微张力控制在连轧棒材生产中应用

尹少华

摘 要：现代高速线材轧机为保证产品尺寸精度，采用微张力及无张力轧制，以消除轧制过程中各种动态干扰引起的张力波动和由此引起的轧件尺寸波动。阳春新钢铁一棒棒材，粗轧6台轧机，中轧6台轧机均采用微张力轧制，精轧机采用无张力轧制。张力是连轧中最活跃的因素，防止张力的消极作用，是连轧中张力控制的关键。

关键词：张力；微张力；级联调速；微张力调整

中图分类号：TU198文献标识码： A 文章编号：

前言

微张力控制的目的是使中轧机组各机架之间的轧件按微小的张力进行轧制。微张力控制是保证高速棒线材轧机顺利轧制和提高产品质量的必要手段。张力控制是一个复杂的过程，高速棒线材一般采用“电流-速度”间接微张力控制法。它的基本思想是：张力的变化是由线材的秒流量差引起的，而调整轧机的速度就能改变秒流量，以达到控制张力的目的。其控制方法同轧机速度的级联调节方向有关，如果级联速度为逆调，则需控制各机架的前张力；如果级联速度为顺调，则需控制各机架的后张力，即：当钢坯咬入下一机架后，根据本机架同下游机架之间的堆拉关系来调整下机架的速度设定，使本机架与下机架之间的张力维持在设定值。

张力控制的原则

保证轧制的顺利进行，不能造成堆钢或拉断现象；

控制的张力值要使轧件处于稳定状态的效应大于各种外界因素变化引起的不稳定效应；

应使轧件头中尾尺寸偏差尽可能小；

张力的控制主要靠调速来实现，调速必须采用级联调速的方式。

在实际实施中，需要着重解决以下两个难点：

无张力矩的存储

在本系统中没有测张元件，微张控制的控制目标是使轧机在无张力矩下轧制。所以，无张力矩的计算与存储就成为微张控制中的关键。无张力矩是靠轧件的头部来确定的。如下图所示。

当轧件进入第一机架，未进入第二机架时，第一机架处于无张轧制状态，在进入第二机架前确定第一机架无张力矩并记录。当轧件进入第二机架时，第一机架的力矩会由于一、二机架速度不匹配发生变化，这时靠调节第二机架速度，使第一机架恢复到记录下的无张力矩值。在第一机架调节到无张力矩后，轧件被第三机架咬入前，第二机架处于无张轧制状态，此时确定第二机架的无张力矩并记录。以此类推至后面机架。调整后的机架之间的速度级联关系被锁定，供下一根钢轧制时使用。这种自学习的控制过程，通过几根轧件轧制后，力求使微张力保持在工艺要求的范围内。

无张力矩的存储示意图

微张参数计算

C. 转矩PID调节量

A. 定义张力系数

：自由轧制无张力轧制时电机输出转矩；

实际轧制过程中电机输出转矩。

很明显，可以看出：

：n和n+1机架间拉钢；：n和n+1机架间堆钢。

B. 第i次采样时的电机转矩偏差值为：

张力系数设定值，由轧制规程给出。

由于在电机调速时,用两种方式,基速以下,调节电枢电压,基速以上调节磁场。因此，力矩的计算也分开进行。当速度低于基速时，有力矩公式：

当速度高于基数时，有力矩公式为

其中：：实际轧制时，电机的电枢电流采样值；

：自由轧制时，电机的电枢电流采样值；

：弱磁点的电机转速；

：轧制过程中弱磁后的电机转速。

其中，为比例增益，为积分增益，为微分增益，T为采样周期，为积分时间，为微分时间。

D. 速度调节量

计算出的力矩调节量不能直接控制线速度的变化，要使之变化成与延伸系数相匹配的数值。其速度调节量可由下面的式子确定：因为张力偏差作用在电机上的转矩为：

则张力偏差为：

从而第n机架的速度调节量为：

而第n 机架的速度设定量为：

微张力的调整

当发现机架间存在较大的张力的时候，应采用级联提高上游机架速度的方式进行消除，视张力大小采用快增或慢增，边调整边观察，有时要多观察几支钢再进一步调整。在连轧中因为张力不当将要发生堆钢时，尾部一般会起浪，这时就要降上游机架的速度，同时减小上游的张力。当数架间都有较大的张力时，应从上游开始消张力，同时一边观察全线的张力情况，防止下游机架间堆钢。当成品的料形比较理想了，适当保留一点张力也是可以的。

实际应用中存在的问题

在钢坯即将进入下架轧机之前和刚进入下架轧机不久，本架轧机转矩的变化代表两架之间有推、拉关系存在。实际上，一架轧机转矩在钢坯进入下架轧机之前和之后的相关性仅在较短时间内很高。所以，使自由轧制转矩和实际轧制转矩的取样时间尽量靠近，同时掌握实际轧制转矩的取样和微张力调节过程的持续时间，以保证使转矩信号在高相关性时把微张力控制完成。另外，由于每台轧机的各种信号由调速装置经高速通讯网络传给PLC，由调速装置送来的转矩信号需滤除由速度控制所产生的高频干扰信号。滤波时间常数应根据轧机的线速度和轧机之间距离计算确定。虽然滤波时间常数越大或PLC控制程序中滤波平均次数越多所得到的转矩信号越平稳，但得到的转矩信号的延迟也越大。并且，若滤波平均次数过多，还会较大地降低程序的运行速度，影响微张力控制效果。反之，同样得不到好的微张力控制效果。所以，微张力的调整和使用要求是很高的。 应用中，造成影响粗轧区微张力控制的因素是多样的。主要有：:机架前、后的热金属检查器位置偏移、或者损坏、灵敏度降低等原因造成辊道上轧件定位跟踪的偏差或错误;电机过流导致的无法轧制;后继工艺堆钢、拉钢。

结束语

由于采用了微张力控制，大大提高了产品的质量和成材率，经过一年多的生产实践证明，采用微张力控制模型对于产品的成材率和合格率都是非常有益的。

参考文献:

黎景全编著.轧制工艺参数测试技术（第三版）. 北京：冶金工业出版社，2007.

曲克主编.轧钢工艺学。北京：冶金工业出版社，1991.

赵刚等编.轧制过程的计算机控制系统 北京：冶金工业出版社，2002.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。