袁壽新

(甘肅鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系,甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

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熱鍍鋅機(jī)組退火爐張力控制優(yōu)化及應(yīng)用

袁壽新

(甘肅鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系,甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

立式退火爐張力控制是鍍鋅生產(chǎn)的重點(diǎn)，不合適的退火爐張力控制可能導(dǎo)致諸多問(wèn)題。根據(jù)實(shí)際工藝參數(shù)，對(duì)帶鋼在爐輥上的張力折彎損耗建模，并按照每一個(gè)爐輥實(shí)際張力損耗重新分配張力轉(zhuǎn)矩和速度設(shè)定值。通過(guò)優(yōu)化退火爐內(nèi)部張力控制，提高鍍鋅產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)穩(wěn)定性。

立式退火爐；張力閉環(huán)控制；負(fù)荷分配;張力折彎損耗；速度設(shè)定優(yōu)化

圖1 爐區(qū)設(shè)備布置圖

0 引 言

鍍鋅生產(chǎn)中，立式退火爐張力適合與穩(wěn)定是控制生產(chǎn)事故、提高產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。爐內(nèi)張力控制不合適，會(huì)導(dǎo)致帶鋼在爐內(nèi)跑偏、斷帶，產(chǎn)品力學(xué)性能不合格等一系列問(wèn)題[1]。鍍鋅線退火爐區(qū)張力分段控制，各段間與段內(nèi)張力控制是鍍鋅退火爐張力控制的難點(diǎn)與重點(diǎn)[2]。本文針對(duì)各段張力閉環(huán)控制和段內(nèi)爐輥負(fù)荷分配問(wèn)題，以緩冷段(SCF)為例進(jìn)行了研究，提出了退火爐張力優(yōu)化策略，并在鍍鋅線進(jìn)行了應(yīng)用，取得了良好效果。

1 爐區(qū)設(shè)備組成與張力控制要求

某鍍鋅線采用新日鐵設(shè)計(jì)的立式退火爐[3]，退火爐共分為預(yù)熱爐(PHF)，輻射管加熱爐(RTF)，緩冷爐(SCF)和快冷爐(JCF)。帶鋼從3#張緊輥組處進(jìn)入退火爐，依次進(jìn)過(guò)預(yù)熱爐、輻射管加熱爐、緩冷爐、快冷爐后進(jìn)入鋅鍋[4]。在退火爐26根爐輥中，快冷爐2#、3#、4#爐輥以及5#、6#熱張輥輥徑為900 mm，其余爐輥輥徑都為750 mm。同時(shí)為退火爐設(shè)置了4個(gè)張力計(jì)，每段出口配置板溫儀，設(shè)備布置如圖1所示。

鍍鋅線退火爐張力分區(qū)進(jìn)行控制，區(qū)域劃分以熱張力計(jì)輥為界，從預(yù)熱爐1#爐輥到輻射管加熱爐11#爐輥屬于輻射管加熱段SCF張力區(qū)，從輻射管加熱爐12#爐輥到緩冷爐2#爐輥屬于緩冷段SCF張力區(qū)，從緩冷爐3#爐輥到快冷爐2#爐輥屬于快冷段JCF張力區(qū)。

爐內(nèi)張力控制對(duì)鍍鋅生產(chǎn)影響重大。帶鋼在700 ℃～800 ℃時(shí)抗拉強(qiáng)度很低，塑性很高，瞬時(shí)劇烈的張力波動(dòng)會(huì)使帶鋼拉斷造成停產(chǎn)事故的發(fā)生。同時(shí)，爐內(nèi)張力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致帶鋼在爐內(nèi)變窄加劇，以及薄板在高溫下打折現(xiàn)象。爐內(nèi)張力過(guò)小又不利于板型的控制[5]。設(shè)定合適的張力以及爐內(nèi)張力控制均勻穩(wěn)定對(duì)鍍鋅生產(chǎn)及其重要。

2 退火爐張力控制優(yōu)化

某鍍鋅機(jī)組上的爐輥電機(jī)采用直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)[6]。電機(jī)采用了速度轉(zhuǎn)矩雙環(huán)控制，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩通過(guò)減速箱變化為爐輥的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)帶鋼按照工藝要求的速度、張力運(yùn)行[7]。

2.1 張力閉環(huán)控制ATR

為保證帶鋼張力的穩(wěn)定性和高精度，在電機(jī)的速度轉(zhuǎn)矩雙環(huán)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加了張力閉環(huán)控制[8]。張力計(jì)作為檢測(cè)帶鋼實(shí)際張力的檢測(cè)儀器，實(shí)時(shí)地將張力實(shí)際值反饋到控制系統(tǒng)中，與張力設(shè)定值進(jìn)行比較。它們的差值信號(hào)輸入到張力調(diào)節(jié)器中。張力調(diào)節(jié)器的輸出與主速度設(shè)定值相加后傳送到變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。爐區(qū)張力調(diào)節(jié)原理如圖2所示。

