酸洗機組三輥張力裝置現場問題分析與計算

陳德來，張 康

酸洗是在常溫狀態下通過機械及化學方法將熱軋帶鋼氧化鐵皮清除掉的一種工藝手段，經酸洗后的鋼板表面平滑、銀亮，整體外觀性能將有很大改善，可為下一步冷軋生產創造有利條件。本文所述項目是關于國內某鋼鐵企業一條年產量約60萬噸的推拉式酸洗機組，其特點是設備簡單，生產及操作靈活，投資相對較少。該機組帶鋼原材料為厚2.0～4.0 mm、寬700～1250 mm的熱軋低碳鋼、超低碳鋼等鋼板，采用鹽酸紊流淺槽酸洗工藝，使帶鋼單卷工作，非連續地通過工藝段完成酸洗。

1 機組出口設備簡介

在該酸洗工藝機組出口段，帶鋼從活套坑出來后依次經過的設備為活套坑擺動臺→1#側導裝置→2#夾送輥→圓盤剪→三輥張力裝置→檢查臺→出口側導裝置→出口夾送輥→卷取機等。

該機組中三輥張力裝置的主要作用是提供帶鋼在卷取時所需的張力，它具有三個主動張力輥，左右張力輥為固定輥，中間輥為活動輥，各自分別由變頻電機單獨驅動，穿帶時中間輥抬起，當帶頭經出口導板進入卷取機鉗口后，鉗口咬緊帶鋼并在卷筒上卷取2～3圈，此時三輥張力裝置的中間張力輥壓下，兩端壓輥打開，然后卷取機電機、2#夾送輥及三輥張力輥電機啟動，輸出轉矩以保證帶鋼卷取所需張力，然后在此基礎上全線加速到正常工作速度。

2 現場問題的提出

由于推拉式酸洗機組活套坑內帶鋼為自由狀態，當帶鋼經過出口活套擺動臺時認為其張力近似為0。另外出口夾送輥在帶鋼正常卷取時處于打開狀態，故整個出口段可為帶鋼卷取張力做貢獻的設備僅為2#夾送輥及三輥張力裝置（見表1）。

在機組調試過程中卷取機按照設計張力工作時，試車帶卷出現卷不緊現象，因此懷疑卷取張力不足。針對這種情況，調試人員將卷取機卷取張力設定為80 kN。但電氣人員發現當機組按張力輥電機基速運行時，三輥張力裝置三臺傳動電機電流全部達到峰值，電機輸出轉矩也達到極限值；同時三輥張力裝置輥面與帶鋼之間發出摩擦聲音，即發生了帶鋼打滑現象。而當將張力設定值降至約50 kN后，設備狀況恢復正常。針對這種情況，調試人員根據電機參數對2#夾送輥及三輥張力裝置進行了測算分析，分析過程及結果如下（見表2）。

表1 酸洗機組卷取工藝參數

表2 傳動電機參數表

電機輸出力矩公式為：

又有：

所以在基速下電機輸出轉矩為：

張力輥輸出總張力為：

同理可推算出2#夾送輥輸出張力約為：

因此，張力輥在基速運行時可提供最大帶鋼張力約為：T出=T張+T夾=60.1 kN＜80 kN

按照上述計算結果來看，整個出口段最大帶鋼張力水平低于卷取要求。這是因為三輥張力裝置入口處張力即2#夾送輥輸出張力貢獻較小，在卷取張力設定為80 kN后，為迎合卷取張力要求，張力輥電機必然大幅提高轉矩輸出值，但因電機能力有限，輸出轉矩即使達到極限值也無法滿足卷取張力為80 kN的要求，從而導致出現前文所述電機電流值及輸出轉矩達到峰值的現象。因此調試人員初步分析結論為：

（1）按卷取張力80 kN計算，則三輥張力裝置所選傳動電機功率不足，從而導致其基速條件下輸出張力無法滿足卷取工藝要求。

（2）現場帶鋼發生打滑是由卷取張力使三輥張力裝置外部張力失衡造成的。

3 帶鋼打滑問題的驗證分析

張力輥是帶鋼酸洗生產線上至為重要的設備，它不僅用于帶鋼輸送，更要為帶鋼卷取提供必要的張力。在卷取過程中，若帶鋼與張力輥接觸面發生滑動，會造成帶鋼張力的短時波動，甚至造成整個出口段系統處于周期性的劇烈顫動之中而無法正常工作[1]。這將極大影響帶鋼卷取及帶鋼表面質量，甚至損傷張力輥輥面。因此對帶鋼打滑問題進行分析，具有重要意義。

