不锈钢立式光亮退火炉炉内带钢张力控制分析

林 刚，程金山，左怀龙，乔爱民

（宁波宝新不锈钢有限公司，浙江宁波 315807）

0 引言

不锈钢立式全氢光亮退火炉是冷轧不锈钢光亮板生产的关键设备。由于不锈钢钢带在炉子加热段和冷却段运行过程中，全程无辊子对带钢进行支撑，且炉内带钢运行通道相对狭窄，如张力不稳或者过大、过小，极易引起表面与周围设备接触，导致带钢表面发生擦划伤等质量缺陷，甚至发生带钢跑偏断带等恶性事故。为此，炉内带钢张力的控制极为关键。张力控制设备主要由弹跳辊（俗称跳舞辊）、气缸、钢构以及保护限位等装置构成，其中弹跳辊起非常重要作用。以某冷轧不锈钢厂1#光亮退火机组为背景解析张力控制机理。

1 设备主要技术参数

（1）弹跳辊主要技术参数。辊身材料铝合金，辊身直径840 mm，辊身长度1700 mm，辊身重量358 kg，辊身覆胶NBR，shore（80±5）mm，厚度 15 mm，摆动角度±15°，弹跳辊带钢包角 45°。

（2）气缸主要技术参数。缸径160 mm，杆径40 mm，行程250 mm 压力调节范围（0～0.6）MPa,

气缸活塞面积：大活塞面积S1=20 106.2 mm2；小活塞面积S2=1884.950 mm2。

2 炉内带钢控制机理分析

2.1 张力控制原理

张力控制装置主要由推拉气缸，弹跳辊和支撑机座组成（图1）。

不锈钢带退火过程中，不同规格的钢带需要不同的炉内张力F，带钢的实际张力F与单位张力以及带钢宽度、厚度成正比，见式（1）。

式中f——带钢设定单位张力，N/mm2

W——带钢宽度，mm

T——带钢厚度，mm

机组在运行状态下，弹跳辊支撑臂摆角处于中间位置，支撑臂水平，即跳舞辊在带钢合张力，气缸推（拉）力以及辊子重力的共同作用下处于平衡位置。由于辊子重力为定值，不锈钢带的张力大小仅与气缸压力的大小有关。因此，依据带钢的规格（宽度、厚度、密度）改变气缸的给定压力可达到控制炉内带钢张力的目的。气缸的设定压力和实际压力通过比例气动阀（4～20）mA自动闭环控制使得炉内的张力保持恒定不变。为保障弹跳辊支撑臂始终在水平位置，在弹跳辊的轴线处装设有弹跳辊位置补偿电位计，其信号送入炉子入口带钢速度调节程序，当支撑臂处于水平位置时，其值为50%，>50%时，降低炉子入口带钢速度，＜50%时，提高炉子入口速度，控制弹跳辊支撑臂保持在水平位置。为保护设备，弹跳辊装备了2个极限位置限位开关，低极限开关用于检测带钢断带，高极限开关防止入口带钢速度控制出错时弹跳辊被带钢拉起，弹跳辊到达任何一个极限位位置，机组将停止运行。

2.2 弹跳辊受力分析

图1 张力控制设备原理

对于同一规格的带钢，其所需张力大小为定值。分析弹跳辊支撑臂水平时的受力情况。由图1及弹跳辊、气缸技术参数可知，弹跳辊所受重力G,气缸推（拉）力及带钢和张力F合。

（1）弹跳辊重力G=3508 888 N,方向向下，力臂为900 mm；

（2）气缸拉力（或推力）T,方向水平，力臂为400 mm；

（3）由弹跳辊包角45°以及张力F方向,计算可得带钢张力作用在弹跳辊的合力（图2）。

由力矩平衡原理，可得式（2）。

根据式（2）可以求得不同规格钢带下，气缸所需的拉（推）力T，当T为正时，气缸无杆腔充压，即活塞S2受压，表现为推力；当T为负时，气缸有杆腔充压，即活塞S1受压，表现为拉力；依据T的正负情况，结合气缸活塞面积S1，S2面积，即可得出不同规格钢带下气缸的设定压力 P1和 P2。

