熱軋鋼卷卷徑計算方法分析

丁 正 王 瑛

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司 安徽馬鞍山243000)

1 前言

帶材類卷取機一般都需要計算或測量產品的卷徑。尤其在熱軋生產線中，鋼卷的卷徑是一個重要參數，卷徑的實時讀數影響到帶鋼張力的設定、帶尾的速度控制等是否準確；成卷后的錯誤卷徑可能會導致自動卸卷故障；甚至在后續的冷軋工序中，錯誤的鋼卷直徑也會造成不良影響。

為了獲得準確的卷徑值，有的帶材生產線安裝了激光傳感器或者超聲波設備來直接測量[1-3]。但是鑒于熱軋卷取機附近高溫度、高濕度、振動大的惡劣環境條件，一般不會安裝此類裝置，而是借助現有的速度編碼器等設備來實時計算[4]。

2 傳統的卷徑計算方法

2.1 速度計算法

圖1 速度法原理示意圖

在正常情況下，當帶頭進入卷取機，芯軸膨脹負載后，芯軸由速度控制模式轉入張力控制模式。此時芯軸和卷取機前夾送輥是同步運轉的。所以，根據這個原理，采用速度比的方式來計算鋼卷直徑的增長值。具體原理如下：

由于夾送輥和芯軸線速度相同，得到：

V=π×d×Np

(1)

V=π×D×NM

(2)

換算得到鋼卷直徑：

(3)

式中：V-帶鋼速度,m/min；

d-下夾送輥直徑,mm；

D-芯軸直徑,mm；

NP-下夾送輥轉速,rpm/min；

NM-芯軸轉速,rpm/min。

2.2 圈數計算法

鋼卷的外徑，是由芯軸的直徑與圍繞在其周圍的多圈帶鋼共同形成的。除了芯軸的直徑外，帶鋼每卷入一周，直徑增加2倍的帶鋼厚度。芯軸的膨脹直徑是可以由傳感器直接計算后讀取的。那么只要計算出當前卷取的圈數，即可以獲得實際卷徑值。

如圖2中所示，利用芯軸電機的編碼器精確計算芯軸運轉的圈數，并予以累加計數。自芯軸負載后，芯軸每轉1圈，鋼卷直徑理論上增加2倍帶鋼厚度大小。在PLC中的執行方式是，當芯軸每1圈完成后，系統觸發1個上升沿信號，將原有直徑值加上2倍帶鋼的厚度，并將該值賦值給新的直徑值，以此循環直至卷取結束。

由于每種規格的帶鋼特性都可能不同，導致鋼卷的層間松緊度會有稍許不同，這也會影響到實際卷徑。為了避免該情況導致計算不準確，設置了松緊度參數(由二級系統設定具體值)，進行了如下處理，即，

(4)

式中：h-帶鋼厚度，mm；

D-累加過程中的鋼卷直徑，mm；

DO-鋼卷初始直徑，mm；

D′-鋼卷直徑，mm；

S-松緊度，%。

3 缺陷分析

在理想狀態下，速度計算法和圈數計算法都可以較為準確的計算出實際卷徑，偏差會很小。但在實際應用中，單靠某一種方式來計算，其結果常常與實際值有所偏差。包含但不限于下面兩種情況。

圖2 圈數法原理示意圖

3.1 夾送輥與帶鋼間打滑

帶鋼進入卷取機并建立穩定張力后，芯軸、夾送輥、精軋機F7的線速度應該是同步的。但是當F7拋鋼后，芯軸的張力轉由芯軸與夾送輥之間承擔。如果一些工藝參數設定不當，或者設備狀態不佳，使芯軸的張力相對大于夾送輥與帶鋼間形成的靜摩擦力，芯軸的設定張力得不到滿足，芯軸會自動加速以獲得平衡，夾送輥就與帶鋼間有滑動摩擦，此時芯軸的實際線速度將大于夾送輥線速度。

發生這種情況后，公式(1)和公式(2)是不相等的，公式(3)也就不能成立。夾送輥轉速值NP比帶鋼實際速度小，如果以速度計數法，計算的卷徑就會偏小。

3.2 芯軸與帶鋼間打滑

每當帶鋼頭部進入卷取機時，助卷輥會配合芯軸進行助卷，使帶鋼與芯軸間產生穩定靜摩擦，最終與夾送輥和軋機間達到設定張力。在實際生產中，可能因設備狀態不佳或工藝參數設定不當，如助卷輥擺臂與液壓缸連接處存在較大間隙，或芯軸內部漲縮機構剛度差，芯軸膨脹時間點過于靠前，帶鋼頭部溫度控制不科學等，導致芯軸完全膨脹后沒有與帶鋼間形成穩定靜摩擦，即芯軸與帶鋼打滑了。此時，如果以速度計數法，計算值會偏小；如果以圈數計數法，計算值會偏大。

在國內某鋼廠實踐中發現，除了影響張力設定和反饋，偏小的卷徑，還比較容易出現卸卷故障，卸卷車的提升缸在提升時，由于錯誤的卷徑信息，使它在準備好進入壓力控制模式前就觸碰到鋼卷，導致自動控制停滯。偏大的卷徑，危害更大。在控制程序中，出于保護卷取機的原因，一般不會卷取卷徑過大的鋼卷，當計算的卷徑超過一定范圍，卷取機會跳停保護，造成堆鋼。

圖3 卷徑計算抑制偏差思路示意圖

4 計算方法的改進

鑒于上述2種計算方法的特點，多數情況下，不會出現2種計算方式同時導致偏大或者偏小。那么，就可以將2種方式加以結合，相互抑制。在帶鋼卷取的過程中，PLC系統進行卷徑計算時，將2種計算卷徑值不停比較，具體方法如下：

(1)當Ds

(2)當Dp(1+a)>=Ds>=Dp(1-a)時，D=Ds；

(3)當Ds>Dp(1+a)時，D=Dp(1+a)；

式中：Ds-速度計算法計算的卷徑值；

Dp-圈數計算法計算的卷徑值；

a-偏差系數。

速度計算法計算的卷徑小于圈數計算法計算的卷徑值的90%時，卷徑值按照圈數計算法計算的卷徑值的90%計入結果；速度計算法計算的卷徑大于圈數計算法計算的卷徑值的110%時，卷徑值按照圈數計算法計算的卷徑值的110%計入結果；速度計算法計算的卷徑值處于圈數計算法90%～110%之間時，直接按照速度計算法取值。其中偏差系數a，按照經驗取值0.1。

4 結束語

速度計算法和圈數計算法是帶材計算卷徑的最常見方式。但是，經過優化處理后的計算方法更加的能夠適應熱軋卷取機的特殊工況，對一定程度的打滑造成的卷徑計算不準確情況，有較好的糾正作用。