热轧带钢卷取塔形问题分析及控制措施

王克柱

（山钢股份济南分公司 热连轧厂，山东 济南 250101）

1 前言

济钢1700mm短流程热轧带钢生产线年设计能力250万t，2006年1月投产。轧线主要设备有：3座步进梁式长板坯加热炉（包括后增1座）、1架带立辊四辊可逆式粗轧机、1台切头飞剪、六机架精轧机组、1套带钢层流冷却装置、3台地下卷取机（包括后增1台）。产品为热轧钢卷。钢种主要有低碳钢、优质碳素结构钢、低合金钢、耐候钢、管线钢等。可生产规格：厚度1.8～20mm、宽度900～1600mm的热轧带钢［1］。随着产品结构调整，薄规格比例不断加大，卷取塔形大量出现，严重影响薄规格带钢生产比例的提高，甚至出现卷取机异常停车、卷取机组卡钢等事故，影响生产安全稳定运行，生产能力受到极大的限制，品种规格拓展困难。为此，采取了一系列优化措施，取得了较好的效果。

2 卷取塔形问题分析

为了快速确定塔形问题优化方向，首先从带钢长度方向上分3段分析塔形产生的原因。

第1段为带钢头部，包括从夹送辊咬钢到建立稳定卷取张力的时间内卷取的带钢。带钢出精轧长度约140m。在这段时间内卷取尚未达到稳定状态，带钢虽在咬入夹送辊前，通过导尺二次短行程控制达到对中状态，但在咬入夹送辊后，向助卷辊运动中头部两侧处于无约束状态，头部的“镰刀弯”会引发卷取的不对中现象；同时，由于有时带钢头部形状的左右不完全对称会导致带钢咬入助卷辊初期的两侧不均匀受力，从而引起第1圈缠绕位置的不对中，产生一定的内塔形。另外，助卷辊与卷筒的平行度不良时也将引发带钢头部的不均匀受力，从而产生内塔形。

第2段为卷筒与F6之间建立稳定卷取张力后到带钢尾部离开F6的时间内卷取的带钢。在这段时间内，卷筒与F6建立了稳定的卷取张力，同时侧导板处于动态纠偏的控制状态，即使在侧导板开口度偏大或偏小情况下，通过ITV的监视也可及时修正。因此，第2段的控制相对较为简单，引起的钢卷塔形或面包卷也较少。

第3段为带尾离开F6开始到全部卷取的时间内卷取的带钢，其长度等于F6到卷筒之间的距离，约为120m。在这段卷取过程中，张力靠夹送辊和导尺的夹持产生，任何的板形不良都将明显地表现出来，并直接影响到卷形而形成外塔形。在实际生产中，外塔形产生概率较高，塔形量也较大。在板形控制不够理想时，控制合适的带钢张力与夹送辊压力之比对控制外塔形的效果较为明显。操作者也可根据经验和ITV的观察情况，通过微调夹送辊单侧的压力来适当改善外塔形。

3 卷取塔形的控制方法

通过对带钢全长方向上出现塔形情况的分析，提出了针对卷取机侧导板、夹送辊等设备的改造，卷取张力的合理设定、夹送辊辊型的开发等一系列控制卷取塔形的措施。

3.1 卷取机前侧导尺改造

1）卷取机侧导尺平行度改造。对现场测量，导尺平行度超标，入口较出口大13mm。由于导尺的不平行现象，造成导尺磨损不均，磨损速度加快，更换频繁，增加了成本，同时也造成了卷取卷型的异常，在F6抛钢后，容易造成塔形。针对这一现象，改造将1#卷取机平行段工作侧导尺后移1个齿距。1个齿距为13.5mm，这样就保证了导尺的平行度。

2）卷取侧导尺短行程和控制时序改造。通过对卷取机导尺短行程时序的分析，发现二级设定的导尺开口度相对较大，动作不够迅速，不能及时夹持到带钢。而卷取机导尺不能及时将带钢头部导入到中心位置，是形成头部塔形的重要原因。通过现场实践，将二级设定的余量W0由135mm修改为100mm，将导尺的一次短行程B由50mm修改为最大70mm，二次短行程D修改为30mm；将卷取侧导板一次短行程的动作时序滞后，二次短行程时序适当提前（见图1）。针对导尺响应速度慢的问题，对导尺动作速度进行了调整。修改后带钢的头部对中问题得到解决，很好地控制了卷取内塔的超标问题，头部塔形控制良好。

图1 侧导板动作时序示意图

3.2 卷取机夹送辊辊型改造

卷取机夹送辊工作压力对带钢的卷形起着非常重要的作用。在卷取过程中，要求夹送辊作用在带钢表面的力沿带钢表面横向均匀分布，否则会在带钢表面产生横向移动的力，造成带钢跑偏，从而造成带钢在卷取过程中出现塔形。

改造前由于夹送辊为平辊，中间磨损大于边部，造成磨损不均。通过跟踪生产中使用的夹送辊，对夹送辊的磨损进行了详细的分析，夹送辊的多条磨损曲线见图2。

图2 夹送辊下机磨损曲线

分析图2可知：1）生产1个辊期后，上夹送辊中部磨损部位的直径比其边部磨损部位的平均直径小3～5mm。此时夹送辊已经起不到压紧夹持带钢的作用，难以实现工艺上要求的夹送辊的建张要求，锯齿卷、塔形卷和尾部跑偏问题出现频繁，产品质量明显下降，造成薄规格带钢无法轧制，此时必须更换夹送辊。2）下夹送辊也有相当程度的磨损。下夹送辊的作用不仅仅局限于辊道传递，在轧制薄料时，上、下夹送辊之间合理的速度匹配及对带钢施加适当的夹持力是良好卷形的保证。