圖2 爐區(qū)張力調(diào)節(jié)示意圖

例如，對(duì)生產(chǎn)線上輻射管加熱段張力區(qū)，區(qū)域內(nèi)所有參與張力調(diào)整的爐輥提供的總張力值等于區(qū)域內(nèi)的張力設(shè)定值減去后一張力區(qū)域(即緩冷段SCF張力區(qū))的張力設(shè)定值。對(duì)于該張力區(qū)域的某一參與張力控制的爐輥，在按照算法進(jìn)行張力分配后，把張力轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩值，輸送到變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流。

張力調(diào)節(jié)器使用PI調(diào)節(jié)，輸入為張力偏差值ΔT，等于該區(qū)域的張力設(shè)定值與張力計(jì)輥檢測(cè)實(shí)際值之差。張力調(diào)整通過(guò)速度的改變來(lái)實(shí)現(xiàn),最終輸出為速度值，發(fā)送到變頻器控制電機(jī)運(yùn)行速度，進(jìn)而完成張力的調(diào)整。在PLC中的控制計(jì)算模型為：

式中VATR：張力調(diào)節(jié)器ATR輸出值;Kp：比例放大系數(shù);T：采樣周期;Ti：積分時(shí)間常數(shù)。

2.2 爐輥轉(zhuǎn)矩負(fù)荷分配優(yōu)化

立式退火爐區(qū)域張力控制與生產(chǎn)線上其它區(qū)域有很大不同，其它區(qū)域主要通過(guò)位于區(qū)域頭尾的張緊輥，而控制調(diào)整立式退火爐張力的爐輥則平均分布在區(qū)域內(nèi)，因而，爐輥的轉(zhuǎn)矩負(fù)荷分配對(duì)立式退火爐區(qū)域的張力控制尤顯重要。

影響爐輥張力負(fù)荷分配的主要因素有帶鋼折彎損耗，我們首先需要確定每一根爐輥在生產(chǎn)某規(guī)格、牌號(hào)帶鋼時(shí)的折彎損耗值[9]。

對(duì)于某段張力區(qū)域，可以通過(guò)設(shè)置在區(qū)域出口的張力計(jì)檢測(cè)得出實(shí)際值TAct。該區(qū)域張力影響因素有，其它區(qū)域通過(guò)帶鋼傳遞來(lái)的張力TStrip，區(qū)域內(nèi)帶鋼在每一根爐輥上的張力折彎損耗τi，每一根爐輥上的電機(jī)轉(zhuǎn)矩張力Ti。以緩冷段(SCF)為例，有如下公式：

TAct=TStrip+∑iTi-∑iτi

其中下標(biāo)i代表區(qū)域內(nèi)爐輥編號(hào)。

生產(chǎn)實(shí)際過(guò)程中，對(duì)于具體某種規(guī)格、牌號(hào)的帶鋼，通過(guò)張力設(shè)定調(diào)整，使張力實(shí)際值TAct等于相鄰區(qū)域通過(guò)帶鋼傳遞來(lái)的張力TStrip，則公式可以簡(jiǎn)化為：

∑iTi=∑iτi

在生產(chǎn)帶鋼規(guī)格、牌號(hào)相同，生產(chǎn)線張力穩(wěn)定的情況下，記錄在不同生產(chǎn)速度、退火爐帶鋼溫度下，區(qū)域內(nèi)每一根爐輥電機(jī)轉(zhuǎn)矩張力Ti值。對(duì)不同牌號(hào)的帶鋼分別進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，形成數(shù)據(jù)表。

圖3 緩冷段張力區(qū)設(shè)備及工藝參數(shù)圖

帶鋼折彎損耗影響因素有帶鋼寬度、厚度、強(qiáng)度，爐輥輥徑以及在爐輥上的包角。在帶鋼規(guī)格、牌號(hào)確定的前提下，影響因素就只有爐輥上的包角和受帶鋼溫度變化帶來(lái)的屈服強(qiáng)度變化了[10]。通過(guò)對(duì)退火爐內(nèi)帶鋼、爐輥的簡(jiǎn)單觀察，就可發(fā)現(xiàn)只有90°和180°兩種包角，爐輥輥徑只有750 mm 和900 mm兩種。對(duì)于緩冷段(SCF)，只有750 mm輥徑一種。帶鋼溫度則可以通過(guò)位于每段出口的板溫儀測(cè)得實(shí)際值，輻射加熱段帶鋼溫度為TRTF，緩冷段帶鋼溫度為TSCF。以緩冷段張力區(qū)為例，如圖3所示。