图2 带钢张力合力

3 控制软件分析

该冷轧不锈钢厂1#光亮退火机组控制系统为SIEMENS公司的S7-400PLC控制系统，炉体带钢张力控制相关软件功能：

（1）读弹跳辊比例阀 1 实际压力（4～20）mA=（0～0.6）MPa。

（2）比例阀1超出范围判定。比例阀1（-100～27 749）有效。

（3）读弹跳辊比例阀 2 实际压力（4～20）mA=（0～0.6）MPa。

（4）比例阀2超出范围判定（-100～27 749）有效。

（5）弹跳辊负载计算 根据带宽、厚度、密度计算带钢张力，并且（4～20）mA 输出到气缸比例调节阀1或2，算出实际带钢单位截面张力。

（6）根据带钢张力，弹跳辊比例阀1压力设定输出（0～0.6）MPa=（4～20）mA。

（7）根据带钢张力，弹跳辊比例阀2压力设定输出（0～0.6）MPa=（4～20）mA。

（8）判断比例阀1压力给定是否到达（误差±0.035 MPa）。

（9）判断比例阀2压力给定是否到达（误差±0.035 MPa）。

（10）弹跳辊到上限位置判定。

（11）弹跳辊到下限位置判定。联合辐射冷却段断代进行带钢断带判断。

（12）断带时，入口密封控制柜指示灯-H28亮。

（13）弹跳辊位置给机组线控制系统用于炉前张力辊组的速度调节。

4 模拟仿真

4.1 模拟仿真的方法和目的

仿真环境为SIEMENS STEP7中“simulation”仿真测试功能，通过输入不同规格的钢带数据，验证气缸压力给定是否在气缸压力范围（0～0.6）MPa内（机组生产带钢最大厚度2 mm,宽度1250 mm），同时，较直观地得出钢带规格与气缸有、无杆腔压力P1，P2的关系。仿真界面见图3。

图3 模拟仿真界面

4.2 模拟仿真数据

（1）数据设定符号及范围。DB41.DBD156带钢宽度范围（650～1350）mm，DB41.DBD152带钢厚度范围 （0.25 ～2）mm，DB41.DBD160带钢密度7.93kg/dm3，DB41.DBD148炉子段带钢张力设定（2.5～5）N/mm2。

（2）仿真带钢规格数据（表1）。

（3）模拟仿真结果（表2）。

表1 仿真带钢规格数据表

表2 模拟仿真结果

表（2）显示,气缸压力给定范围（0～0.45）MPa，在气缸压力范围（0～0.6）MPa之内,随着带钢宽度和厚度的增加，P1压力给定越来越小，P2压力给定越来越大。

5 日常维护要点

立式退火炉炉内张力控制的主要部件为弹跳辊、气缸、比例阀,通过日常维护和设备保养保障其状态良好是关键。

（1）弹跳辊及支撑臂转动部位按周期进行加油，保障润滑良好，不能出现因润滑不良导致的转动不灵、卡阻问题。

（2）保障气动动力源清洁、干燥，定期查看气源压力是否正常，比例阀、气缸及连接部位要定期检查是否存在泄漏。

（3）更换跳舞辊要做好辊重检测，辊重发生变化，要修改相应程序参数。

（4）限位开关、比例阀插头、电位器等电气设备及线路要做好周期清扫紧固，比例阀做好周期性能测试。

6 结语

以某冷轧不锈钢厂1#光亮退火机组为背景，分析不锈钢立式光亮退火炉张力控制机理，解读控制软件，并通过模拟仿真直观地得出钢带规格与气缸设定压力的关系。同时，结合多年工作经验，介绍张力控制设备的日常维护要点。