冷轧带钢纠偏设备机械故障优化路径

陈绍龙

轧制是钢材主要的成型方法，据统计，目前超过 90% 的钢材均采用轧制成形工艺。室温条件下轧制成形的带钢称之为冷轧带钢。相比于热轧工艺，冷轧得到带钢具有更高的尺寸精度、更均匀的厚度、更光滑的产品表面、更优异的机械性能以及更薄的钢板厚度。伴随着家电、汽车、桥梁工程、化工、纺织等领域或产业的飞速发展，各领域对设备材料品质的要求也逐渐增加，因此，对性能更加优异的冷扎带钢的需求量也逐渐提高。据统计，2006 年至 2016 年十年间，全球冷轧带钢产品的需求与产量均呈现上升趋势。其中，2016 年产量达到 2.7 亿吨。我国钢铁产业相比西方发展较为缓慢。仅就冷轧带钢而言，早在 19 世纪中叶，德国就率先开启了冷轧带钢生产线，而我国首套冷轧带钢生产线是在 20 世纪 60 年代于鞍钢建立。近年来，冷轧带钢产业发展迅速，武钢、鞍钢、本钢、马钢、太钢、首钢等先后引进了超宽冷连轧机组，大大提高了产品的品质与供应量。目前，我国冷轧带钢整体大致可满足自身需求，但整体质量相比国外进口产品仍有所不足。

目前，连续性轧制生产机组已成为冷轧带钢的主要生产设备，设备生产的连续性对于产品稳定的产量与品质的十分重要。因此，对企业而言应当尽可能排除影响连续生产的不利因素，保障机组的稳定运行。然而，在实际生产中，带钢跑偏现象始终难以得到根治。据文献报道，首钢京唐某机组带钢跑偏率甚至可达到 40% 以上。带钢跑偏现象已成为影响生产效率、产品品质的最主要因素，尤其是在酸洗与轧机联合机组、连续镀锌机组等产线中，整条带钢的长度可以达到几千米，一旦发生带钢跑偏将严重降低生产效率并造成巨大经济损失。同时，对于生产高度较高的镀锌线、冷却塔等部位，带钢在长距离运送过程中容易发生左右或上下摆动，进而造成跑偏。此时，跑偏不仅会本身的正常运行造成不利影响。此外，如果跑偏带钢速率过快，也将对其周围轧制机组造成二次损坏，进而引发生产事故。

针对上述问题，本文系统性地对冷扎带钢的跑偏机制、常见的纠偏设备以及其纠偏过程的工作原理进行了深入总结。同时考虑到纠偏设备的机械故障同样是诱发带钢跑偏的重要因素，本文又对冷轧带钢纠偏设备常见的机械故障进行了分析与总结，并针对性地提出了解决方案以及优化手段。期望本文的相关阐述与分析能够为冷轧带钢新产业工人了解带钢跑偏的及纠偏装置的基本原理、为相关技术人员了解纠偏装置的常见机械问题及掌握相应处置手段、为相关管理人员建立合理的安全管理机制以保证带钢生产的连续稳定进行提供理论与实践指导。

1 冷轧带钢跑偏的影响机制

带钢跑偏是其生产过程中一种常见的现象，该现象不仅会影响生产的连续进行，严重时甚至会造成生产机组设备的损坏。分析带钢跑偏原因，确定跑偏影响机制是抑制此类现象、保障生产连续的重要前提，因此，本文首先对冷轧带钢跑偏的影响机制进行如下总结。

通常而言，冷轧带钢的板型、硬度与包角、辊子的粗糙程度以及凸度都是造成冷轧带钢跑偏的主要影响因素。良好、合理的设计能够尽可能地降低上述因素对于冷轧钢带跑偏的影响，是目前解决上述问题的根本保障。设计时需要将带钢自由端长度与实际产品的规格、工艺参数以及设备布置联系一起，并且应当注意纠偏设备的配置以及合理的纠偏角度。同时，在方案设计中应当合理地利用比例效应辊、积分效应辊以及比例积分效应辊，通过合理的配置手段使得整体设备的纠偏水平大幅提高。在实际应用过程中，应当注意纠偏精度以及实际生产条件对纠偏设备的需求情况。如在圆盘剪、连轧机入口处等高精度需求的部位，应当针对性地配置高精度纠偏装置，保证产品质量。在涉及温度变化的应用场景中，应当考虑温度对纠偏设备的影响。例如，对于连续退火机组，应当根据不同位置的温度情况，合理分配纠偏装置。对于连续热镀锌机组，需要将辊面加工出螺纹形状，进而极大地提高辊面与带钢之间的摩擦力，保障带钢的加工的顺利进行。

