铝带热连轧防止带材与张力辊打滑方法研究

第３９卷第３期　冶金自动化　Ｖｏ１．３９　Ｎｏ．３，ｐ９５—９８　２０１５年５月　Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　Ｍａｙ　２０１５　经验交流　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—７０５９．２０１５．０３．０１８　铝带热连轧防止带材与张力辊打滑方法研究　申屠南凯　，司新辉。，许磊。　（１．北京科技大学高效轧制国家工程研究中心，北京１０００８３；２．北京科技大学设计研究院有限公司　北京１０００８３；３．广西投资集团银海铝业有限公司热轧厂，广西柳州５４５００６）　摘要：为了解决张力辊与铝带的打滑难题，结合铝带热连轧机组运行特点，对张力辊工况和受力进行分析，计　算张力辊与带材间的摩擦力矩。通过比较摩擦力矩与张力辊空载转矩的大小以及对机架间设定张力进行校　核，找到张力辊电动机离合器脱开的最佳时间节点，从而有效防止张力辊与带材的打滑现象。该方法在实际　项目得以应用，效果良好。　关键词：铝带热连轧；张力辊；张力校核；摩擦力矩；打滑　文献标志码：Ｂ文章编号：１０００－７０５９（２０１５）０３－００９５－０４　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ｐｒｅｖｅｎｔ　ｓｌｉｐｐｉｎｇ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｓｔｒｉｐ　ａｎｄ　ｔｅｎｓｉｏｎ　ｒｏｌｌ　ｉｎ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｓｔｒｉｐ　ｈｏｔ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｍｉｌｌ　ＳＨＥＮＴＵ　Ｎａｎ．ｋａｉ　，ＳＩ　Ｘｉｎ．ｈｕｉ　，ＸＵ　Ｌｅｉ　（１．Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｆｏｒ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｒｏｌｌｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　ＵＳＴＢ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８３，Ｃｈｉｎａ；　３．Ｈｏｔ　Ｒｏｌｌｉｎｇ　Ｍｉｌｌ，Ｇｕａｎｇｘｉ　Ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ　Ｇｒｏｕｐ　Ｙｉｎｈａｉ　Ａｌｕｍｉｎｕｍ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｌｉｕｚｈｏｕ　５４５００６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｓｌｉｐｐｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｓｔｒｉｐ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｅｎｓｉｏｎ　ｒｏｌｌ，ａｃ—　ｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｓｔｒｉｐ　ｈｏｔ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｍｉｌｌ，ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｓｔａｔｕｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｏｒｃｅ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｅｎｓｉｏｎ　ｒｏｌｌ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｔｏｒｑｕｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒｉｐ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｅｎｓｉｏｎ　ｒｏｌｌ　ｉｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｂｅｓｔ　ｔｉｍｅ　ｐｏｉｎｔ　ｔｏ　ｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔ　ｔｈｅ　ｔｅｎｓｉｏｎ　ｒｏｌｌ　ｍｏｔｏｒ’Ｓ　ｃｌｕｔｈ　ｉｓ　ｆｏｕｎｄ　ｂｙ　ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｔｏｒｑｕｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｕｎｌｏａｄｅｄ　ｔｏｒｑｕｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｅｎｓｉｏｎ　ｒｏｌｌ　ａｎｄ　ｃｈｅｃｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｅｔｔｉｎｇ　ｔｅｎｓｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｒｏｌｌｓ，ｔｈｕｓ　ｔｈｅ　ｓｌｉｐｐｉｎｇ　ｉｓ　ｐｒｅｖｅｎｔｅｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ａ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ａｎｄ　ｒｅｃｅｉｖｅｓ　ｇｏｏｄ　ｅｆｆｅｃｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｓｔｉｒｐ　ｈｏｔ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｍｉｌｌ；ｔｅｎｓｉｏｎ　ｒｏｌｌ；ｔｅｎｓｉｏｎ　ｃｈｅｃｋ；ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｔｏｒｑｕｅ；ｓｌｉｐｐｉｎｇ　０　引言　动控制系统由北京科技大学高效轧制国家工程　铝带热连轧生产工艺在铝带加工中应用广　研究中心自主开发，具有自主知识产权。这条生　泛，热连轧产品范围广、质量好、产量大，全世界　产线是国内首条具有自主知识产权、辊面最宽的　由热连轧生产的铝带占总产量的６５％以上。广　热连轧生产线，其主导产品为高精度、高性能宽　西投资集团银海铝业有限公司３　３００　ｍｍ＋４　Ｘ　幅交通运输用铝板带材，广泛应用于汽车、轨道　２　８５０　ｍｍ“１＋４”铝带热连轧项目一级和二级自　机车等，这条生产线的建成把中国铝带生产技　作者简介：申屠南凯（１９７８一），男，工程师，硕士；收稿日期：２０１４－０９－２５　冶金自动化　第３９卷　术和工艺水平推上新台阶。　在铝带热连轧生产工艺中，通常采用小张力　或微张力轧制，铝带张力是一项重要的技术指　标。实际轧制过程中，张力受到压下量、轧制力、　的波动，因此ＡＴＣ还要把张力偏差信号送到厚　度偏差补偿器（ＭＦＣ）中，ＭＦＣ再把张力偏差信　号转化为厚度偏差输入厚度自动控制器（ＡＧＣ），　以调节铝带厚度　Ｊ。　前滑等因素的影响，因此张力的有效控制不但能　使轧制过程保持稳定，而且在防止轧件跑偏、保　证板形平直等方面起到关键作用　］。张力系统　为强耦合、强非线性时变系统　］，张力变化不仅　热连轧机组在对铝带进行轧制时，需要升起　机架间的张力辊与铝带接触，其目的在于：一方　面可对建张后的带材张力进行测量；另一方面由　于张力辊升起后的高度略高于轧制标高线，因此　会对该机架的参数产生影响，而且会使前后滑值　发生改变，而前后滑值的不确定性又会导致铝带　和张力辊辊面间产生速差滑动（打滑），直接影响　成品厚度及表面质量。为此，在广西银海铝带热　连轧张力控制中，笔者从张力辊的速度控制着　手，找到解决打滑问题的方法，此方法在实际应　用中取得了一定的经济效益。　１　问题描述　铝带热连轧张力控制过程如图１所示。在　连轧过程中，张力辊（ＴＭ）随时检测张力波动，把　测得的实际张力输入张力偏差速度补偿器　（ＡＴＣ），与设定张力Ｆ　进行比较，产生的张力偏　差由ＡＴＣ转换成速度补偿量输入到速度调节器　（ＡＳＲ），ＡＳＲ根据张力偏差信号调节轧机速度，　改变机架间的速差，从而使张力保持稳定。