之間的無張力或者微恒張力軋制，活套的工作狀態(tài)直接影響到最終產(chǎn)品尺寸的波動和生產(chǎn)過程的穩(wěn)性。

4.2.1 活套形狀分析

1）套形1：堆鋼活套。如圖1所示，活套最高點(diǎn)位于活套橫向中心線向下游軋機(jī)方向。此種套型說明活套高度過高，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，沒有冗余金屬的緩沖余地。

圖1 活套形狀

2）套形2：臨界活套?；钐鬃罡唿c(diǎn)處于中心線中間位置。此種套型活套高度偏高，可以保持無張力穩(wěn)定軋制，冗余金屬緩沖余地偏小。

3）套形3：正?；钐?。活套最高點(diǎn)處于中心線上一架軋機(jī)方向，位于起套輥右方，此為理想套型，處于穩(wěn)定的微恒張力或無張力狀態(tài)，具有一定冗余金屬的緩沖能力。

4）套形4：張力活套?；钐鬃罡唿c(diǎn)處于起套輥正上方，形成一個斜拉三角形活套。此種套型說明活套處于大張力狀態(tài)，形成了拉鋼軋制。張力嚴(yán)重偏大時起套輥高度會下降，即起套輥被張力向下的分力壓制導(dǎo)致起套輥不能升起到位。

4.2.2 首架軋機(jī)的累加調(diào)速值分析

棒線軋機(jī)的首架軋機(jī)在空載與全線帶載軋制時速度的波動值直觀地體現(xiàn)了全線張力的控制情況。軋機(jī)空轉(zhuǎn)時為基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速，全線帶載軋制形成穩(wěn)定的連軋關(guān)系后，軋機(jī)速度在基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速基礎(chǔ)上開始疊加下游機(jī)架的級聯(lián)調(diào)速量。此級聯(lián)調(diào)速量來自兩個方面：采用頭部微張力控制的粗中軋機(jī)組微張力的自動調(diào)節(jié)，帶有活套的高速區(qū)域的活套級聯(lián)調(diào)節(jié)量，最終全部疊加到機(jī)組首架軋機(jī)。如前文所述，若初始速度設(shè)定過于保守，軋機(jī)咬鋼瞬間處于拉鋼軋制狀態(tài)，必然造成活套掃描器對調(diào)節(jié)量干涉過大，每個活套都處于拉鋼軋制的情況下，若粗中軋機(jī)的頭部微張力同時設(shè)定過大，全部的自動聯(lián)調(diào)累加到首架軋機(jī)，這個變化量可能會達(dá)到該架軋機(jī)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速的20%～30%，而理想狀態(tài)應(yīng)該在1%～5%之間，最大不可超過10%，否則必然產(chǎn)生過長的尺寸波動超出可承受范圍，嚴(yán)重時會導(dǎo)致軋制過程不能穩(wěn)定進(jìn)行。因此通過比較首架軋機(jī)上疊加的速度變化量，可以直觀地判斷軋線整體張力的狀態(tài)。

5 張力的調(diào)整方法

保持軋線的軋制過程穩(wěn)定順行和產(chǎn)品尺寸精度必須重視連軋過程的張力處于一個合理的穩(wěn)定范圍內(nèi)。為了達(dá)到精確控制連軋過程中的張力這一目的，必須從以下幾個方面入手。

5.1 電機(jī)傳動特性的優(yōu)化

如圖2所示，時間t為軋機(jī)咬鋼過程。t1階段軋機(jī)降速，在t2階段回升，然后速度穩(wěn)定[2]。Δn為軋機(jī)電機(jī)沖擊降補(bǔ)償后存在的實(shí)際沖擊降速值，應(yīng)該小于電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速的1%，持續(xù)時間應(yīng)小于1 s。如果Δn＞1%或降速時間過長；咬入瞬間的金屬累積量過大，存在咬入堆鋼的危險，為了消除這種危險，必須降低前架軋機(jī)的初始速度，其結(jié)果就是咬入時起套，咬入后拉鋼，然后活套調(diào)節(jié)量偏大。最終造成成品尺寸波動明顯，即頭部大，前半部份偏小，中間正常，尾部偏大。因此，要保證張力狀態(tài)，軋機(jī)電機(jī)的傳動特性必須要優(yōu)化到位，保證軋機(jī)傳動電機(jī)有足夠的剛度。根據(jù)相關(guān)資料，國外先進(jìn)設(shè)備Δn值在速降時間內(nèi)的積分值（圖2中陰影部分面積）<0.25%/s。