除设备设计因素外，设备的制造和安装也是冷轧带钢跑偏的一类重要影响因素。尤其在我国钢铁产业现代化的背景下，设备的设计日趋成熟，相比之下制造和安装引起的跑偏问题更为突出。例如，对于精度要求较高的设备，尽管其出厂前已经完成了精度检验，而在实际运输、吊装、安装过程中仍会造成精度超差。常见的案例有辊子水平度或机组和辊子垂直度的安装偏差，运输、吊装过程造成的轴承磨损、变形或辊面粗糙等问题。此外，还需要注意 CPC 结构框架等安装问题。由于该设备通常在其他设备就位后就开始安装，框架的中心线与机组的中心线的偏离也会引发整个设备偏差大于设计允许的最大公差范围，导致设备不能按原设计目的进行正常运行，进而容易诱发冷轧带钢跑偏。在实际加工过程中，辊子加工的精度偏差，或者是应用中造成辊子的单边磨损严重，均可能会导致辊子辊体呈现锥形。区别于正圆柱体形状的辊体，锥型辊体在沿轴转动的过程中，不同辊面位置的旋转线速度有所不同，这会导致带钢在辊径较大的辊锥方向具有横向分力，而当该分力大于横向摩擦力时，带钢会向辊径较大方向跑偏。

同时，不当的设备工艺参数也会造成带钢运行过程中在辊面发生跑偏。通常，带钢横向摩擦力小于其横向的扰动力是出现跑偏现象的最重要原因。而且带钢在辊面的摩擦力也受其与辊面之间张力的影响，错误的工艺参数会导致带钢与辊面之间张力过小，引发带钢跑偏。有时候，应当根据实际加工情况对工艺参数进行灵活调整。例如，发生剪切或甩尾时应当及时针对性地做出减速或加速处理。应当注意速度变化的平缓性，防止速度变化过快引起的打滑问题。而在加工过程中，如果夹送辊两侧辊压不同，也会造成带钢向压力小的方向跑偏。应对此类现象，应当考虑更换轧辊以改善压力不均匀情况。

此外，原料本身的缺陷性质或板型、板面问题也会引起带钢跑偏问题。对于镰刀弯、单边浪、焊缝对齐不良等原料而言，原料中的缺陷极易造成带钢加工过程中的跑偏问题。同时，板型缺陷会导致带钢在辊子上所受张力的不均匀性，严重时将引起横向扰动力过大，当扰动力大于摩擦力时会引发跑偏现象。同理，对于板面而言，过于粗糙的表面也会导致扰动力过大 ；相反，如果钢材表面涂有防锈油层，不加处理直接加工会导致摩擦力较低，也会引发跑偏现象。