對(duì)于緩冷段(SCF)，我們就可以建立如下帶鋼折彎損耗模型：

180°折彎

緩冷段帶鋼90°折彎的爐輥有2根，90°折彎的張力損耗約為180°時(shí)的三分之一。180°折彎的爐輥有4根,。帶入后，有如下公式：

進(jìn)行線性化處理，進(jìn)行回歸分析，得出模型的參數(shù)值。通過(guò)對(duì)不同牌號(hào)的帶鋼查表，并結(jié)合上述模型，就可得出每一根爐輥上的張力損耗值了。

在計(jì)算得知爐輥張力損耗值后，當(dāng)需要控制退火爐某區(qū)域張力設(shè)定值為Tset時(shí)，爐輥張力轉(zhuǎn)矩采用平均分配方式，則某個(gè)爐輥的轉(zhuǎn)矩分配值為：

Ti=(Tset-TStrip)/n+τi

其中n為該區(qū)域內(nèi)爐輥總個(gè)數(shù)。

2.3 爐輥速度設(shè)定值優(yōu)化

立式退火爐區(qū)域與生產(chǎn)線上其它區(qū)域張力控制有一個(gè)明顯不同，該區(qū)域不同部位帶鋼溫度不同，由此帶來(lái)的帶鋼“熱脹冷縮”以及在張力作用下產(chǎn)生彈、塑性變化。在帶鋼穩(wěn)定運(yùn)行與爐輥沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)的條件下，這些帶鋼長(zhǎng)度的變化都會(huì)表現(xiàn)在爐輥的轉(zhuǎn)速上。因此，在張力閉環(huán)控制(ATR)環(huán)節(jié)，必須考慮各爐輥與基準(zhǔn)速度的差值ΔVi，不能簡(jiǎn)單的相同處理。

采用平均分配方式，在加入ATR閉環(huán)控制后，某個(gè)爐輥的速度設(shè)定值為：

Vi=V+Vi+ΔVATR

其中ΔVi為在生產(chǎn)帶鋼牌號(hào)相同，生產(chǎn)線張力穩(wěn)定的情況下記錄下的爐輥速度實(shí)際值與生產(chǎn)線運(yùn)行速度值之差，即:

ΔVi=Vi-V

以緩冷段SCF為例，生產(chǎn)某一牌號(hào)帶鋼時(shí)，當(dāng)生產(chǎn)線速度、張力穩(wěn)定情況下，以爐輥RTF-11為基準(zhǔn)速度。當(dāng)RTF-11爐輥速度為84.40 m/min時(shí)，有如表1數(shù)據(jù)。

表1 爐輥設(shè)定速度優(yōu)化表

3 優(yōu)化效果

采用上述方法優(yōu)化前，緩冷段SCF張力波動(dòng)情況如圖4所示,優(yōu)化后，緩冷段SCF張力波動(dòng)情況如圖5所示。

圖4 優(yōu)化前緩冷段張力波動(dòng)情況

圖5 優(yōu)化前緩冷段張力波動(dòng)情況

經(jīng)過(guò)優(yōu)化，緩冷段SCF張力波動(dòng)從4%左右下降到2%。此外，對(duì)于張力變化以及生產(chǎn)線速度變換時(shí)，張力控制適應(yīng)性更好。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)鍍鋅機(jī)組生產(chǎn)中立式退火爐張力控制的重點(diǎn)難點(diǎn)問(wèn)題，本文根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，通過(guò)對(duì)帶鋼在爐輥上的張力損耗進(jìn)行建模計(jì)算，優(yōu)化退火爐張力控制，提升了退火爐張力控制的穩(wěn)定性，解決了一些生產(chǎn)運(yùn)行和質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)同類的鍍鋅線、連續(xù)退火線立式退火爐張力控制優(yōu)化具有借鑒意義。

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Optimization and Application of the Tension Control of Annealing Furnace in Hot-dip Galvanizing Unit

Yuan Shouxin

(Electrical Engineering Department ，Gansu Iron and Steel Vocational Technical College Jiayuguan Gansu 735100，China)

Tension control of vertical annealing furnace is the key point in galvanizing production, improper tension control of annealing furnace may lead to many problems. According to the actual process parameters a model of the bending tension loss for the strip steel on the furnace roller is built in order to redistribute tension torque and speed setting as per to actual tension loss of each furnace roller. By optimizing the tension control in the annealing furnace, product quality and production stability during galvanizing could be improved.

vertical type annealing furnace；closed-loop tension control；load distribution;Bending tension loss；optimization of speed setting

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.04.003

TG334.9

A

1000-3886(2016)04-0008-03

袁壽新(1966-)，女，甘肅嘉峪關(guān)人，1989年畢業(yè)于東北工學(xué)院(現(xiàn)東北大學(xué))自動(dòng)化儀表專業(yè)，學(xué)士學(xué)位，副教授，主要從事自動(dòng)化儀表及控制方面的教學(xué)和研究。

定稿日期: 2016-06-13