連退斷帶預警模型研究

肖至勇 黃志鋼

(寶山鋼鐵股份有限公司 上海 201900)

1 前言

連續退火機組由于其生產工藝具有退火周期短、占地面積小、產品質量均勻、生產效率高等特點，被廣泛應用到我國冷軋帶鋼生產的各大鋼鐵企業。但因為連退機組中各卷帶鋼是被焊接后連接到一起進行連續生產的，若操作不當或其他機組原因，就會存在帶鋼撕裂甚至是斷帶的風險，嚴重時還會導致重大生產事故的發生。尤其是在連退機組入口段，由于帶鋼立式行程較長，各輥組電機力矩、速度狀態的改變，極有可能引起帶鋼內部張力的不均勻分布以及帶鋼跑偏與帶鋼邊緣的刮蹭，從而進一步引起斷帶事故的發生[1,2]。本文采用在t時刻與t+Δt時刻的功率與扭矩進行比較求得電機在Δt時間內的變化率，然后將每個輥子在t時刻的功率與扭矩與理論狀態下的功率與扭矩進行比較并求得變化率，最后將理論穩定狀態下的電機功率與扭矩與該輥子在臨界狀態下的功率與扭矩進行比較，以此來對帶鋼運行狀態進行預估，判斷其斷帶風險的大小。

2 斷帶現象及機理分析

帶鋼在運行過程中，由于某種原因而使帶鋼發生斷裂的現象稱為斷帶，斷帶原因有許多種，如壓輥同步不佳、來料邊裂異常、輥子脫膠、焊接異常和來料跳寬等。如圖1所示為因焊接異常造成的帶鋼在電解段中間轉向輥處發生的斷帶現象。

圖1 因焊接異常造成的斷帶現象

(1)來料邊裂引起斷帶機理分析：帶鋼來料存在邊裂，在壓輥作用與張力作用下，邊裂處極易出現斷帶。對于帶鋼受力而言，應力垂直作用于邊裂面，邊裂沿張力方向張開，屬于開放型的裂紋擴展方式，如圖2所示，此時在邊裂根部會存在應力集中，當集中應力的大小大于應力點所在的條元塑性強度極限時，其在邊裂跟部在應力的作用下極易擴大邊裂甚至發生連鎖反應直接造成斷帶。

圖2 帶鋼邊裂示意圖

(2)帶鋼局部受力瓢曲引起斷帶機理分析：在運行過程中，帶鋼與轉向輥之間存在摩擦力，帶鋼在橫向始終處于靜摩擦狀態，橫向摩擦力足以平衡橫向壓應力時，帶鋼不會發生相對于爐輥的橫向滑動。但當橫向壓應力達到臨界值之后，該部位的帶鋼就有可能突然失穩，從而發生瓢曲，嚴重的造成斷帶。如圖3所示。

圖3 活套內折皺斷帶

(3)來料跳寬引起斷帶機理分析：來料跳寬指在連退過程中焊接前后卷帶鋼寬度不同，如前行帶鋼規格為0.184mm×728mm，后行帶鋼規格為0.19mm×814mm，跳寬86mm，且在焊接前沒有進行挖邊處理。此種情況下挖邊已不具備條件(焊接后挖邊，需要在焊接前中央段作降速處理)，帶鋼在運行通過壓輥時，焊接處的后行帶鋼容易發生折疊，并在張力作用下沿焊縫處撕裂造成斷帶。

3 斷帶預警模型的建立

由前述可知，帶鋼斷帶過程中都會涉及到張力變化，帶鋼內部橫向張力分布不均導致扭矩發生波動，從而影響電機瞬時的功率波動，由此便可以通過電機扭矩和電機功率的變化來判斷帶鋼在運行過程中是否有斷帶風險。

如圖4所示為相鄰兩段的帶鋼在Δt時間內經過同一輥子的示意圖，圖5、圖6為Δt時間內帶鋼橫向張力變化的示意圖。

t時刻第i段帶鋼的平均張力為：

(1)

式中:2m+1-帶鋼橫向劃分條數，個；

σij-t時刻第i段第j條帶鋼的張力值，MPa。

圖4 相鄰兩段的帶鋼在Δt時間內經過同一輥子

圖5 t時刻第i段帶鋼的橫向張力分布

圖6 t+Δt時刻第i段帶鋼的橫向張力分布

t+Δt時刻第i段帶鋼的平均張力為：

(2)

則此段帶鋼在Δt時間內的變化率K為：

(3)

而輥子的扭矩與帶鋼雜張力的關系為：

(4)

式中:Rj-第i段第j個條元的回轉半徑，mm，與輥子錐度有關。

另外，各個輥組扭矩與電機功率的關系可由計算得出，則電機功率與扭矩的變化均可得出。由此，我們便得到了一組t時刻的各個輥組的電機功率與電機扭矩：

(5)

而在t+Δt時刻的各個輥組電機功率與電機扭矩為：

(6)

各個輥組的理論穩態功率與扭矩為：

(7)

根據臨界的張力進行電機的功率與扭矩計算，得到臨界的電機功率與電機扭矩:

(8)

由此可對帶鋼斷帶進行預警計算。

在對斷帶發生可能性進行預警時，分為如下部分進行計算，第一部分是對每一個輥子在t時刻與t+Δt時刻的功率與扭矩進行比較求得電機在Δt時間內的變化率；第二部分為對每個輥子在t時刻的功率與扭矩與理論狀態下的功率與扭矩進行比較并求得變化率；第三部分為將理論穩定狀態下的電機功率與扭矩與該輥子在臨界狀態下的功率與扭矩進行比較。設為Δt時間內的變化值，由此可以得到在t+Δt時刻，帶鋼需要同時滿足以下兩種狀態不會發生斷帶，當不滿足其中一種狀態時則有斷帶發生的危險。