2 冷轧带钢纠偏设备及其工作原理

纠偏设备对于抑制带钢加工生产过程中的跑偏现象，提高生产的连续性与稳定性发挥了重要的保障作用。本文对常见的冷轧带钢纠偏设备及其工作原理进行了如下总结。

2.1 冷轧带钢纠偏设备

冷轧带钢带纠偏设备通常有定心辊子、强制纠偏装置、自动纠偏装置等形式。定心辊子是一种通过将辊子设计成凹、凸或沟槽等特殊形状，使其在带动带钢运动的过程中始终给予带钢一个指向中心的作用力。该作用力保证了带钢在向某些方向偏移的过程中，能够及时地获得一个反方向的作用力。这种作用力保证了带钢跑偏现象从很大程度上得到抑制。为保证该装置起到作用，必须要求带钢本身的尺寸均匀，能与辊子有良好的接触。同时，由于该方法纠偏能力有限，所以也要求所需求的纠偏量相对较小。强制纠偏装置是一种采用侧导板或导辊的实现强制约束带钢，防止跑偏的装置。相比于定心辊子装置，该装置可实现的纠偏量更大，更适用于那些带钢较为厚重，且运行速度较缓的应用场景之中。相反，对于速率较快或者厚度较薄的带钢，该设备容易造成材料损坏，影响机器连续生产能力。自动纠偏装置是一种相对更为复杂、智能化水平更高的、纠偏精度高的纠偏装置。自动纠偏装置通常有摆动式和移动式两种结构形式。前者主要应用于冷轧机入口、镀锌机活套带材等场景中，按辊数量可分为单辊、双辊和三辊三种形式。单辊是辊子沿着轴线支点方向摆动，通过摆动产生的摩擦力实现冷轧带钢的纠偏。双辊则是两个辊子共同沿着支点摆动。三辊更为复杂，分上辊和下辊两种摆动纠偏辊，两者协同实现左右摆动，进而完成纠偏过程。移动式纠偏装置则是采用开卷机和卷取机实现轴向移动纠偏。

2.2 冷轧带钢纠偏设备的工作原理

在阐述纠偏设备工作原理之前，首先对带钢跑偏机理进行简单介绍。在冷轧带钢连续式生产过程中，造成跑偏现象主要有两方面的机理。其一，材料板型问题引发的跑偏。带钢边缘出现弯曲、波浪、塔型等不规则形状。这些不规则形状导致，连续生产过程中，带钢所受到的扰动力增加，进而提高了发生跑偏的概率。其二，纠偏设备本身的质量问题。实际运转过程中，由于纠偏设备发生辊轴锥化、辊面粗糙等问题，导致纠偏设备的纠偏能力严重下降，进而引起带钢出现难以避免的跑偏。

为了强化对带钢跑偏的控制，降低跑偏对连续生产的影响，一般生产线中多会将多台 CPC 纠偏设备共同投入到生产线中，进而强化纠偏能力以及纠偏的稳定性。这些 CPC 纠偏系统主要有五个部分构成，即 ：位置检测器、测量信号放大器、电液伺服器、纠偏液压缸、纠偏辊和支架。整个 CPC 系统是一个闭环控制系统，位置探测器在带钢运动过程中始终对其两端进行检测，同时对相应信号进行实时记录并输入到信号放大器之中。信号放大器负责将信号处理并输入到控制器之中。控制器在得到信号之后，根据信号的内容可以实时的对电机、液压缸以及纠偏辊的运动进行控制，以保证带钢始终保持在机组中心线附近的安全范围内。

3 冷轧带钢纠偏设备机械故障及优化路径

纠偏设备在长期运转过程中，难免会出现机械故障。这些故障会导致设备的纠偏能力的下降，并影响生产效率。现对冷轧带钢纠偏设备出现的常见机械故障进行总结，并针对性地提出相应解决和优化路径。

纠偏设备的机械故障主要表现在支撑滑道变形、纠偏辊问题、液压系统故障、结构框架变形这四个方面。

3.1 支撑滑道变形

在带钢轧制生产线上，为带动带钢的运行，通常需要对其施加较大的张力。因此，相应地也会对带钢的纠偏装置的支撑滑道产生较大的冲击力。纠偏设备也会在长期的受力作用下发生形变或磨损。支撑滑道的中位是纠偏设配最薄弱的环节，因而最容易因受力而发生变形以及磨损。经过长期使用，滑道中位处容易受压形成一个凹陷的圆形浅坑，受液压缸作用，支撑轮经常在浅坑处滑入以及滑出。浅坑的存在会影响支撑轮进出的速度，进而对纠偏能力造成影响。通常，滑入时支撑轮速度变快，纠偏阻力变小，容易出现过度纠偏，而滑出时，纠偏阻力增大，使得纠偏性能降低。纠偏能力的频繁变化还会导致纠偏设备的交变负荷增大，进而引起纠偏灵敏度的下降。此外，频繁的交变负荷也会对纠偏设备控制支架造成严重负担，容易最终引起支架或连接处部件的断裂。针对支撑滑道变形的情况，应当定期对滑道进行检修，对于形变不严重的情况，应当适当对滑道进行修复。然而，对于变形严重的情况，应当及时进行更换，避免由于滑道磨损变形引发的生产事故。

