棒线材连轧中的张力控制

李 杰, 刘 毅， 张艳春

（1.河钢集团钢研总院， 河北 石家庄 050023； 2.河北钢建集团， 河北 唐山 063000）

棒线材连轧中的张力控制

李 杰1, 刘 毅1， 张艳春2

（1.河钢集团钢研总院， 河北 石家庄 050023； 2.河北钢建集团， 河北 唐山 063000）

对棒线材生产中的连轧张力进行了系统分析，提出张力控制对生产过程的稳定性和最终产品的尺寸精度具有重要影响。对影响张力的主要设备和工艺因素给出了理论分析；提供了实际应用中连轧过程中的张力值的判断方法和调整依据，提出了利用活套套型和速度级联变化数据实现棒线材连轧过程中的张力精准控制的解决方案。该方案可直接减少深加工过程中的模具损耗，提高工作效率以及优化最终产品质量。

棒线材 连轧 张力 活套 尺寸波动

随着国民经济的发展，棒材和线材产品在基础设施建设和工业制造中获得越来越广泛的应用。棒线材的轧制装备水平不断进步，产品档次不断提升，市场的发展对棒线产品质量的要求也在持续提高。棒线材产品尺寸精度对下游用户至关重要，直接影响深加工过程中的模具损耗、工作效率以及最终产品质量。因此要提高棒线产品的尺寸精度以满足下游用户的要求，进而提高产品的质量和竞争力，实现连轧过程中的张力精确控制是必要条件[1]。

1 棒线生产连轧概述

我国目前装备的棒线材轧机绝大多数为全连续轧制。棒材轧机的典型装备为粗轧机组、中轧机组，均布置为六机架平立交替；精轧机组布置六架可翻转的平立交替轧机，多数为高刚度轧机。一般中轧机组和精轧机组配有5～6个活套。高速线材轧机的典型装备为国产摩根五代机型，引进生产线带有减定径机组。预精轧机组使用悬臂辊环式轧机，精轧机组为45°顶交轧机，全线配有6～7个活套。坯料一般采用165或150方坯。张力控制粗中轧机组一般采用头部微张力自动检测控制，高速区采用活套控制实现无张力轧制。

2 张力对尺寸波动的影响

张力轧制的直接结果就是造成产品尺寸在长度方向上不均匀，即头尾孔型过充满，尤其是尾部尺寸变大尤为突出。张力对产品尺寸波动的影响实质上是张力对轧件在孔型中宽展的影响。轧件尾部离开上游机架后即处于无张力状态，两个机架间距离等长度的轧件张力消失后宽展开始增加，造成尺寸变大。而头部仅在咬入瞬间处于无张力状态，一旦冲击速降消失，连轧关系建立则立刻形成张力轧制状态，且张力越大，则轧件头、中、尾三者之间的尺寸差别越大。

3 连轧张力对轧制过程稳定的作用

连轧过程中必须保持一定的微张力。在轧制生产中存在大量的不确定干扰因素，张力存在的目的是抵消这些干扰因素，维持轧制过程的顺利进行。典型的干扰因素有：钢坯沿长度方向的温度差异、不同钢坯之间的温度差异、钢坯断面因连铸结晶器磨损引发的尺寸波动、连铸坯内部组织致密度的差异等，都会造成轧制过程中轧件宽展发生变化，从而引起连轧常数的变化，进而引起连轧过程的不稳定。适当大小的连轧张力可以抵消这部分的干扰波动，使轧制过程顺利进行。

由于棒线材轧制都是横向和竖向两个方向交替压缩变形，适当的张力对成品尺寸的影响可以在下游的无张力轧制状态中消除（棒材轧机）或者在高线精轧机组轧制后控制在最后的尾部3～10 m（1～3圈）之内，带有减定径机组的棒线材轧机则基本消除了一定范围内张力对成品尺寸的影响，从而实现高精度轧制。

4 张力值的判断方法

4.1 电流负荷法

实践表明，后张力的存在会升高轧机的电机负荷，前张力会降低轧机的电机负荷。咬入前后的电流值即可判断张力大小。张力越大则咬钢前后电机电流值变化越大。这个变化值不可大于轧机总电流的8%。一般控制在3%～5%之间比较理想。将此电流变化值通过数学模型计算后得到对应张力值，进行自动的记忆比较，即为头部微张力控制原理。由于目前条件下准确的实时测量连轧时轧机之间的张力值尚存在困难，头部微张力的张力值调整仍然是通过轧机电流的变化比较来实现的。

4.2 活套套形判断法

在棒材和高速线材轧机中，活套是重要的设备之一。活套的功能是实现轧机之间的无张力或者微恒张力轧制，活套的工作状态直接影响到最终产品尺寸的波动和生产过程的稳性。

4.2.1 活套形状分析

1）套形1：堆钢活套。如图1所示，活套最高点位于活套横向中心线向下游轧机方向。此种套型说明活套高度过高，处于不稳定状态，没有冗余金属的缓冲余地。

图1 活套形状

2）套形2：临界活套。活套最高点处于中心线中间位置。此种套型活套高度偏高，可以保持无张力稳定轧制，冗余金属缓冲余地偏小。

3）套形3：正常活套。活套最高点处于中心线上一架轧机方向，位于起套辊右方，此为理想套型，处于稳定的微恒张力或无张力状态，具有一定冗余金属的缓冲能力。

4）套形4：张力活套。活套最高点处于起套辊正上方，形成一个斜拉三角形活套。此种套型说明活套处于大张力状态，形成了拉钢轧制。张力严重偏大时起套辊高度会下降，即起套辊被张力向下的分力压制导致起套辊不能升起到位。

