连续热镀锌机组光整机工艺段张力控制

史 伟，李联飞，王小哲

(1.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032；2.空军工程大学防空反导学院，陕西 西安 710038)

0 前言

光整机是连续热镀锌机组的重要设备。光整后的镀锌卷表面均匀平坦且没有沟纹，涂层与带钢结合更加牢固，屈服平台不明显可以防止在拉伸或深冲时出现滑移现象，板型得到明显改善。

光整机入口和出口张力是钢卷在光整过程中的一项重要技术指标，不仅直接影响到产品性能和板型，而且在防止带钢跑偏、带钢褶皱等方面也有重要作用。张力控制是实现光整机正常工作和延伸率控制的重要前提。因此，光整机入口张力和出口张力的精确控制非常重要。

1 四辊光整机

如图1所示，四辊光整机主要由上下支撑辊和上下工作辊组成。光整机入口和出口均设有防皱装置，由固定导向辊和升降辊组成。其主要目的是通过升降辊来调节光整机入口与出口的镀锌板绷紧程度，使镀锌板出现抖动、起皱或失张时，恢复紧绷状态。反之张力瞬间增大时，升降辊下降，使张力减小，从而防止断带。

四辊光整机常见工作方式是两台光整电机分别驱动上下支撑辊。光整机要稳定工作，首先要求入口和出口的张力稳定，这要靠张力控制系统来实现。光整机的入口和出口都设有张力计来测量实际张力的大小，以此作为反馈信号来进行控制。入口张力辊常作为整个工艺段的速度基准辊，是恒速的，不参与张力控制。光整机的出口张力由出口张力辊建立，出口与入口的张力差则由工作辊产生。

实际工作时，光整机投入使用前先使其工作辊的线速度与带材线速度达到一致，然后压下，根据镀锌板带材料规格的不同，当压力达到某一值时，光整机切换为力矩控制，从而建立入口和出口张力。光整机退出时，当压力小于某一值时，光整机从力矩控制切换为速度控制，并保持其工作辊线速度与带材线速度一致。这样保证了光整机在投入和退出过程中入口和出口张力平稳过渡，工作辊不会出现钢带表面打滑的情况。

图1 四辊光整机结构

2 光整机延伸率及前后张力设定

光整工序的延伸率是镀锌板在光整过程中伸长的相对百分比，也是出口侧张力辊与入口侧张力辊的线速度差的百分比。

(1)

式中，ε光为光整机延伸率；v出为出口张力辊的线速度，m/min；v入为入口张力辊的线速度，m/min。

延伸率控制模式下，在延伸率控制器内设定光整工序所需的延伸率。实际延伸率的测量采用出口侧和入口侧张力辊轴上编码器检测到的实际转速经运算后的结果。该结果作为反馈信号反馈到延伸率控制器内，经过比较运算后转化为轧制力的命令信号，与设定的轧制力初始值相叠加形成最终的轧制力设定值。

入口和出口张力一定时，轧制力越大，镀锌板产生的塑形变形量越大，延伸率也越大。在恒延伸率控制模式下，为保证延伸率的稳定，轧制力是不断变化的。若实际延伸率小于设定值，则系统使轧制力加大，反之使轧制力减小。

光整时，延伸率的获得是张力和轧制力共同作用的结果，两者是相辅相成的。如果张力较大，则轧制力较小；如果张力较小，轧制力就必须大。但张力或轧制力过小，则无法达到光整的目的。为使光整机在生产线出现张力波动和速度波动的情况下也能正常运行，希望张力尽可能大一些，而轧制力小一些。这样也能减轻板型对光整过程的影响，防止镀锌板的振动、起皱或瞬间失张。

光整机理想的张力值为78.4～98 N/mm2左右，其中出口侧的后张力比入口侧的前张力高约10%～20%。光整机张力值如果小于理想值，则需要靠较大的轧制力来弥补。光整机张力和轧制力设定可参考表1。

表1 光整机张力和轧制力

3 光整机工艺段张力控制方式

光整机工艺段张力控制在实际应用中可采用间接张力控制、直接张力控制、调节光整机工作辊和出口张力辊速度的方法来保证入口和出口的张力稳定。

3.1 间接张力控制

带钢的张力由电动机转矩产生，转矩可以表示为

(2)

