浅谈双机架可逆轧机的张力控制系统

摘要：本文介绍了鄂钢双机架可逆轧机的张力计算，张力实现及张力的控制效果，通过实际生产测试，张力运行良好。
关键词：张力、双机架可逆轧机、加减速在研究带钢轧制的过程中，张力是十分重要的工艺参数。在较大的张力条件下进行轧制，是带钢冷连轧生产的一个重要特点。鄂钢冷轧薄板厂采用阿尔斯通MV7000 和MD2000 系列变频器，分别用于双机架可逆轧机的主传动和开卷机传动，在整个工程调试和试运转过程中，基本达到了系统的运行需求。
1．机组组成：
      开卷机（POR）采用额定功率为700kW 的笼形异步电动机，左右卷取（W1、W2）采用额定功率3000kW 的凸极同步电动机，主传动（STD1、STD2)采用额定功率为5500kW 德鄂凸极同步电动机。轧机机前、机架间、机后分别设置三个张力计、测厚仪和测速仪，用来测定实际张力、厚度和实时线速度。

2．张力的作用
      大张力轧制是冷轧与热轧的根本区别。张力轧制即带钢在轧辊中轧制变形是在一定前张力与后张力共同作用下进行的。采用张力控制防止带钢堆拉现象发生，同时，张力在生产过程中也发挥着十分重要的作用，主要表现在以下几个方面：
􀁺   防止带钢跑偏
       在实际生产过程中，由于各种因素的影响，带钢在运行过程中容易发生跑偏，而且会随着运行而越来越严重。为了防止跑偏，可以采用纠偏辊或八字辊，但这两种方法都有一定的时滞，有一定的局限性。而适当调节张力值，维持张力稳定，带钢可以在一定的张力作用下平稳的运行，张力反映迅速，无时滞，所以是防止带钢跑偏的有效方法。
􀁺 有利于控制带钢的板形
      板形是衡量带钢质量的重要指标，板形良好指的就是带钢的平直度好。若带钢的板形不好，如边部起浪，中部浪皱等，这主要是由于变形不均匀，使轧件中的残余应力超出了稳定时所允许的压应力而造成的。当采用微张力轧制时，使带钢沿宽度方向上的压应力不超过所允许的压应力，由此来保持轧件板形的平直。

       带钢张力的控制精度对带钢冷连轧机轧制稳定性和成品带钢的质量有着极大的影响。它一般可分为直接张力控制和间接张力控制两种类型。前者是通过张力计直接检测张力的实际值, 经张力控制器送入系统构成闭环控制; 后者则是通过控制其他参数而间接达到恒张力控制, 它包括最大力矩法和恒电流恒电势两种控制法。
􀁺 有利于降低金属轧件的变形抗力和变形功
      由于张力不但能减少水平方向的压应力，而且可以减少垂直方向上的压应力，所以能减少轧制压力。正因为降低了轧制力，所以自然金属变形时所需要的功耗就小。此外，张力在轧制过程中可适当调节主电机的负荷以及带钢的厚度。
3．张力产生的基本原理
       张力的产生是因为在轧件长度方向上存在着速度差，使轧件不同部位处出现相对位移而产生张力取轧件上1 机架出口处和2 机架的入口处两点来分析，如图所示：

4．张力控制分析及其数学模型

5．开卷、卷取机的张力控制
       开卷、卷取机的张力自动控制系统，不仅在稳态轧制过程中，而且在加、减速的动态过程中也应保持张力恒定。对于开卷、卷取机张力闭环控制系统的控制性能来说, 其优劣程度取决于对以下3 个方面的调节能力：
① 在主机加减速阶段，也就是建张阶段，控制开卷、卷取机使其跟随主机速度的变化，克服(补偿) 加减速造成的动态力矩对张力的影响，避免张力的振荡；在轧机的加减速阶段，通过给传动的转矩中包括了加减速转矩，既加减速时对转矩进行补偿调节，这样，在传动加减速过程中，依靠AGC 通过厚度和速度的修正来调节张力，达到张力的稳定。
② 在主机稳速阶段，DIAM_ZR 模块通过编码器计算的圈数和测厚仪的测出的厚度来计算实时的钢卷卷径，克服了计算卷径的变化带来的张力波动。
变频器有两种控制模式：速度控制模式和张力控制模式。当变频器工作于张力控制模式时，将需要电机产生的张力折算成一个转矩给定值Twork，提供给变频器，控制电机产生所需的张力。这时人为的让变频器的速度调节器处于饱和状态，速度－张力控制模式选择张力控制模式，转矩调节器的给定值来自Twork，变频器进行转矩调节，产生我们所要求的张力。当变频器工作于速度控制模式时，将生产线速度折算成一个速度给定值，提供给变频器，控制电机速度，同时将需要电机产生的张力折算成一个转矩补偿值Tc，提供给变频器，控制电机产生所需的张力。也就是说既要让电机产生我们所需的张力，也要让电机运行在我们要求的速度。变频器工作在哪一种控制模式，由控制器中的程序来控制，自动进行切换。
建立张力运行时，开卷、卷取机处于张力控制模式。开卷时，产生一个反向作用力，相当于生产线拖着开卷机向前运行；卷取时，产生一个正向作用力，相当于卷取机拖着生产线向前运行。例如，当点动开卷机正向向前开卷运行时，开卷机处于速度控制模式，开卷机按照要求的速度进行开卷运行。所以，开卷机的两种运行模式由开卷、卷取机是否建立张力来决定。
将生产线的线速度折算成开卷机的速度给定（额定转速的百分比），公式如

       在实际计算中，要加上惯性转矩和损失转矩及AGC 在加减速时的转矩和速度修正值作为一个总的转矩送到变频器。

6．机架间张力控制
       从理论上讲，生产过程应保持两个机架间的张力恒定，否则，则在机架之间的带钢产生拉张力或者压缩力的作用，从而导致拉钢或堆钢事故，严重的拉钢会造成断带，堆钢则会造成设备的严重损坏。所以张力是影响连轧机间出现堆钢、拉钢现象的主要因素。但实际生产中，由于各种因素的影响，机架间的张力不能常保持恒定，而通常采用的是速度跟随，微张力控制。机架间张力恒定控制是利用张力仪直接检测出张力的实际值, 经张力调节器送入系统中进行闭环控制。
      现代带钢冷轧机机架间张力控制方式随轧机类型即AGC 方式的不同而异,一般有按张力偏差值调下一机架的压下量, 称为辊缝式调张法和按张力偏差值调节相应机架的速度, 称为速度式调张法两种方式。本设计同时采用了这两种方法, 辊缝式调张法主要用于带钢较厚的前几道次轧制过程中, 速度式调张法通过保持下游机架的速度调节不变，同时根据调节量的变化不时的更新上游机架的速度调节量, 主要用于机架速度初始设定、穿带过程、极薄带钢轧制时的张力控制。
7．结束语
      在鄂钢公司双机架可逆轧机的张力系统调试中，采用上面所述的控制方法，经过调试直至试生产，机前、机架间、机后三段张力基本上均波动在设定值的1％左右，满足了系统的运行需求。
参考文献：
① 《冶金动力》2004 年第六期，《镀锌线入口张力控制》；
② 《山东冶金》第24 卷第二期，《铝冷轧机恒张力控制系统的改造》；
③ 《电气传动》2004 年第一期；
④ 《轧钢生产机械设备操作与自动化控制技术实用手册》，中国科技文
化出版社，孙一康主编。