薄料的轧制量增加造成夹送辊磨损量相应增大。适当增加上、下夹送辊的辊型凸度，可延长夹送辊的使用寿命，减少换辊次数，同时使上、下夹送辊的凸度具有更合理的分配［2］。其原因如下：1）夹送辊凸度过大，致使夹送辊与带钢之间的接触由面接触变为线接触，从而增大了夹送辊与带钢间的压力，对卷型也不利；2）考虑到夹送辊受热膨胀的影响，夹送辊凸度不宜过大［3］。

基于以上分析，经过试验和调整，最终选用如图3所示的夹送辊辊型配置。即上夹送辊凸度为0.75mm，下夹送辊凸度为1.5mm。

图3 优化后的夹送辊辊型配置

实践证明，优化后的夹送辊辊型配置，在保持良好卷形的前提下，大幅度提高了夹送辊的使用寿命，减少了换辊次数，从而提高产能，降低辊耗，提高了卷形质量。

3.3 卷取机夹送辊压力修正功能

卷取机夹送辊操作侧和传动侧各有1个辊缝调节液压缸，每个液压缸分别内置位置传感器。液压缸两个腔的液压回路接压力传感器。尽管夹送辊设计了辊型，但夹送辊在使用过程中还是会存在不同程度的不均匀磨损。为延长夹送辊的使用周期，保证卷形质量，济钢自行开发了夹送辊压力修正功能。夹送辊辊缝液压传动系统有两种控制模式：一种是APC（自动位置控制）模式；另一种是AFC（自动力控制）模式（见图4、图5）。

图4 夹送辊APC控制模式

图5 夹送辊AFC控制模式

1）APC模式：夹送辊辊缝位置控制是通过比较辊缝设定值和实际反馈值来控制夹送辊辊缝。实际位置通过安装在夹送辊辊缝液压缸内的位置传感器检测出来。设定值和反馈值的偏差通过PI（比例积分）环节给到伺服阀的输出。

2）AFC模式：夹送辊辊缝压力控制是通过比较压力设定值和实际反馈值来控制夹送辊压力。实际压力通过安装在夹送辊辊缝液压缸有杆腔和无杆腔内的压力传感器检测出液压缸的压力；液压缸的压力在Power PC中变换成夹送辊力实际值。Power PC计算助卷辊力设定值和实际值的偏差，偏差通过PI（比例积分）环节给到伺服阀的输出。

随着卷取机夹送辊在卷取带钢时的磨损，会造成带钢偏移，薄材对夹送辊的要求更高。为了更好地控制卷取机的卷形，延长卷取机夹送辊的使用周期，在电气一级控制画面上增加了夹送辊张力修正画面。对于夹送辊的不均匀磨损，操作人员可以进行人工修正。此项功能的投用，大大改善了卷取的卷形质量，解决了卷取机的尾部跑偏问题。

3.4 优化卷取机张力设定

现代热轧带钢卷取生产中，普遍采用张力卷取来改善卷取过程中带钢的变形状态，减轻塔形、扁卷、松卷和尾部跑偏等缺陷。卷取机卷筒在卷钢过程中必须有一定的张力。卷取张力的大小取决于卷取机卷筒的工作状态和产品规格，不合适的张力数值会直接影响产品质量［4］。过大的卷取张力会影响产品内部的金相组织，甚至造成生产产品的规格不满足交付要求。反之，过小的卷取张力亦会影响产品质量及出现带钢跑偏。

为了使设定的张力值适应生产实际，在生产中选取满足上述理论和生产实际的单位张力值，找出单位张力与带钢厚度、钢种之间的变化规律，建立数学模型。通过现场的生产实际情况，对卷取单位张力数学模型进行了优化，并对夹送辊的负转矩进行了优化，保证了精轧抛钢后的张力，优化效果如图6所示。

图6 优化前后卷取张力曲线

优化前张力设定值不合理，曲线波动较大，张力的波动必然会造成卷质量的波动，这也是造成薄规格带尾跑偏的原因之一。优化后张力设定值逐渐趋于合理，曲线波动比较平稳。张力的平稳与合理使卷形控制得到了保障，对解决带钢的跑篇问题有很大的促进作用。

4 应用效果

通过对卷取机机前导尺短行程的优化，夹送辊辊型开发和压力修正功能的投用及卷取张力优化，解决了带钢在卷取后的头部塔形和尾部跑偏问题，目前头部塔形控制在30mm内，尾部微小塔形不超过半圈，满足了客户的要求，提高了合格率。通过现场实际应用，生产运行1.5 a，安全稳定。由于卷取机造成的塔形改判率由原来的0.4%降低到目前的0.16%，卷取塔形问题产生的次品量减少60%。

［1］ 贾泽明，刘韶山.完善济钢1700mm热连轧生产工艺的探讨［J］.山东冶金，2006，28（8）：17.

［2］ 鄢檀力.卷取夹送辊作用分析及其辊型配置［J］.钢铁研究学报，2004，16（6）：33-36.

［3］ 冶金工业部武汉钢铁设计研究院.板带车间机械设备设计［M］.北京：冶金工业出版社，1987.

［4］ 李彦清.张力卷筒的设计及受力分析［J］.钢铁技术，2005（1）：10-14.