式中，T为电动机转矩；Z1为张力辊或光整机前张力；Z2为张力辊或光整机后张力；D为辊子直径；i为动机减速比。

由公式(2)可知，带钢张力与电动机转矩成线性关系，所以带钢张力的控制可以通过控制电动机转矩来实现。即按张力要求，根据辊径和电动机减速比算出相应的转矩大小，通过给电动机的速度环一个附加值使其饱和，并用算出的转矩对速度环的输出进行限幅，从而实现了电机转矩的闭环控制。这样即使电动机的负载突然消失(如断带)，电动机的转速也不会失控，电动机会以高于速度给定值的一个附加值旋转。

在实际应用中，光整机的入口和出口张力略有差别(大约1.96～2.94 kN)，所以光整电机出力较小。在光整机投入时，保持整条生产线除速度基准辊的各张力辊转矩与光整机未投入时的转矩相同，因此虽然在光整机投入时生产线的力矩平衡被打破，但是由于光整的这部分力矩较小，完全可以由工艺段的速度基准辊平衡掉，所以对生产线的各段张力影响很小，可以忽略。这种控制方式简单、易于实现，在对光整机入口和出口张力要求不是很严格的实际工程之中已多次应用，效果良好。

间接张力控制简单、直观，不需要张力计，但应用时需要补偿电机空载转矩、摩擦转矩，加减速时要考虑转动惯量的影响，以获得较为精确的控制效果。

3.2 直接张力控制

直接张力控制需要用到张力传感器的反馈信号。基本原理如图2所示，在速度环饱和的前提下，将张力设定值与张力实际值作比较，偏差经过张力控制器(一般为比例积分控制器)运算输出一个相应的校正信号，校正信号与张力设定值相加，用这个相加值来限制速度调节器的输出，即限制转矩的给定值。

图2 直接张力控制功能图

实际应用中，可以用光整电机来调节光整机入口张力，具体做法是：将入口张力设定值与实际值作比较，偏差经过张力控制器，运算输出作为光整电机张力给定值的修正值；采用相同的控制方法，用光整机出口张力辊来调节光整机出口张力。此方法需要两个张力控制器，分别控制光整机入口和出口张力。

光整机工作时重要参数是入口和出口张力之差，所以可将光整机入口和出口张力设定值之差与实际值之差作比较，并经过张力控制器，作为光整电机的张力设定值的校正，用光整电机来调节入口和出口的张力差。这种做法只需要一个张力控制器，实现较为简易。

直接张力控制避免了辊径变化、速度变化、电机空载转矩和摩擦转矩等对张力的影响，控制精度较高，但其控制精度受张力计检测精度的影响。一般为了系统稳定，生产中建立了稳定张力之后，直接张力闭环调节系统再投入工作。

3.3 通过调节张力辊速度稳定张力

光整机入口侧的张力是靠光整机工作辊来稳定控制的，出口侧的张力是靠出口侧张力辊来稳定控制的。当入口侧张力设定到入口侧张力控制器以后，系统便将入口侧张力计测量到的实际张力信号反馈到入口侧张力调节器内，经过比较运算后的信号送到光整电机的速度调节器，通过调节光整机工作辊的速度来保证张力的稳定。实际张力偏大，则工作辊转速变小，使入口侧的带钢变松，张力减小；实际张力偏小，则工作辊转速变大，使张力增大。同样，当出口侧张力设定到张力控制器以后，系统便将出口侧张力计测量到的实际张力信号反馈到出口侧张力调节器内，经过比较运算后的信号送到出口侧张力辊的速度调节器，通过调节出口侧张力辊的转速来保证出口侧张力的稳定。

光整机工作辊、出口侧张力辊的速度与入口侧张力辊一样，受到生产线速度设定的统一控制，即随生产线速度的变化而变化。张力控制仅是在此基础上的微调。

4 结束语

本文介绍了连续热镀锌机组常用的四辊光整机的机械结构，分析了光整机入口和出口张力的控制，并提出了三种张力控制方案：间接张力控制、直接张力控制和通过调节光整机工作辊和张力辊的速度来稳定张力。同时给出了实际应用中这几种控制方式的具体实现方法。本文分析的控制方法在多处现场已成功应用，取得了较好的控制效果，为光整机正常工作和提高产品质量提供了保证。