卷形优化控制

热轧板带生产线的产品通常成卷交付用户, 卷形是热轧产品外形质量考核的重要指标, 不良卷形会给生产运输和后续工序带来诸多问题。在生产线的步进梁上, 严重的塔形造成钢卷对中困难和重心偏离, 易导致步进梁运输过程中的翻卷事故; 在吊运过程中, 内圈及外圈的塔形为夹具的吊运带来不便,轻则钢卷边损( 夹具刮伤突出的带钢边部) , 重则夹具无法正常夹取( 突出的带钢边部使夹具无法接触钢卷内圈) 。对于冷轧用户来说, 特别是酸轧机组,塔形将造成开卷过程中的对中困难, 甚至需将钢卷的塔形部分处理后才能正常上机生产。常见的钢卷卷形问题有塔形、松卷、扁卷, 以塔形卷为主, 钢卷的塔形成因较多, 只有了解钢卷的卷取过程和塔形的成因, 才能从根本上解决问题。此外, 在功能考核后热轧生产也出现过几类卷取故障, 有些故障频繁发生, 影响了卷取稳定性, 甚至造成了废钢事故。通过对卷取过程的分析以及卷取区域的操作、电气、模型之间的多方交流, 使问题最终得以解决。

1 卷取过程分析

1. 1 卷取区域的主要设备及控制项

在卷取区域, 主要机械设备有输出辊道、侧导板、夹送辊、助卷辊、卷筒等, 这些设

备均由卷取机设定模型( 简称CSU ) 或L 1 设定其控制参数, 其相应的控制项目见表1。

1. 2 带钢卷取过程中的主要控制内容

1. 2. 1 卷取的超前率及滞后率

带钢头部出F7 后即进入输出辊道, 此时输出辊道以超出F7 轧制速度一定比例( 该

比例值以百分数表示, 即为辊道超前率) 的超前速度转动, 超前速度可使带钢头部的各段之间建立微弱的张力, 对带钢的前进起很好的引导作用, 尤其是对于较薄的带钢,以超前速度转动的辊道可避免带钢在辊道上折叠或堆套。输出辊道两侧为固定导板, 带钢在输出辊道

上运动中, 两侧处于无约束状态, 超前速度的引导作用可改善带钢在输出辊道上的对中状态。

在带钢进入卷取机前, 卷取机的夹送辊、助卷辊、卷筒均以一定的超前速度转动, 使

带钢头部在运动到夹送辊和助卷辊位置时仍保持一定的张力, 从而有利于带钢头部的顺利卷取, 其中卷筒的速度超前控制状况见图1。

当夹送辊之后的激光检测仪发出ON 的信号后, 经一定的延时, 卷筒的速度由超前

速度控制切换为张力控制, 当带钢尾部离开F2 时夹送辊即开始速度滞后控制, 将卷筒与F7 之间的张力逐渐切换到卷筒与夹送辊之间, 从而保证一定的卷取张力和卷取的稳定性, 直至卷取完毕。夹送辊的速度控制状况见图2。

带钢尾部离开F7 后, 卷筒即以较大的减速度开始减速, 而惯性仍会使尾部的带钢以较高的速度向前运动, 同时也因带钢尾部在离开F7 后的张力消失而存在前冲的趋势,

故对此时的输出辊道采用了滞后速度控制: 即输出辊道以相对于卷筒速度稍低的速度转动, 从而通过辊道与带钢之间的摩擦力拖住带尾, 确保尾部卷取的稳定性。根据当前带钢的钢种和规格, 上述速度的超前和滞后率源于卷取模型的层别数据。

1. 2. 2 卷取机入口侧导板开口度控制

卷取机入口侧导板在卷取过程中对带钢起导向作用, 恰当的侧导板开口度控制可避

免带钢在卷取入口处左右游动, 同时又保证带钢与侧导板之间有一定的间距, 避免侧导板

擦伤带钢边部。在带钢进入侧导板区域前, 带钢头部两侧处于无约束状态, 同时带钢头部也可能存在一定的镰刀弯或跑偏, 因此侧导板开口不可能设置得太小,但带钢头部是否能以对中的状态进入夹送辊, 将对带钢内圈的卷形起着极为重要的作用, 为解决

这一问题, 在带钢导入夹送辊的过程中使用2 级短行程控制。

在F2 咬钢时即开始侧导板开度的初始设置。其开度为: 带钢宽度+ 余量( D) + 第1

短行程量( A)+ 第2 短行程量( B) ; 在理论上当带钢头部刚进入侧导板区域后1 次短行程立即执行, 两侧侧导板同时向内闭合A / 2, 对带钢头部进行第1 次导向; 在带钢头部快要进入夹送辊前, 执行第2 次短行程, 两侧侧导板同时向内闭合B/ 2, 对带钢头部进行第2