另　外，由于机架间张力波动会导致机架问铝带厚度　ｈ１　ｈ２　日　Ｈ　ｌ　Ｊ　２ｈ　　冈　厂　Ｌ　１片Ｒ　２　、Ｈ２、ｈｌ、ｈｚ一分别为轧前、轧后厚度；Ｖ１、　一轧制速　度设定值。　图１　张力控制过程示意图　Ｆｉｇ．１　Ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｅｎｓｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐｒｏｃｅｓｓ　可对带材起到一定的张紧作用。轧制过程中，需　要对张力辊的速度进行控制。张力辊的速度控　制目前有２种方式：　（１）完全通过实时计算带材的速度来控制张　力辊的转速，使张力辊速度与带材速度保持一　致。但是机架间前滑值经常波动，导致机架间带　材的实际速度很难精确获得，当出现计算偏差时　就会使带材与张力辊之间产生速差，从而对带材　产生严重的划伤。　（２）张力辊传动安装电磁离合器，在铝带穿　带期间未建立张力时，使离合器处于连接状态，　电动机驱动张力辊转动；整体建张后使离合器处　于脱离状态，张力辊仅作为被动辊，带材与其辊　面接触并形成一定包角，利用相互之间的摩擦力　由带材带动旋转。因此张力辊一般为空心辊，质　量较轻，转动惯量小，这样可保证即使施加较小　的力也能令其旋转，为建张后仅作为被动辊使用　创造了条件。该方式的不足之处在于，在穿带期　间张力辊由电动机传动时，如果张力辊的旋转速　度与带材的速度不匹配，则张力辊与带材的下表　面就会打滑，既对带材的下表面质量产生不良影　响，又对张力辊表面的镀层（一般采用碳化钨镀　层）产生磨损，极大缩短张力辊的使用寿命；即使　带材已经整体建张，但如果此时实际张力还未达　到设定值或设定值偏小，则都可能导致带材与张　力辊之间无法达到静摩擦的状态，即摩擦力不足　以带动张力辊旋转，仍然存在打滑。只有当张力　辊尽早成为被动辊且不存在打滑现象时，带材的　下表面才可得到有效的保护，成材率才能得到提　高。　第３期　中屠南凯，等：铝带热连轧防止带材与张力辊打滑方法研究　轧制方向　１　由于前滑值波动很难精确计算，因此笔者选　择第２种方式对张力辊速度进行控制，并通过寻　找离合器分开的最佳时间点，解决连轧机组间张　力辊与带材接触时的打滑难题。　至　２解决方案　为了解决上述问题，笔者采用的技术方案如　下：　（１）铝带在穿带期间未建立张力时，张力辊　的传动离合器处于合状态，张力辊由电动机直接　驱动。此时，基础自动化系统实时计算带卷速　度，以带卷速度作为目标值，使张力辊速度尽量　逼近该值，以减小摩擦面之间的相对滑动。由于　张力辊辊端装有旋转测速编码器，因此可实时反　馈张力辊转速并形成速度闭环控制。　（２）工艺人员根据带材材质、轧机载荷以及　设备能力计算机架间的张力设定值，记录不同转　速下的张力辊空载转矩，基础自动化系统实时计　算带材对张力辊所施加的摩擦力矩。建立张力　后，为了保证带材与张力辊之间的摩擦力足够带　动张力辊转动且不存在相对滑动，对摩擦力矩和　空载转矩进行比较，并对初始张力设定值进行校　核。当机架间的带材足以带动张力辊旋转时，将　离合器分开。　第ｌ点实施过程比较简单，因此后文重点对　第２点展开描述。　３　实现过程　当摩擦力矩不小于空载转矩且经张力校核　判出张力辊与带材间的静摩擦建立时，使离合器　分开，张力辊与带材随动；否则，张力辊还需要通　过电动机传动，并进行微张力转矩限幅控制，以　达到张力辊线速度和铝带速度相匹配的目的。　３．１　张力计算　张力辊设备简图如图２所示。由图２可知：　Ｏｔ＝ａｒｃｔａｎ（Ｈ／Ｌ）　口＝ａｒｃｔａｎ（Ｈ／Ｋ）　张力计检测到力为Ｆ　，由物理几何关系可　知，Ｆ　与带材对张力辊施加的垂直压力Ｆ　和张　力辊自重Ｇ，之间存在以下关系：　１、２－－前、后轧机工作辊；３－－张力辊；４一张力计；５一铝　带材；　、　张力辊中心线与前、后机架工作辊中心线　的距离；　张力辊上辊面与轧制标高线的垂直距离；　、　一前、后机架与张力辊之间带材的水平夹角；　一　张力实际值；Ｇ。一张力辊自重；，ｖ一带材垂直压力。　图２张力辊示意图　Ｆｉｇ．２　Ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｅｎｓｉｏｎ　ｒｏｌｌ　Ｆｆｈ＝Ｆｖ＋Ｇ　（１）　其中，Ｆｖ＝ＦＴ　Ｘ（ｓｉｎ　＋ｓｉｎ　）　则可得张力实际值　ＦＴ＝（Ｆｆｂ—Ｇ　）／（ｓｉｎ　Ｏ／＋ｓｉｎ　）　（２）　用于摩擦力矩计算和张力设定校核。　