熱卷箱卷取站功能精度提升

華長浩 陳高林

（上海梅山鋼鐵股份有限公司熱軋廠 江蘇南京210039）

1 前言

考察梅鋼熱軋廠1422產線熱卷箱的使用狀況，發現熱卷箱卷取站的卷型控制對產品的質量的影響至關重要。卷型控制包括帶卷的塔形控制、卷眼控制、卷層的松緊控制、以及帶鋼上下表面的擦劃傷控制等方面。當卷型控制發生異常時，就會造成開卷困難，甚至廢鋼；同時在一次成卷、二次成卷的過程中沖擊機械部件，造成設備故障；同時帶鋼上下表面也產生大量的擦劃傷，造成質量問題。而這些均與熱卷箱卷取站的入口輥、偏轉輥、彎曲輥、成型輥、1A輥、1B輥等設備的位置關系、速度匹配、標高的跟隨速差密切相關。因此有必要對熱卷箱卷取站的結構與控制進行研究，以便改善熱卷箱功能精度及提升生產穩定性。

2 簡介

2.1 結構與功能

熱卷箱卷取站由卷取牌坊、入口輥、偏轉輥、上下彎曲輥、成型輥、橫梁（上花架）、下花架、一工位、液壓控制組件、電氣控制組件等組成，具體見圖1。

圖1 熱卷箱卷取站機械結構

根據原SMS的設計說明，入口輥、偏轉輥引導帶鋼進入上下彎曲輥，并滯后10%的速差提供帶卷卷取張力，上下彎曲輥提供帶卷初始曲率與橫梁產生一次成卷，形成虛擬卷筒，上下彎曲輥－1A輥－成型輥產生二次成卷，形成卷眼，在余下的卷取過程中，一工位的1B輥隨著帶卷卷徑的增大而下降，最終完成帶鋼成卷。

2.2 精度提升瓶頸

梅鋼1422產線的熱卷箱為SMS公司2005年設計的第一代產品。其卷取站的核心功能是提供“無芯卷筒”及“無芯卷取技術”，但由于當時設計考慮的因素較少或較淺。在長達15年的使用過程中，尤其是熱軋產品迭代的情況下，卷取站產生大量的塔形卷、松卷，并伴隨著帶鋼表面的擦傷降級率、擦傷返修率的大幅升高、甚至廢鋼。因此，卷取站功能精度提升的關鍵就是以分析“異形卷”及帶鋼劃傷產生的原因，研究“無芯卷取技術”的相關設備，使相關設備的安裝精度、控制精度匹配目前的生產需求。

3 問題與處治方案

卷取站功能精度主要存在既相互關聯、又糾纏在一起兩大問題，即：帶卷的異形卷與帶鋼的表面劃傷，現綜合分析與處治如下：

3.1 原因分析

卷取站的帶卷形成分一次成卷、即帶鋼剛出彎曲輥，落在橫梁（上花架）上面，形成虛擬卷筒；二次成卷，即：帶鋼落在成型輥、1A輥上面，形成卷眼及無芯卷筒，在輥速差的作用下，形成后張力，完成卷取作業，見圖2。

圖2 卷眼的形成

在前期生產過程中，卷取站的異形卷較多，主要表現在二次成卷時，鋼卷圓度超過Φ100橢圓卷，塔高超過300mm的塔型卷，各層間隙超過2mm的松卷。

分析圖1、圖2，可以發現：卷型由一工位的1A輥、成型輥、彎曲輥等形成的無芯卷筒控制。其中，1A輥的位置隨著鋼卷外徑的增大而下降，故1A輥的高度與鋼卷外徑有跟隨的關系（注：因為1A輥、1B輥均放置在一工位的框架上，并由1B輥下面的升降油缸控制，故1A輥、1B輥、一工位的升降同步進行）。