3.2 纠偏辊问题

纠偏辊问题主要体现在其不同部位出现的磨损、形变问题。首先体现在纠偏辊辊面的粗糙程度变化的问题。纠偏辊是整个纠偏设备的核心设备之一，负责实行纠偏动作。其辊面多为聚酯材料，该材料可产生较强的张力，但长期使用也会导致辊面因与带钢摩擦而变光滑，导致其与带钢之间的摩擦力相应减小。摩擦力可以约束带钢的无序扰动，辊面变光滑会导致纠偏能力严重下降。针对此列情况，同样应当定期对辊面进行检修，将粗糙度不足的辊面进行及时更换，保证生产的稳定性。

其次是纠偏辊锥度问题。纠偏辊的形状对纠偏效率有很大影响，尤其是对于锥形的纠偏辊，由于辊面各点线速度的不同会导致带钢上会形成摩擦力矩，进而会导致带钢不同位置应力分布不均。同时，随着辊体锥度的增大，带钢的不同区域张应力的差异也随着增加，造成带钢跑偏速率随之增加。正常情况下，纠偏辊辊体应该为正圆柱形状，造成辊体锥化的原因有如下两方面原因。其一是加工辊体过程中出现偏差，使得辊体本身呈现锥体形状。另一个原因是辊子在使用过程中，不同部位磨损情况不同，进而形成的锥形。针对辊体不规则引起的问题，也应当定期对辊体进行检修，同时在日常生产过程中应该注重观察辊体运行情况，如发现带钢出现习惯性跑偏，则应该立即对辊体进行测量，并及时更换问题辊体，保证生产秩序与效率。

3.3 液压系统故障

液压系统是整个纠偏系统的重要的动力来源，尽管其工作环境为密闭条件，但在复杂的工况下，液压系统仍可能受到外界环境中有害污染物的污染而造成腐蚀，或者接触到粉尘碎屑的长期磨损，导致油封、马达、控制阀等部件出现泄露，进而引起上述器械的故障或寿命缩短，严重时甚至可能导致整个液压系统的瘫痪。液压系统的故障会导致其液压数值的不准确，对纠偏系统的精通造成重大影响。针对液压系统可能出现的问题，应当定期对其进行检修，尤其是过滤器，应当定期对其进行清洗或更换。同时，对于液压油的油品也要有定期检测，发现异常应当及时更换，避免其中污染物或金属碎屑对整个液压系统造成的潜在风险。

3.4 结构框架变形

纠偏设备框架的正常结构是保证纠偏系统正常运行的重要前提，然而，生产过程长期的受力或者某些错误操作均可能使得纠偏系统框架结构的变形或者出现局部连接螺栓的松动等问题。加之纠偏设备本身的支撑轮、中心轮的磨损变形，导致纠偏系统纠偏阻力增大，纠偏液压缸承受负荷增大，最终可能导致液压缸损坏并引起整个纠偏系统瘫痪。针对结构框架变形问题，一方面应当制定合理的检测机制，定期检修和养护，针对易磨损区域应当加派人手进行维护。另一方面应当及时检修纠偏液压缸，保障缸内注油量充足，为纠偏设备提供动力保证。此外，也应该在年修时将框架整体进行全面的测量，尤其是针对可移动配合加工面，应严格确保偏差在合理的公差范围内。

4 结语

综上所述，本文系统地总结和分析了冷轧带钢跑偏机制、常见的冷轧带钢纠偏设备及其纠偏原理、冷轧带钢纠偏设备机械故障及优化路径。在实际的加工生产过程中，带钢跑偏是一种较为普遍的现象，该现象受到带钢板材、加工或纠偏设备偏差或损耗等多种因素的影响。纠偏装置可以较好地抑制带钢跑偏现象，是提高生产连续性与稳定性、保障带钢质量与品质的重要设备。然而，在长期的生产过程中纠偏设备也会发生不同类型的损耗、形变或者故障，这些问题均会导致纠偏设备的纠偏能力严重下降，影响生产稳定性，严重时甚至可能导致生产机组的损坏，引发安全事故。应对上述问题应当首先建立定期检修制度，保障纠偏机组处在良好状态，同时也应当针对易损部位设置专人进行重点监测，以确保纠偏机组的稳定、安全运行。