連續退火機組入口張力輥裝置方案設計

張偉 何云飛 張樂峰 張峰

（1：北京首鋼國際工程技術有限公司 北京 100043；2：北京市冶金三維仿真設計工程技術研究中心 北京 100043）

1 前言

在連續退火機組中，張力輥是必不可少的裝置，張力輥利用帶鋼包繞張力輥產生包角所產生的摩擦力，使張力輥入、出口張力按照某種規律變化，張力或增大或減小，借此改變張力值，實現張力的分段和控制，以滿足生產工藝張力分段的需要，同時，有些張力輥輥組還承擔部分區段的基準速度控制，才能確保生產線的連續穩定運行。本電工鋼連續退火機組全線設置了多組張力輥，其中入口張力輥和出口張力輥的工況比較復雜，本文結合入、出口張力輥不同的工作狀態，對張力輥方案設計的相關問題進行分析與探討。

2 初步設定的機組參數

根據要求，方案設計的機組參數如表1所示，初步擬定的入口帶鋼最大單位張力如表2所示。

3 張力輥的主要參數設計

3.1 張力輥直徑D的選擇

帶鋼在經過張力輥組產生張力，前提條件是不能發生塑性變形，也就是說，帶鋼在張力輥纏繞時，最外層表面受拉應力，其不能達到其屈服極限，不然帶鋼會產生永久變形［1］，由公式：

表1 方案設計的機組參數

表2 初步擬定的入口帶鋼最大單位張力

式中：E—彈性模數MPa，202×102MPa；

σsmin—帶鋼最小屈服強度，MPa；

tmax—帶鋼最大厚度，mm。

退火前、退火后的張力輥理論最小直徑分別為：

經過計算：退火前張力輥直徑D前≥126.25mm，退火后張力輥直徑D后≥505mm，根據目前要求，本條連退機組將來還需要承擔厚度1.0mm帶鋼的退火功能，結合電工鋼連退的生產特點，機組生產帶鋼的鋼種以及帶鋼的材質和厚度，再根據多年的生產經驗及總體投資成本，考慮設備備件的統一性及靈活性，最終確定全線張力輥采用統一的輥徑，即D＝800mm。

3.1 張力輥放大系數的計算

張力輥的布置形式如圖1所示。

根據包角計算公式［2］：

H ＝130mm；

H—張力輥中心垂直距離，mm；

L—張力輥中心水平距離，mm；

D—張力輥輥徑，mm；

圖1 帶鋼在張力輥上的包角

帶鋼與輥子包繞摩擦產生張力，張力輥放大系數與帶鋼在張力輥上的包角α和摩擦系數μ有關系，即：

式中：e—自然對數的底；

α—帶鋼對輥子的有效包角，弧度；

μ.—帶鋼與輥子之間的靜摩擦系數。

根據公式（2）計算，帶鋼包角：

α′＝230.46°

由于帶鋼都是有剛性的，不能完全跟張力輥的輥面相接觸，所以取實際包角α＝0.87α′，即α＝200.7°。

張力輥輥面使用的材料為為聚氨酯，摩擦系數為0.18～0.2，取摩擦系數μ＝0.2，根據公式（3）計算，每個張力輥放大系數：

λ＝2

3.2 確定張力輥組輥子的數量

張力輥總的放大系數公式：

根據公式（4），入口張力輥需要總的放大系數：

λen—入口張力輥所需放大系數；

Feb-a—入口張力輥入口張力，N；

Feb-b—入口張力輥出口張力，N；

σen—開卷單位張力，N／mm2；

σ100per—入口活套單位張力，N／mm2。

根據前面對張力輥的設計方案可知，單個張力輥最大放大倍數λ＝2，能夠滿足入口張力輥張力放大系數的需要，結合機組布置的需要，入口張力輥采用兩輥張力輥組的形式，兩輥都為傳動輥，并且都帶有壓輥。具體形式如圖2所示。

圖2 張力輥布置形式

4 入口張力輥不同工況下張力計算分析

4.1 入口段工藝布置

為了提高成材率，提高生產線的利用系數，提高機組的生產效率，實現整條機組的連續性生產，本生產線入口設置了兩臺開卷機，入口活套的設置可以確保機組入口段因剪切、換卷、焊接停車時，工藝段能夠穩定高速的運行。入口段工藝流程：帶鋼經開卷機開卷后，在入口橫切剪處切尾后，運行至焊機進行焊接，焊接完成后建張，然后帶鋼通過入口張力輥送至入口活套連續運行。電工鋼連續退火機組入口段工藝布置如圖3所示。

4.2 入口張力輥實際生產中兩種工況

圖3 連續退火機組入口段工藝布置圖

入口張力輥位于焊機與入口活套之間，由于其特殊的位置，在實際生產中存在兩種工況：即正常生產狀態和剪切后甩尾狀態。在正常生產過程中，1＃張力輥提供與帶鋼運動方向相反的轉矩；在剪切后甩尾或者帶鋼帶與帶尾焊接的過程中，1＃張力輥相當于起到開卷機的作用，提供與帶鋼運動方向相反的轉矩［2］。