圖2 電機(jī)傳動特性

5.2 料型的準(zhǔn)確控制

連軋張力的建立，是靠連軋的秒流量差值實(shí)現(xiàn)的。連軋常數(shù)的變化同時受軋件面積和速度的影響。如果軋件面積和速度同時發(fā)生變化，將為連軋張力的分析和調(diào)整帶來極大困難。因此在進(jìn)行張力調(diào)節(jié)時，必須先保證其中一個條件固定。因此在進(jìn)行張力調(diào)節(jié)時，必須先檢查軋件料型在允許誤差范圍內(nèi)才可進(jìn)行速度調(diào)整，如料型超差必須先規(guī)范料型，然后再進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。

5.3 軋制溫度的穩(wěn)定

連軋張力的建立是由秒流量差異形成的。因此影響軋件橫截面積的因素必然對連軋張力起作用。軋制溫度對寬展有著巨大影響。因此保證連軋過程的張力恒定，軋制溫度的穩(wěn)定是一個重要的前提條件。整根鋼坯的溫度必須保證一致，頭部中間尾部的波動應(yīng)該在30℃以內(nèi)。

5.4 活套高度的準(zhǔn)確設(shè)定

活套的高度設(shè)定必須在一個合理的范圍內(nèi)?；钐自O(shè)定基準(zhǔn)高度過高則會出現(xiàn)圖1所示的套型1，活套設(shè)定高度過低，則會出現(xiàn)活套“反調(diào)”現(xiàn)象，即在出現(xiàn)套型4的情況下，掃描器反饋高度h依然高于設(shè)定高度，此時活套調(diào)節(jié)程序會大幅度降低前架軋機(jī)轉(zhuǎn)速試圖降低活套高度，若起套輥壓力比較小則會將起套輥位置壓低，若起套輥支撐力較大，則會引起張力急劇上升直至張力大于軋件的屈服強(qiáng)度引發(fā)軋件縮徑直至拉斷。

6 結(jié)語

連軋張力對于棒線材的軋制過程有巨大影響；張力影響軋制過程能否持續(xù)穩(wěn)定的進(jìn)行，同時又直接影響最終產(chǎn)品的尺寸精度。過大或過小的張力對連軋過程的穩(wěn)定性和產(chǎn)品尺寸精度的穩(wěn)定性都有著不利的影響。因此在棒線生產(chǎn)中掌握連軋張力的原理和特性，掌握張力判斷和調(diào)整的手段是非常必要的。

[1] 強(qiáng)十涌，喬德庸，李曼云.高速線材軋機(jī)生產(chǎn)：第2版.[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

[2] 朱英韜，張竟祥，楊永立，等.棒材連軋機(jī)架間張力相互影響的研究及應(yīng)用[J].電氣傳動自動化，2003，25（3）：21-23.

（編輯：王瑾）

Tension Control in Continuous Rolling of Rod and Wire

Li Jie1,Liu Yi1,Zhang Yanchun2
（1.Iron and Steel Research Institute of HBIS Group,Shijiazhuang Hebei 050023;2.Hebei Steel Construction Group Co.,Ltd.,Tangshan Hebei 063000）

The tension of continuous rolling in rod and wire production is systematically analyzed.It is proposed that tension control has an important influence on the stability of the process and the dimensional accuracy of the final product.The theoretical analysis is given on the main factors influencing the process and equipment of tension.The judgment method and the adjustment basis in practical application of tension value in rolling process are provided.A solution to realize the precise control of the tension in the process of rod and wire rolling is put forward by using the change data of looper type and speed cascade.The scheme can directly reduce the die loss in the deep processing,improve work efficiency and optimize the quality of final product.

rod and wire,continuous rolling,tension,loop,dimension fluctuation

TG335.6

A

1672-1152（2017）04-0105-02

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.04.39

2017-07-10

李杰（1972—），男，本科，畢業(yè)于河北理工學(xué)院，工程師，現(xiàn)主要從事棒線材軋鋼工藝研究工作。