(9)

式中

(10)

具體的計算框圖如圖7所示

圖7 入口斷帶預警模型計算流程圖

根據各個缺陷導致的電機功率與電機扭矩波動，建立電機波動的界線，確定各個輥組合適的電機功率與電機扭矩的斜率波動上限，當電機的功率參數和扭矩參數出現波動或者異常時，就可以依據計算的理論界線進行判斷，來預估帶鋼在輥組運行過程中發生斷帶可能性的大小，從而實現通過連退機組電機功率與扭矩的波動對入口段的斷帶事故的發生進行預警的功能。

4 斷帶影響因素的研究

4.1 輥子精度的調整

連退機組在入口段存在上部轉向輥和沉浸在堿液中的沉浸輥，由于上部轉向輥軸承座支架是固定的，在更換時軸承座并不需要進行拆除，且形式為剖分式，輥子的安裝精度能夠較容易的保持機組安裝時的精度，以上部的轉型輥為基準，對槽底的沉浸輥進行精度調整[3]。此部分的調整分為兩個部分，一個是輥子水平度的調整，一個是輥子靜態檢修調整。

輥子水平度的調整需在沉浸輥完全進入堿液以后，將傳動側和操作側軸承座支架就位，兩側的軸承座放到支架上，測量輥子的水平度誤差，根據誤差情況在兩側的軸承座與支架間墊調整墊片，直到輥子水平精度達到要求精度。

輥子水平度調整好后，將兩側輥子軸承座的連接螺栓緊固好，清洗段帶鋼建張到設定工藝張力，建張完成后，將兩側輥子軸承座的連接螺栓松開，在帶鋼張力和沉沒輥自重的作用下，沉沒輥將左右微旋轉自適應，靜止后，將軸承座的連螺栓緊固好，再將軸承座左右側的止動螺釘緊固好，防止軸承座左右移動，至此，沉沒輥安裝定位完成。利用上部轉向輥來調整槽底沉沒輥，由于沉沒輥是自適應就位的，與上部輥子平行，其垂直度和上部輥子精度一樣，帶鋼兩側的張力將相等。

4.2 輥子的動態調整

利用輥子“以偏制偏”對輥子調整，是一種機組運行時的動態調整。通過靜態調整，機組運行一段時間后，由于轉向輥、沉沒輥不均勻磨損等方面的原因，又產生帶鋼跑偏，由于連退機組連續化生產的特殊性，是不能輕易停機調整的，只能采用這種“以偏制偏”的動態調整[4]。機械糾偏就是靠調整輥子的布置位置，產生機械側向糾偏力，使帶鋼對中。生產過程中，帶鋼往傳動側跑偏，進行現場動態調整輥子，通過調節軸承座左右的止動螺栓，傳動側軸承座向入口端調整，操作側軸承座向出口端調整，即往帶鋼前進的方面看，順時針旋轉輥子。

4.3 設定張力的調整

根據建張過程中設定軋制力偏大造成減薄的特點，為了既保證軋制力合適又能正常建立設定張力，同時又能避免帶鋼過度減薄，除適當減小設定軋制力外，對建張控制進行優化：采用先到達較小的軋制力(為設定值的50%)，然后建立設定張力，當張力建立后，再按設定軋制力進行啟車[5]。優化后控制建張順序為：最小張力→靜張力→建張軋制力→設定張力→設定軋制力。通過對軋制力設置修訂和建張控制優化，啟車段帶鋼厚度減薄量變小，基本消除啟車斷帶。

4.4 擠干輥調整及竄動量控制

如果擠干輥兩端的壓力不均勻，帶鋼將向壓力小、開口度大的一端跑偏。因此，應盡量使擠干輥兩端的壓下動作一致和壓力一致[6]。另外，擠干輥壓力過小，則擠干效果不好；壓力過大，則容易擠傷輥面，使襯膠脫落。為此，擠干輥壓力應控制在0.2～0.3MPa。清洗段的刷輥等小輥子在運行過程中，由于接手及軸承座的松動等問題，會發生垂直于機組中心線方向的竄動，對帶鋼造成橫移擾動，包角大的輥子比包角小的輥子橫向竄動對跑偏影響大。因此，應盡量控制其竄動量。

5 現場應用

某鋼鐵企業1420連退機組斷帶頻率為10次/年，由于斷帶停機每年會給機組帶來巨大經濟損失，為此，采用本文所述相關技術模型進行模擬計算和對相關因素進行精確檢查。通過帶入現場數據對帶鋼進行模擬計算，提前預估帶鋼運行過程中的斷帶風險，從而做出合理的參數調整來使斷帶風險降低到安全范圍內。在機組檢修時對影響斷帶的因素進行準確檢查，確保不出現因機組設備問題和來料問題導致的斷帶停機。措施采取后機組斷帶發生率降低到4次/年，減少機組故障時間，給現場帶來了巨大的經濟效益。

6 結論

(1)來料的質量好壞對帶鋼運行穩定性有很大影響，檢查來料的邊裂狀況并記錄，對于不同寬度帶鋼及時進行挖邊處理，并保證好焊機對帶鋼的焊接質量，防止因帶鋼原因造成斷帶事故的發生；

(2)機組設備的輥子精度、張力設定、擠干輥的調整和竄動量都會影響帶鋼的運行穩定性，點檢時對其進行全面檢查，確保各輥組的安裝精度和功能實現，降低斷帶風險；

(3)采用輥組的電機力矩和功率結合帶鋼張力分布可以對現場帶鋼進行斷帶風險預估，進而調整機組各項參數，使斷帶風險降到最低。