次导向。通过2 级短行程控制, 即可保证带钢头部以较好的对中状态进入夹送辊。

当带钢进入夹送辊并经一定的延时后, 侧导板进入动态纠偏控制状态。在这种状态下,

侧导板开口度将根据卷取入口宽度计的测量值进行动态调整: 当卷取入口宽度计无故障时

动态纠偏控制有效;宽度计有故障时, 动态纠偏控制中断, 侧导板移动到动态纠偏控制开始位置。同时, 操作者通过观察工业电视( 简称IT V ) 也可对侧导板的开口度进行干预, 在动态纠偏的基础上对侧导板开口度进行人工修正。2 级短行程控制见图3。

在生产中2 级短行程的量可在操作画面上修改, 侧导板余量( D) 来自于卷取模型的

层别数据, 对于不同的钢种和规格可设置不同的值。

1. 2. 3 卷取的张力控制

热轧钢卷的卷取松紧度也要满足一定的要求。其卷取得太紧则需较大的卷取张力, 张

力过大会拉伸带钢而影响性能; 卷取得太松又会产生扁卷, 同时也会引起冷轧用户在开卷过程中的层间错动, 而造成开卷张力的急剧波动和钢卷层与层之间的擦伤;恰当的卷取张力

对于卷取稳定性和良好的卷形具有重要意义。为此, 在卷取过程中采用了张力控制。

当带钢头部缠绕在卷筒上若干圈数后, 卷筒与精轧F7 之间建立一定的张力。对于卷筒来说, 其缠绕扭矩是张力扭矩、弯头扭矩和加速度扭矩的叠加,带钢对卷筒张力矩要与卷筒缠绕扭矩保持动态平衡。

对于碳钢来说, 当卷筒与F7 之间建立张力后,该张力即保持恒定( 称为单位张力或

设定张力) , 当带钢尾部离开F2 时卷筒开始减小张力, 直至带钢尾部离开F5, 从而使带钢以较小的张力抛钢( 称为最小张力) , 避免抛钢后带钢张力的突变。其张力控制模式见图4。

对于不锈钢来说, 由于自身较高的硬度和强度,则其随卷径的增加带钢卷取所需的缠

绕力矩也发生较大变化。为此, F7 与卷筒之间采用了逐级变化的张力控制模式, 在这种张力控制下, 随钢卷卷取直径的增加卷取张力逐渐降低, 见图5。

1. 2. 4 卷取机的夹送辊控制

为保证卷取的稳定和良好的卷形, 在卷取过程中卷取机夹送辊采用具有针对性的控制方式。夹送辊的辊缝控制方式分为位置控制方式( 简称OPC )和压力控制方式( 简称PMC ) 。在带钢咬入夹送辊前, 辊缝采用位置控制, 辊缝值为模型设定值; 当带钢头部在卷筒上缠绕若干圈并发生Load ON 信号时, 夹送辊辊缝控制将从位置控制切换到压力

控制,即使带钢厚度产生一定的波动, 这种控制方式仍能保证稳定的控制压力和两侧的压力平衡; 带钢尾部离开夹送辊后, 夹送辊的位置控制立即切换回辊缝控制。在生产过程中, 操作者也可在操作台上对夹送辊压力进行微调, 尤其是两侧的压力平衡, 这一功能对带钢尾部的卷形具有一定的改善能力。夹送辊的设定压力由卷取模型负责计算。

1. 2. 5 卷取机的助卷辊控制

在带钢刚刚缠绕卷筒的几圈中, 由于助卷辊紧紧压靠在带钢外圈, 故当带钢头部转

动到助卷辊位置时将会在其外圈的带钢上产生压痕。为此, 卷取机的助卷辊采用了液压自动踏步控制( 简称液压AJC) : 当带钢头部将要转动到助卷辊位置时助卷辊立刻跳开; 带钢头部经过后助卷辊再重新压上。A时刻表示带钢头部尚未进入助卷辊; B 时刻表示其已进入助卷辊, 助卷辊跳开; C 时刻表示其已过助卷辊, 见图6。

AJC 控制中的跳动量及跳动时刻由L 1 计算, 跳动次数根据钢种和规格来自CSU 模型

的层别数据。助卷辊的辊缝控制分位置控制方式和压力控制方式。在带钢进入助卷辊前, 助卷辊为位置控制, 使用卷取模型设定的辊缝值作为初始辊缝; 带钢在卷筒上缠绕一定圈数后, 助卷辊辊缝控制切换为压力控制。