顯然，在無芯卷筒卷取帶鋼的時候，各輥組成的無芯卷筒的形位公差決定了帶卷內孔的圓柱度，而當無芯卷筒的形位公差超差時，就會產生塔型卷形成的初始因素。當1A輥、成型輥、彎曲輥歪斜，或者各輥不規則磨損就會加劇產生這些問題。

1A輥的對卷徑的跟隨差則是塔型卷產生的過程因素，即：當一工位的跟隨差高于超過一定額度的時候，1B輥代替1A輥形成無芯卷筒，就會產生橢圓卷，沖擊設備；當跟隨差低于一定額度的時候，成型輥就會失去功能，帶卷浮動跑偏，造成松卷、塔型卷。1A輥的高度控制顯然與電氣程序內的卷徑計算與控制相關。

在無芯卷筒卷取帶鋼的時候，各輥的速度匹配至關重要。理論上各輥的輥速應該相同，但后輥的速度大于前輥一定的比例，能夠形成后張力，有利于卷層的緊湊。原設計給定的一工位輥速超過彎曲輥輥速的10%，彎曲輥輥速超過入口輥速的10%。但此10%的輥速提前量常常產生塔型卷與帶鋼表面劃傷，在降低輥速提前量時，則會產生松卷，或帶卷撞擊一工位的異常事故，需要尋找合適的輥速匹配。

無芯卷筒的彎曲輥由上二下一，共計三根組成，其功能是送卷，提供鋼卷初始曲率。初始曲率的大小，影響了鋼卷的初始的內徑，而當兩側輥縫不相同時，就會產生卷芯大小頭，造成塔型卷。而上下彎曲輥的輥速匹配，與上下彎曲輥的offset值密切相關，不僅影響卷眼的內徑，還會引起帶鋼表面的擦劃傷。

3.2 控制方法

根據上文分析及相關文獻［1］的闡述，可以發現無芯卷筒的圓柱度控制、1A輥的高度控制、輥速匹配控制、上下彎曲輥輥縫控制可以最大程度的提高卷型質量。故就此四個方面采取管控措施。

3.2.1 無芯卷筒圓柱度控制

無芯卷筒由成型輥、1A輥、彎曲輥組成，其圓柱度也由三者的平行度決定。實踐表明，當無芯卷筒圓柱度劣于Φ4mm時，鋼卷塔形就會超過50mm的標準要求。上彎曲輥的位置相對固定，現場嚴格控制其水平度在0.5mm／全長。

成型輥由同步“搖臂－擺臂”控制，且輥身為花輥，磨損周期較長。初始控制的水平度為0.5mm／全長。此時，當1A輥水平度達3.0mm／全長時，鋼卷就會出現超過50mm的塔形。

成型輥在上線使用1.5年后，其位置度為Φ2mm，磨損約為Φ1mm，且不確定傾斜的方向。此時，當1A輥水平度達2mm時，鋼卷就會出現超過50mm的塔形；當1A輥水平度達3mm／全長時，鋼卷就會出現超過80mm的塔形。

綜合考慮，無芯卷筒圓柱度必須控制在Φ4mm以內。其經濟分配如下：①上彎曲輥水平度嚴格控制在0.5mm／全長。②確保成型輥位置度小于Φ2mm，磨損小于Φ1mm、且水平度2mm／全長，③1A輥水平度控制在1.5mm／全長，此時1A輥輥身的容忍磨損可達Φ5mm。

3.2.2 1A輥高度控制

1A輥高度包含兩個方面，即1A輥的初始高度、1A輥對卷徑的跟隨差額。

1A輥對卷徑的跟隨差額不僅對卷形自身有影響，還影響到帶卷對設備的沖擊。在彎曲輥、成型輥、1A輥水平度均為0.5mm／全長的條件下，在初卷帶鋼的時候，當1A輥超高10mm時，無芯卷筒上移5mm，且現場有沖擊的聲音，當1A輥超低10mm時，就會產生廢鋼。這個初始位置，對卷取過程的跟隨差額有遺傳現象。故控制1A輥即一工位的初始位置至關重要。為此對1A輥的高度與帶鋼的一次成卷質量、二次成卷質量、最終卷型質量等相互的關系進行測試，試驗結果見表1。