現就入口張力輥在兩種工況下的工作狀態進行分析比較，并計算不同工況下的電機功率，最終選擇合適的標準減速電機。

4.3 入口張力分段

機組入口段張力分為兩段，即開卷機張力和入口活套張力，表3為入口區域的張力分段情況。

表3 入口張力分段

開卷單位張力：σen＝12N／mm2；

入口活套單位張力：σ100per＝16N／mm2；

帶鋼張力公式：

b—帶鋼寬度，mm；

t—帶鋼厚度，mm；

根據公式（5）計算

開卷最大張力：

Fa-enmax＝7800N；

入口活套最大張力：

Fb-enmax＝10400N；

4.4 入口張力輥在不同工況下功率的計算

4.4.1 正常運行狀態

在正常生產過程中，開卷機與入口張力輥是在一定的張力下以給定的工藝速度運行，此時帶鋼處于正常運行模式狀態。根據工藝需要，此時帶鋼入口張力小于出口張力，張力輥電機屬于發電機狀態。正常運行模式如圖4所示。

正常運行時，兩個傳動輥按等負荷分配考慮。

總的放大倍數：λ1＝F1b／F1a＝1.33

經過計算：F1c＝F1a×＝8970N

F1a—正常運行狀態下，1＃張力輥傳動輥1入口張力；

F1b—正常運行狀態下，1＃張力輥傳動輥2出口張力；

F1c—正常運行狀態下，1＃張力輥傳動輥1出口張力（傳動輥2入口張力）。

圖4 入口張力輥正常運行狀態

扭矩公式：

T＝F×R（6）

電機功率公式：

R—入口張力輥半徑，mm；

n—張力輥的轉速（入口運行最大速度Vmax＝240m／min時），rpm；

根據公式（6）、（7）計算的入口張力輥傳動輥1、傳動輥2的扭矩和電機功率如表4所示。

表4 傳動輥1、2扭矩和電機功率

4.4.2 甩尾運行狀態

根據歐拉公式可知，張力放大的最基本的條件就是，入口必須有初張力才能實現張力的放大，否則，如果初張力如果為零，那么出口張力也為零，所以帶鋼在甩尾運行狀態下必須建立初張力，才能實現張力的放大或減?。?］。

帶鋼尾部經過入口剪剪切后，帶尾處于失張狀態，傳動輥1壓輥壓下，提供入口帶鋼的初張力，帶尾繼續向前運行至焊機進行焊接，，這一段為帶鋼甩尾運行狀態。在此狀態下，入口張力輥處于發電狀態，即電機的傳動力矩與帶鋼的運動方向相反。甩尾運行模式如圖5所示。

圖5 入口張力輥甩尾運行狀態

傳動輥1壓輥提供入口初張力按F2a′＝7800考慮，根據公式：P＝T×n／9550，

計算傳動輥1壓輥電機功率為：

P壓′—1＃張力輥傳動輥1壓輥計算電機功率，kW；

F2a′—1＃張力輥傳動輥1壓輥考慮的初張力，N；

D—傳動輥1壓輥直徑，mm；

n—傳動輥1壓輥的轉速（甩尾速度30m／min時），rpm；

選取傳動輥1壓輥標準電機，如表5所示。

表5 傳動輥1壓輥電機參數

傳動輥1壓輥可提供的最大初張力：

F2a＝P壓×60×1000×η／Vth

P壓—入口張力輥傳動輥1壓輥電機功率，kW；

F2a—傳動輥1壓輥提供的最大初張力，N；

1＃張力輥總的放大倍數為λ2＝F2b／F2a＝10400／7200＝1.44；

根據公式（6）、（7）計算的入口張力輥傳動輥1、傳動輥2的出口張力、扭矩和電機功率如表6所示。

4.4.3 確定減速機的減速比

入口張力輥為恒力矩工作狀態，采用交流變頻傳動，選用4極電機，根據n＝60f／2，得出電機同步轉速n＝1500rpm，傳動輥減速電機速比：

表6 傳動輥1、2出口張力、扭矩和電機功率

i1＝（π×D／1000）×1500／Vmax＝15.7079，選取標準減速機（4極電機），速比i＝15.65，則電機工作時最高轉速n2＝n1*i1＝1494.4rpm

4.4.4 傳動輥減速電機功率

傳動輥機械效率：η＝0.9

傳動輥1最大張力功率為：

傳動輥2最大張力功率為：

4.4.5 傳動輥減速電機的選擇

選取標準電機考慮張力輥加減速的轉動慣量功率：傳動輥1電機功率為15kW，速比為15.65；傳動輥2電機功率為15kW，速比為15.65

5 結語

在連續退火機組中的多組張力輥裝置，入口段張力輥的工況相對復雜，有兩種不同的工作狀態（帶鋼正常運行和甩尾工作狀態）。經分析計算，在第二種工況下，入口張力輥傳動輥1、傳動輥2的電機功率最大，分別為6.4kW 和7.75kW，為選擇入口張力輥電機提供了可靠的數據支持。所以對于入口張力輥，只有做全面的考慮計算，合理的選取配置，才能保證機組的正常運行。