三菱日立冷軋拉矯機的張力控制研究

王 松，徐兆春

（馬鋼設備管理部，安徽馬鞍山 243000）

1 設備配置狀況

馬鋼冷軋北區酸洗連軋線主要生產原料為熱軋帶鋼鋼卷，帶鋼厚度從1.5 mm 到 6.0 mm，寬度從830 mm 到2 000mm，鋼種為CQ，DQ，DDQ，EDDQ 以及高強度CQ-HSS，DQ-HSS，DDQ-HSS 等規格。張力拉矯機是冷軋酸洗連軋生產線帶鋼預處理工藝過程中的關鍵設備，位于酸洗槽前用來改善帶鋼板形，并通過拉伸和彎曲破碎帶鋼表面氧化鐵皮鱗片，從而使得帶鋼易于酸洗，達到良好的酸洗效果（見圖1）。

圖1 生產線設備及拉矯機布置圖

馬鋼酸洗冷連軋生產線中張力拉矯機拉矯工作輥為無驅動盒式，每個工作輥為剛性支撐。張力拉矯機輥為三輥式裝置（見圖2），由2 個延伸率單元（4個工作輥）和1個抗彎單元組成。

圖2 拉矯機三輥裝置

2 拉矯機內部張力邏輯分析

拉矯機入口自2#張力輥（為兩輥張緊）開始，中間是無驅動拉矯機工作輥盒，出口為3#張力輥（四輥張緊，第四輥軸承座安裝ABB 張力計）。分別配置2#張力輥力矩電機（交流50 kW）、3#張力輥力矩電機（交流65 kW），主傳動電機（交流1 100 kW），延伸率電機（交流340 kW）和4 臺矢量變頻控制傳動電機。拉矯機控制原理圖見圖3。

圖3 拉矯機控制原理圖

通過圖3 所示減速張力邏輯，拉矯機中間工作區域帶鋼主張力T，3#張力輥1#、2#輥間張力T0，2#、3#輥間張力T1，以及3#張力輥出口張力計張力測量值T3之間的關系為：

由（1）得到：

由（3）得到：

整理得：

將（2）、（5）代入(6)后整理得到：

式中：T——拉矯機中間工作區域帶鋼主張力，N；

T0——3#張力輥1#、2#輥間張力，N；

T1——2#、3#輥間張力，N；

T3——3#張力輥出口張力計張力測量值，N；

Tr3——3#張力輥3#輥電機力矩，N；

Tr0——3#張力輥力矩電機力矩，N；

De1——3#張力輥1#輥直徑，mm；

De2——3#張力輥2#輥直徑，mm；

De3——3#張力輥3#輥直徑，mm；

Trs——延伸率電機力矩，N·m；

β1、β2、β3——控制系數變量，初始值均為0.95。

從以上減速傳動換算邏輯分析，得到拉矯機中間工作區域帶鋼主張力T，（7）式中增加β1、β2、β3共3 個控制系數，通過PLC 邏輯控制查表得初始值為0.95。PLC 控制系統和電機變頻傳動系統通過調節Tr3、Tr0、Trs，來控制拉矯機中間帶鋼的主張力。由于拉矯機后面帶鋼進入酸槽，Tr3以穩定酸槽帶鋼張力為主，其調節范圍不大。提高帶鋼延伸率主要依靠調節Trs和Tr0。提高電機力矩可以使帶鋼產生一定的延伸長度，通過內部上下彎輥輥縫嚙合來達到破碎帶鋼表面氧化鐵皮的效果。

3 延伸率模式和張力模式控制切換邏輯

帶鋼延伸率可通過延伸電機的預設置自動控制，生產線的二級計算機系統將每個鋼卷的延伸率設置值發送到一級PLC 控制系統，提供初始設置數據。生產操作人員也可以手動在HMI 畫面修改設置數據，最終設置值由用戶根據實際操作和鋼卷情況進行調節。

為充分拉矯帶鋼表面，更好地破碎帶鋼表面氧化鐵皮，保證設備安全生產，同時避免出現無限制提高延伸率而造成張力超過設備極限能力，在PLC的控制邏輯中對拉矯機內部帶鋼的最大張力進行實時監控限制。

通過實時反饋值監視拉矯機內的張力狀態變化，如果拉矯機內部張力未達到最大設定值，通過延伸率電機提高帶鋼延伸率直到實際延伸率達到設定值。如果T達到最大設定值，拉矯機的控制模式從延伸率控制模式自動切換到張力控制模式。圖4是帶鋼最大張力控制邏輯框圖[1]。

圖4 帶鋼最大張力保護控制框圖

圖4中的Ta是根據不同厚度、寬度、屈服強度的鋼種由二級計算機系統查表得來張力設定具體值。當拉矯機內部帶鋼的實際張力低于張力上限設定值A，則通過張力自動調節電機延伸率電機，使控制模式一直處于延伸率模式控制，當拉矯機內部帶鋼實際張力超過A時，PLC 控制程序自動跳轉到張力控制模式，并同時在HMI畫面發出告警。

PLC控制程序實時動態反饋拉矯機帶鋼張力運算值，在確保張力不超出A的前提下，提高帶鋼延伸率，以達到帶鋼拉矯除鱗預期效果。

4 實際控制效果跟蹤分析

通過以上分析，參考PLC 延伸率和張力控制模式，將拉矯機最大保護張力限制設定值設定為55 t。通過采集現場數據，可以發現當拉矯機內部張力超極限時，拉矯機延伸率控制模式切換為保護張力控制模式。

圖5是通過跟蹤信息采集模塊采集到的超過極限設置的狀態數據。當拉矯機內部帶鋼張力達到極限值時，延伸率降低。

圖5 超過極限設置的狀態數據

5 結論

隨著高強度冷軋帶鋼市場需求逐漸擴大，冷軋帶鋼生產高屈服強度帶鋼比重越來越多。在實際生產過程中拉矯機生產負荷比重增加，時常有張力超過設備設計極限的情況[2]。為保護機械傳動設備和驅動電機，同時滿足生產需求，發揮現有設備的極限能力，可以在拉矯機內部最大張力設置保護值進行限制保護。

從延伸率控制和張力控制兩種模式來優化不同帶鋼的拉矯效果，在設備設計能力范圍內進行調節，滿足生產實際需要，這種控制思路在保護原有設備的前提下，極大地發揮了現有設備能力，提高了生產效率。