顯然，1A輥的初始標高與一次成卷困難沒有關聯，但標高在±3mm的范圍內，卷型良好，且帶鋼對設備沖擊最小。

在1A輥的初始標高控制在±3mm的前提下，對1A輥高度與卷徑的跟隨差進行測試。測試發現：當兩者跟隨差在±0.5%時，卷型就會發生異常。為此對控制程序進行優化，確保1A輥高度與卷徑的跟隨差在±0.5%以內。

綜合考慮，1A輥高度的控制要點如下：①控制1A輥的初始標高差±3mm，②控制程序確保1A輥高度與卷徑跟隨差小于0.5%，③1A輥水平度新品要求0.5mm／全長，極限要求1.5mm／全長。

3.2.3 輥速匹配控制

輥速匹配包括“上彎曲輥－入口輥輥速匹配”、“1A輥與上彎曲輥輥速匹配”、“上彎曲輥－下彎曲輥輥速匹配”相互關聯、又獨立的三個方面，同時極易磨損的1A輥輥徑變化，對輥速匹配也有較大的影響。這四個方面，現場進行分別測試。其中，彎曲輥－入口輥輥速匹配的結果如表2。

表2 彎曲輥速對入口輥速的提前量與帶卷質量關系

顯然，“彎曲輥－入口輥”輥速匹配與“一次成卷沖擊上花架”沒有關聯，與帶卷質量僅限于擦痕，顯然彎曲輥只要比入口輥有3%提前量即可。

“1A輥－彎曲輥輥速匹配”的試驗結果見表3。

表3 1A輥速對彎曲輥速提前量與帶卷質量、1A輥徑磨損關系

顯然，1A輥對彎曲輥的輥速提前量，不應小于3%，但不能大于5%。否則輥面磨損加劇，或有異常松卷。

“1A輥（設計直徑Φ400）的磨損－1A輥對彎曲輥的輥速提前量”與帶卷表面質量及卷型也密切相關，通過在線測試，在1A輥速對彎曲輥速提前量分別為3%、5%、10%三種情況下，進行1A輥磨損檢測。結果見表4。

表4 1A輥面輥徑與帶卷質量關系

表4表明，當1A輥磨損達Φ7mm時，就會產生無法校正的異形卷、且帶卷表面有明顯擦劃傷。這是由于1A輥磨損的增加，會導致彎曲輥與1A輥母線平行度有偏差，進而使“無芯卷筒”的圓柱度超標。同時，不規則的輥面磨損，也會增加擦劃傷的幾率與嚴重程度。故在1A輥輥速提前量為（3～5）%情況下，規定1A輥面最大磨損量小于Φ5mm。

綜合考慮，輥速匹配控制要點如下：①“彎曲輥－入口輥”輥速提前量10%，②1A輥對彎曲輥的輥速提前量（3～5）%，③控制1A輥面磨損量小于Φ5mm。

3.2.4 彎曲輥縫控制

彎曲輥縫控制包括彎曲輥水平度控制、輥縫標定精度控制與輥縫offset值控制三個方面，同時也與上下彎曲輥輥速匹配密切相關，這四個方面決定了初始卷徑的大小、無芯卷筒的初始圓柱度，并關系到帶鋼表面的擦劃傷。

SMS的設計要求的彎曲輥的標定精度見表5：

在表5中，上彎曲輥水平度的變化周期較長，使用兩年也不會有變化，而下彎曲輥的水平度與橫梁（下花架）的位置度度相關。橫梁位置度超過Φ2.0mm，下彎曲輥的水平度就可能超標，故確認橫梁位置超過Φ2.0mm時，即予以維修。