4.2.2 首架轧机的累加调速值分析

棒线轧机的首架轧机在空载与全线带载轧制时速度的波动值直观地体现了全线张力的控制情况。轧机空转时为基准转速，全线带载轧制形成稳定的连轧关系后，轧机速度在基准转速基础上开始叠加下游机架的级联调速量。此级联调速量来自两个方面：采用头部微张力控制的粗中轧机组微张力的自动调节，带有活套的高速区域的活套级联调节量，最终全部叠加到机组首架轧机。如前文所述，若初始速度设定过于保守，轧机咬钢瞬间处于拉钢轧制状态，必然造成活套扫描器对调节量干涉过大，每个活套都处于拉钢轧制的情况下，若粗中轧机的头部微张力同时设定过大，全部的自动联调累加到首架轧机，这个变化量可能会达到该架轧机基准转速的20%～30%，而理想状态应该在1%～5%之间，最大不可超过10%，否则必然产生过长的尺寸波动超出可承受范围，严重时会导致轧制过程不能稳定进行。因此通过比较首架轧机上叠加的速度变化量，可以直观地判断轧线整体张力的状态。

5 张力的调整方法

保持轧线的轧制过程稳定顺行和产品尺寸精度必须重视连轧过程的张力处于一个合理的稳定范围内。为了达到精确控制连轧过程中的张力这一目的，必须从以下几个方面入手。

5.1 电机传动特性的优化

如图2所示，时间t为轧机咬钢过程。t1阶段轧机降速，在t2阶段回升，然后速度稳定[2]。Δn为轧机电机冲击降补偿后存在的实际冲击降速值，应该小于电机实际转速的1%，持续时间应小于1 s。如果Δn＞1%或降速时间过长；咬入瞬间的金属累积量过大，存在咬入堆钢的危险，为了消除这种危险，必须降低前架轧机的初始速度，其结果就是咬入时起套，咬入后拉钢，然后活套调节量偏大。最终造成成品尺寸波动明显，即头部大，前半部份偏小，中间正常，尾部偏大。因此，要保证张力状态，轧机电机的传动特性必须要优化到位，保证轧机传动电机有足够的刚度。根据相关资料，国外先进设备Δn值在速降时间内的积分值（图2中阴影部分面积）<0.25%/s。

图2 电机传动特性

5.2 料型的准确控制

连轧张力的建立，是靠连轧的秒流量差值实现的。连轧常数的变化同时受轧件面积和速度的影响。如果轧件面积和速度同时发生变化，将为连轧张力的分析和调整带来极大困难。因此在进行张力调节时，必须先保证其中一个条件固定。因此在进行张力调节时，必须先检查轧件料型在允许误差范围内才可进行速度调整，如料型超差必须先规范料型，然后再进行速度调节。

5.3 轧制温度的稳定

连轧张力的建立是由秒流量差异形成的。因此影响轧件横截面积的因素必然对连轧张力起作用。轧制温度对宽展有着巨大影响。因此保证连轧过程的张力恒定，轧制温度的稳定是一个重要的前提条件。整根钢坯的温度必须保证一致，头部中间尾部的波动应该在30℃以内。

5.4 活套高度的准确设定

活套的高度设定必须在一个合理的范围内。活套设定基准高度过高则会出现图1所示的套型1，活套设定高度过低，则会出现活套“反调”现象，即在出现套型4的情况下，扫描器反馈高度h依然高于设定高度，此时活套调节程序会大幅度降低前架轧机转速试图降低活套高度，若起套辊压力比较小则会将起套辊位置压低，若起套辊支撑力较大，则会引起张力急剧上升直至张力大于轧件的屈服强度引发轧件缩径直至拉断。

6 结语

连轧张力对于棒线材的轧制过程有巨大影响；张力影响轧制过程能否持续稳定的进行，同时又直接影响最终产品的尺寸精度。过大或过小的张力对连轧过程的稳定性和产品尺寸精度的稳定性都有着不利的影响。因此在棒线生产中掌握连轧张力的原理和特性，掌握张力判断和调整的手段是非常必要的。

[1] 强十涌，乔德庸，李曼云.高速线材轧机生产：第2版.[M].北京：冶金工业出版社，2009.

[2] 朱英韬，张竟祥，杨永立，等.棒材连轧机架间张力相互影响的研究及应用[J].电气传动自动化，2003，25（3）：21-23.

（编辑：王瑾）

Tension Control in Continuous Rolling of Rod and Wire

Li Jie1,Liu Yi1,Zhang Yanchun2
（1.Iron and Steel Research Institute of HBIS Group,Shijiazhuang Hebei 050023;2.Hebei Steel Construction Group Co.,Ltd.,Tangshan Hebei 063000）

The tension of continuous rolling in rod and wire production is systematically analyzed.It is proposed that tension control has an important influence on the stability of the process and the dimensional accuracy of the final product.The theoretical analysis is given on the main factors influencing the process and equipment of tension.The judgment method and the adjustment basis in practical application of tension value in rolling process are provided.A solution to realize the precise control of the tension in the process of rod and wire rolling is put forward by using the change data of looper type and speed cascade.The scheme can directly reduce the die loss in the deep processing,improve work efficiency and optimize the quality of final product.

rod and wire,continuous rolling,tension,loop,dimension fluctuation

TG335.6

A

1672-1152（2017）04-0105-02

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.04.39

2017-07-10

李杰（1972—），男，本科，毕业于河北理工学院，工程师，现主要从事棒线材轧钢工艺研究工作。