為了便于分析，現以3#和4#張力輥所組成的S輥組為例進行說明（見圖1）。設帶鋼進入張力輥組后張力為Tin23，3#張力輥和4#張力輥間帶鋼張力為Tin34，出口張力即外部張力為Tin4out1,帶鋼在張力輥表面的包角為α，帶鋼與張力輥聚氨酯表層摩擦系數為μ。

圖1 S輥組運行示意圖

由歐拉公式可知張力輥組正常傳動的條件為[2]：

由式 (2)可知：若能將Tin34控制在此范圍內，就可以保證3#、4#張力輥與帶鋼之間不會發生打滑現象。歐拉公式揭示了張力輥打滑規律，即打滑不僅與輥自身摩擦系數及帶鋼包角有關，還與其兩端帶鋼張力水平有關[3]。

對于同一卷帶鋼，可認為其與輥面靜摩擦系數和包角基本不發生變化，則eαμ可按常值處理。故可見只要張力輥兩端帶鋼張力比值維持在一定范圍內，就可認定張力輥未發生打滑。因此，定義打滑系數為：

T1 和T2 分別表示張力輥兩端帶鋼張力，當打滑系數Cf計算結果滿足邊界條件（，eα）μ范圍時，認為該張力輥未發生打滑現象；否則則認為外部張力的綜合作用超過了輥面摩擦力的最大平衡范圍，從而引發帶鋼打滑[2]。綜上也可以認為，張力輥本身是一個張力放大器，可以將入口處張力放大，放大倍數即是打滑系數Cf，但其放大能力要同時受到轉動電機輸出轉矩能力、帶鋼包角及摩擦系數的制約。

由三輥張力裝置工作時各個輥的帶鋼包角狀態可知，T1為三輥張力裝置入口段張力，即2#夾送輥出口段張力，T12和T23分別為1、2#張力輥輥間張力及2#、3#輥輥間張力，T3為張力輥出口段張力，即機組卷取張力（見圖2）。設1#輥包角α1，2#輥包角 α2，3#輥包角 α3，聚氨酯與帶鋼摩擦系數為μ，取約為0.3[3]，設定入口段張力始終小于出口段張力。

圖2 三輥張力裝置工作包角圖

由前文知三輥張力裝置入口段張力即2#夾送輥輸出張力T1=11.5 kN，而帶鋼打滑時三輥張力裝置出口段T3=80 kN，則有：

另有：μ=0.3 ，α=α1+α2+α3≈5.3 ，代入可得eαμ≈4.91

因此有：Cf＞ eαμ

當T3=50 kN，則有：

由以上計算結果可知，在張力輥電機基速條件下，外部卷取張力設定為80 kN時帶鋼打滑系數超出輥面摩擦力最大平衡范圍，此時帶鋼就會出現打滑現象，而在同樣條件下卷取張力設定為50 kN時則滿足不打滑條件，設備能夠正常運行，這充分說明帶鋼打滑是由于外部卷取張力過大，從而造成系統張力失衡所致，因此，消除張力失衡是防止帶鋼打滑的關鍵。