表5 彎曲單元輥縫精度

在彎曲輥水平度滿足要求的情況下，由于上下彎曲輥輥身不接觸，表5要求①檢測兩側的上下軸承座距離，②在輥縫為50mm的情況下，可以采用壓銅棒標定。顯然上下軸承座距離檢測方案不能直接檢測上下彎曲輥的輥縫，且或略了輥徑不規則磨損的影響；輥縫的檢測誤差常常超過2mm；而壓銅棒標定，對新彎曲輥完全可靠，對磨損的彎曲輥，誤差則由輥徑磨損的程度決定，且標定時間長達2h。

通過研究，并參照相關文獻［2－3］，設計新的標定方案，即①輥徑磨損由Φ5mm縮小為Φ3mm，以便降低輥徑磨損的影響，②通過特制的標定模具（如圖3）進行標定，將輥縫的標定精度提高到0.5mm，標定時間縮小為0.5h。

圖3 輥系標定圖

彎曲輥輥縫offset值，關系到帶鋼頭部的落點位置與初始卷徑的大小，經過現場測試，其主要的影響關系見圖4。帶鋼頭部的落點位置位于上花架的下1／3，卷型最優，此時offset數據見表6。

圖4 帶鋼落點與卷型關系圖

表6的offset予以固化，但需要根據彎曲輥的輥徑磨損進行微調。

綜合考慮，彎曲輥縫控制要點如下：①嚴格執行橫梁位置度Φ2mm，②采取特殊模具標定彎曲輥輥縫，③對不同板厚采用不同的offset值，并現場微調。

上下彎曲輥形成了帶卷初始曲率，造成帶鋼內外表面的速差，故上下彎曲輥輥速匹配關系到彎曲輥面與帶卷表面的打滑程度，即劃傷的幾率。現場的“上下彎曲輥速度匹配－帶鋼厚度－劃傷情況”試驗數據見表7。

表6 彎曲輥輥縫offset試驗值（mm）

表7 上下彎曲輥速度匹配試驗數據

綜合考慮，為了保證帶鋼表面質量，確認下彎曲輥輥速滯后上彎曲輥輥速1～2%。

3.2.5 卷型控制

在固化上述技術的基礎上，開發卷型控制程序，主要包括卷眼形成的控制和成卷后速度的優化兩個方面，同時將輥速的基準統一為入口輥輥速。

卷眼形狀的控制：通過控制彎曲輥的輥縫H值，使帶鋼頭部與上花架接觸部位控制在其下1／3范圍內。要點是通過固化各種板坯厚度的offset值，給定初步的帶鋼曲率，使帶鋼一次成卷位置位于上花架的下半部，通過輥縫微調，使帶卷一次成卷位置位于下1／6至1／3處。

成卷后速度的優化主要包括上彎曲輥、下彎曲輥、1工位A輥、成型輥、及1B輥下降速度。通過綜合試驗，成果如下：上彎速度超前入口輥的3%，下彎超前入口輥的1%，1A超前入口輥的6%，成型輥超前入口輥的6%。隨著鋼卷外徑增大，1A輥與之相對應的自動下降，1A輥與卷徑的跟隨速差控制在0.5%，確保了成卷過程中鋼卷與1B輥不接觸。其關系圖見圖5。

3.3 效果

通過上述的各種實驗與卷型控制的技術程序的開發，將各種經驗值予以相對固化，并在生產過程中逐步優化，使帶卷“異形卷”的發生率由19年的10%下降到目前0.5%，帶鋼的表面擦傷降級率由19年的0.17%下降為目前的0.034%；擦傷返修率由19年的0.9下降為目前0.04%。

圖5 卷型控制示意圖

4 結論

通過對SMS設計的熱卷箱卷取站的研究，實現了該品牌的一代產品的功能精度的提升，修正了原功能說明的各輥的速度匹配、1A輥的標高跟隨、設備位置度偏差、彎曲輥縫標定等技術參數，不僅滿足了目前的生產需求，提升帶鋼表面的質量，也為熱卷箱的迭代更新提供參考。