1. 2. 6 卷筒的涨缩控制

在正常卷取过程中, 为保证钢卷内圈和卷筒之间相对位置的固定以及卷取结束后的

顺利卸卷, 卷筒直径可分为收缩、扩张和充分扩张3 个等级。在卷取机处于待机状态时, 卷筒直径处于扩张位置; 带钢头部在卷筒上缠绕几圈后, 卷筒扩张到充分扩张的位置, 并持续到卷取结束; 卸卷时卷筒直径从充分扩张位置变化到收缩位置; 卸卷完成后卷筒直径又恢复到待机状态下的扩张位置。卷筒的涨缩位置及控制时间由L 1 计算。

2 卷形不良成因分析

在带钢长度方向上可分3 段进行分析: 第1 段为带钢头部, 包括从夹送辊咬钢到建

立稳定卷取张力的时间内卷取的带钢, 长度约20 m。在这段时间内卷取尚未达到稳定状态, 带钢虽在咬入夹送辊前通过2 次短行程控制已达到较好的对中状态, 但其在咬入夹送辊后向助卷辊运动中头部两侧处于无约束状态, 头部的" 镰刀弯" 仍会引发卷取的不对中现象; 同时, 由于有时带钢头部形状的左右不完全对称会导致带钢咬入助卷辊初期的两侧不均匀受力, 从而引起第1 圈缠绕位置的不对中, 产生一定的内塔形。另外, 助卷辊与卷筒的平行度不良时也将引发带钢头部的不均匀受力, 从而产生内塔形。

第2 段为卷筒与F7 之间建立稳定卷取张力后到带钢尾部离开F7 的时间内卷取的带

钢。在这段时间内, 卷筒与F7 建立了稳定的卷取张力, 同时侧导板处于动态纠偏的控制状态, 即使在侧导板开口度偏大或偏小情况下, 通过ITV 的监视也可及时修正。因此, 第2 段的控制相对较为简单, 此时引起的钢卷塔形或面包卷也较少。

第3 段为带尾离开F7 开始到全部卷取的时间内卷取的带钢, 其长度等于F7 到卷筒

之间的距离,约为120 m。在这段卷取过程中, 带钢张力急剧减小, 任何的板形不良都将明显地表现出来, 并直接影响到卷形而形成外塔形。在实际生产中, 外塔形产生几率较高, 塔形量也较大。在板形控制不够理想时, 控制合适的带钢张力与夹送辊压力之比对控制外塔形的效果较为明显。操作者也可根据经验和IT V 的观察情况, 通过微调夹送辊单侧的压力来适当改善外塔形。

3 卷取的部分典型故障分析

在功能考核结束后, 最初卷取区发生几类故障,有的故障频繁发生: 卷取机入口处多

次尾部断带, 故障初期怀疑为设备的误动作或张力过大所致, 但设备方对L1 控制逻辑及程序的分析却未发现问题的线索, 卷取模型检查张力的设定和实绩值也均在安全范围内, 且此后发生的此类故障也集中于某钢种的某一规格, 故设备及电气原因基本排除。现场观察到断带处的带钢形貌特征为断口整齐, 且断口附近有叠板痕迹, 由此推断为卷取机夹送辊双

层进钢后叠板部分被突然拉开而造成"一折一拉"并引起带钢断裂。基本确定尾部断带的直接原因后, 摸索并调整了速度及张力数据, 3 个月以来未再发生此类故障。

在轧制某钢种的多个较薄规格出现了尾部卷取不稳定的现象, 即带钢尾部离开F7 后在卷取机入口处出现起浪现象, 浪形较高时能冲击到卷取入口的上导板, 并存在双层

进钢及堆钢的危险。为此, 通过模型来调整相关的超前率、滞后率和张力, 但问题未能得到彻底解决。在现场长期观察中发现, 在带尾离开F7 的一瞬间听到一声张力消失时的闷响, 却未起浪, 直到带钢尾部到达输出辊道的中间位置时才出现浪形, 部分带钢也飘离输出辊道一定高度, 显然靠辊道与带钢之间的摩擦力无法解决这一问题。由此推断该问题为急剧减速所造成的"刹不住车"的现象, 并调整了相关的数据, 2 个多月以来未再发生此类故障。

另外, 卷取区域出现的尾部松卷、夹送辊频繁跳电等故障, 通过卷取区域的操作、电气、模型之间的交流和分析, 基本得到解决。

4 结语

卷取作为2250 mm 热轧主轧线的最后工序, 卷形是该区域最重要的控制指标, 不良卷

形不但影响到运输及增大平整线的生产压力, 且增加了生产成本和影响了产品的成材率。不良卷形的成因虽涉及到板坯和中间坯的镰刀弯、精轧出口带钢的跑偏、带钢的浪形, 卷取区域各辊间的平行度、卷取模型的各种控制参数设定不合理等多种因素, 但只要掌握卷取过程中各控制细节, 加强各专业间的技术交流,就能准确找到问题的成因, 卷形不良或卷取故障也都将迎刃而解。