4 電機功率的推導判別

根據歐拉公式可知，若要張力輥能夠正常工作，其出入口張力之間一定需滿足某種特定條件。依據圖2所示參數，若各個張力輥都正常工作，則一定滿足歐拉公式，故有：

將式 (5)、 (6)、 (7)相乘可推出：

由式 (8)可推知若張力輥能夠正常工作，則三輥張力裝置入口段張力需滿足：

設三臺電機通過減速機正常工作產生的張力為TS，應滿足：

設三臺電機通過減速機產生的最大張力能力為Tm，則其應滿足：

將各參數代入式 (9)，可推出：

將各參數值代入式 (10)可推出電機正常工作的張力范圍：

結合式 (11)、 (12)、 (13)知當卷取張力TS為50 kN時，

入口段張力值應滿足：

電機最大及正常工作時張力分別應滿足：

式 (13)為張力輥電機能夠正常工作的必要條件，即在三輥張力裝置入口段帶鋼張力為11.5 kN的情況下，電機正常工作時通過張力輥輸出的最大張力不能高于45 kN，否則張力輥將與帶鋼接觸面之間產生滑動現象。由前文知傳動電機通過張力輥輸出最大張力能力為48.6 kN，故在入口處張力為11.5 kN時三輥張力裝置所選電機輸出轉矩能力一定滿足式 (15)的使用條件。而此時入口張力值也滿足式 (14)，計算知三輥張力裝置在該工作狀況下所能輸出的最大張力約為：

因此，在卷取張力為50 kN時，設備可以正常運行，這與現場的實際情況也是相吻合的。

結合式 (12)知當卷取張力T3為80 kN時，夾送輥輸出張力T1應滿足：

實際有：Tm=48.6 kN＜80-11.5=68.5 kN …… (19)

根據式 (18)確定T1后，可根據式 (11)確定三輥張力輥最大輸出張力，從而可進一步確定張力輥電機功率，結果如式 (19)。

由上知在不改變現有設備的前提下，如果要滿足卷取張力80 kN的工藝要求，就必須同時滿足如下兩個條件：

（1）增大入口段張力達到16.3 kN。

（2）三輥張力裝置所輸出總張力應為68.5 kN。

由式 (18)、 (19)計算結果知，2#夾送輥及三輥張力輥最大輸出張力雖可以滿足卷取張力為50 kN時的條件，卻不能滿足卷取張力為80 kN的要求，因此，可以斷定，三輥張力裝置輸出張力達不到卷取張力要求的主要原因除了張力輥本身的電機功率不足之外，2#夾送輥傳動電機功率不足也是導致這一現象的關鍵因素。

因此，如要達到卷取工藝80 kN要求，相關措施就是同時增加2#夾送輥與三輥張力裝置電機的功率；另外，在允許增大電機容量前提下，不改變入口張力，加大帶鋼與輥子之間的包角，也可以提高出口張力；此外，如果允許降低機組速度，也可以通過降低電機基速以及增大減速機速比來實現張力提高。

5 現場問題處理

按照上述理論推導結果來看，按現有設備性能提高機組卷取張力不易實施，但同時也無法確認帶鋼卷不緊現象一定是由于機組卷取設計張力值過小而造成的，因為機組的相關工藝參數已經具有應用先例，較為成熟。針對這種情況，調試人員再次仔細檢查試車帶卷，結果發現現場所提供試車帶卷來料質量較差，板形較為粗糙，因此懷疑帶鋼本身是否會成為影響卷取效果的另一個關鍵因素。為驗證該想法，重新換用帶鋼成品卷，按照卷取張力50 kN進行卷取（見圖3）。

圖3 機組成品卷卷取后效果圖

由圖3可看出，換用成品卷后，卷材無塔形，卷取效果良好，未出現帶材無法卷緊現象。由此可推斷，50 kN卷取設計張力值完全能夠滿足生產工藝要求。

6 結語

綜合上文所述，可知現場所發現問題的關鍵因素在于：

（1）三輥張力輥發生的打滑現象是由外部張力失衡所導致，張力滿足生產要求后，帶鋼打滑現象也將得到解決。

（2）酸洗機組三輥張力裝置達不到80 kN卷取張力要求的根本原因除在于三輥張力裝置本身傳動電機的功率不足外，機組出口段2#夾送輥電機產生張力過小是另外一個影響因素，若僅提高三輥張力裝置本身的電機功率，仍將無法達到80 kN卷取工藝張力要求。

（3）機組試車卷未能正常卷取的主要原因并不在于卷取張力過小，而在于其板形較差，改善板形后即可正常生產。

[1]張京城.張力輥組打滑與設計原則分析 [J]，有色金屬加工，2003(6)，3(32)：23-26.

[2]Fusahito Yoshida,Masaki Urabe.Computer-aided process design for the tension leveling of metallic strips[J].Journal of Materials Processing Techno-logy,1999,89-90：218-223.

[3]王文廣.寬帶鋼拉伸彎曲矯直機工作機理及使用工藝研究 [M]，北京科技大學，2008.