３．２摩擦力矩计算　首先确定摩擦因数　，其值与张力辊辊面所　用材质相关，查材料手册得知，对于钢辊摩擦因　数一般取０．１５～０．１８，摩擦发生在铝合金带材　与张力辊之间，实际生产中辊子上一般附带有乳　化液，因此还要通过一个系数修正　；然后根据　带材与辊子间的摩擦因数以及带材张力的分力　计算摩擦力矩　。　Ｍ＝［ＦＴ（ｓｉｎ　＋ｓｉｎ　）＋Ｇ］ｋｆｋ　Ｒ　（３）　其中，Ｇ＝　ｐｇ（　十月　２＋　／　＋月’２）　上述式中：Ｇ为轧机间铝带质量；ｋｆ为摩擦因数；　ｋ　为修正系数；　为张力辊半径；Ｗ为铝带宽度；　ｈ为轧机间带材厚度；ｐ为带材密度；ｇ为重力加　速度。　３．３空载转矩获得　在工程应用中，先在离线情况下，按照一定　的梯度给定不同速度，然后在稳态下实时采集传　动系统反馈的张力辊转矩，以得到张力辊电动机　在不同转速之下的空载转矩。制作出速度和转　矩的对应表后，在线轧制过程中可以通过查表和　分段线性化的方式得到当前速度下的张力辊空　・９８・　冶金自动化　第３９卷　载转矩值　。　２　８５０　ｍｍ“１＋４”铝热连轧项目开始进行铝带试　３．４张力设定校核　生产，运行至今，产品几乎覆盖了各系牌号的铝　张力辊与带材之间的静摩擦建立之后，才可　和铝合金，生产过程张力稳定，铝带和张力辊之　以使张力辊传动离合器脱开，张力辊成为被动　间几乎没有打滑现象，减少了粘铝和跑偏，延长　辊。为此　，首先将摩擦力矩　与张力辊空载转矩　了张力辊寿命。系统运行可靠，产品质量较好。　进行比较，当　≥　时，初步判断张力辊传动　参考文献：　离合器可以脱开；然后进行设定张力校核，把　近似为　，计算此时机架间张力　，当　≥Ｆ　［１］赵新秋，杨鹤，杨景明，等．基于灰色预测的ＭＦＡＣ在　时，说明静摩擦可以建立，最终判定离合器可以　铝热连轧张力控制中的仿真研究［Ｊ］．矿冶工程，　脱开。　２０１４，３４（４）：１１５－１１８．　令Ｍ＝　，根据式（３）可得：　［２］丁修垄．轧制过程自动化［Ｍ］．北京：冶金工业出版　ＦＴ＝［　／（ｋｆｍＲ）一Ｇ］／（ｓｉｎ　ＯＬ＋ｓｉｎ卢）　（４）　社，２００９．　当机架间张力设定过小（即Ｆ　＜Ｆ　）时，则　［３］魏云华．铝热连轧中带材的张力及张力控制［Ｊ］．轻　金属，２００３（１１）：５７－５８．　张力辊传动离合器仍然保持连接，张力辊还是由　［４］尹欣．带钢系统张力辊组打滑现象分析及处理［Ｊ］．　电动机传动。　中国科技信息，２０１１（９）：１２５，１５０．　４　结束语　［编辑：薛　朵］　２０１３年１１月，广西银海３　３００　ｍｍ＋４×　交通运输用超大规格热连轧铝板带生产集成技术通过专家组验收　由广西柳州银海铝业股份有限公司牵头，北京科技大学、重庆大学、重庆市科学技术研究院、二重集团（德阳）重型　装备股份有限公司参与的“十二五”国家科技支撑计划课题“交通运输用超大规格热连轧铝板带生产集成技术的开发　与应用”（２０１２ＢＡＦ０９Ｂ０４），２０１５年３月１７日通过了中国有色金属工业协会在广西柳州市组织的专家验收。　该课题自主研发、设计、集成了国内首条具有自主知识产权、辊面幅宽３　３００　ｍｍ＋４×２　８５０　ｍｍ的“１＋４”铝热连轧　生产线，该生产线中多个关键设备和多级自动化控制系统的设计和开发均处于国内领先、国际先进水平，这条生产线也　是目前依靠国内自主力量建成的幅度最宽、装机水平最高的现代化铝合金板带热连轧生产线。其主导产品为高精度、　高性能宽幅交通运输用铝板带材，广泛应用于汽车、轨道车辆、运煤车、集装箱、油罐车、造船等交通运输行业，部分产品　可以替代对进口产品的依赖，具有重大而深远的意义。　在该课题中，北京科技大学冶金工程研究院（高效轧制国家工程研究中心）主要承担了３　３００　ｍｍ＋４×２　８５０　ｍｍ　“１＋４”超宽幅铝合金板带材热连轧机主／辅传动、基础自动化及过程控制系统的任务，根据生产线的工艺流程及装备特　点，通过硬件系统的自主集成和调试，搭建了多级计算机控制系统，自主开发了全套工艺数学模型、控制软件、变接触支　持辊辊形技术及全套的板形控制模型，并完成了参数调试及运行考核等，实现了连续的自动化生产和高精度的质量控　制。　此项目的顺利实施，是推进产学研深度融合的一次大胆探索和实践，对于充分发挥企业、高校和科研院所的集成优　势，加快高校、科研院所的科技成果转化，增强企业的技术创新能力，实现社会产业结构的优化升级，提升整个国家和地　区的创新能力具有重大意义。　（北京科技大学高效轧制国家工程研究中心）