冷轧重卷线冷硬大卷卷取故障的研究与优化

吕 剑，卢 杰

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山 063200）

1 故障背景

某冷轧重卷线冷硬大卷在卷取过程中，经常出现卷取塔形，塔形率超过80%，严重影响生产节奏。塔形卷不仅无法包装，而且吊装困难，卸卷小车运输时存在中心偏移，具有较大安全隐患。大量的塔形卷影响生产顺稳，给重卷线带来很大生产压力，由于需要重新卷取，开卷后的切头尾造成成材率的巨大损失。

2 塔形卷故障分析

塔形卷是指带钢在卷取过程中，由于故障原因产生的卷取错边现象，多见于大卷卷取故障。本文结合某冷轧重卷线的生产情况，通过分析塔形故障卷的PDA数据，发现造成卷取故障的原因分为卷取抽芯，卷取打滑，起停车造成的错层现象，EPC跳变和板形问题等。以下针对不动故障发生机理，逐一进行分析。

2.1 卷取抽芯

判断卷取抽芯的主要特征是内圈存在一个明显的层间缝隙。另一个特征是内外圈对称的错层现象，即外形像一个大锅盖。抓住这两个特征，就避免了判断失误。卷取抽芯如图1所示。

这类卷符合卷取抽芯的两个特征。由于橡胶套筒的固有属性，在承压情况下，不可避免会发生收缩。微小的收缩有时不会产生实际影响，但是，如果随着受力增大，收缩明显，就可能导致内圈抽芯，当套筒的收缩比不稳定或较大时，则易出现大卷的卷取抽芯。

2.2 卷取打滑

卷取过程中采用恒张力控制模式，即无论钢卷直径是多大，带钢张力是一个固定值。在这种情况下，随着钢卷直径的增大，带钢对芯轴及钢卷内圈的扭矩会不断增大。当这个扭矩增大到橡胶套筒和芯轴之间的最大静摩擦力矩时，橡胶套筒和芯轴之间会发生打滑。

图1 卷取抽芯

这种现象往往与卷取抽芯同时出现。通过分析PDA数据，内圈直径数据在卷取过程中没有明显变化，排除涨缩缸内泄可能。在卷取卷径超过1500 mm后，出现卷取速度突然变大、转矩变小的现象，判断套筒发生打滑。

观察发现芯轴表面油脂较多，判断为检修加油过多，芯轴运行中甩出部分油脂，粘连到芯轴表面，使得套筒与芯轴之间的最大静摩擦力变小。在卷取大卷时，由于卷径比较大，内圈受力变大，超过最大静摩擦力时，发生打滑。因此，打滑是设备内因与外在生产工艺相结合的产物。

2.3 启停车造成的错层现象

重卷线由于产线较短，张力辊少，为避免卷取机甩尾时将带钢抽走，设置了一个停车减张功能，即设置一个减张系数，停车时，实际张力设定值是设定张力值乘上该系数。卷取机、张力辊、拉矫机和卷取机的减张系数分别为40%，45%，50%，60%。停车时带钢张力减小较多，卷取机发生倒转，导致带钢抖动较大，重新启车后，卷取发生一个明显错层，如图2所示。

图2 起停车错层

2.4 EPC跳变

EPC跳变，导致纠偏缸动作大，产生卷取错层，这种现象多发生在宽规格的卷上。现场观察发现，纠偏灯管上方的通道线的导板缝隙不均匀，导板中间部分由于常年被带钢磨损，导致缝隙较大，边部在普通规格时，一般不会有带钢，导致前沿粘连较多杂物。现场吊线测量，发现边部导板有的部分进入纠偏灯头范围，影响测量镜头接受的光照强度。在受到遮挡较多的地方，就可能发生测量数值跳变现象，导致纠偏缸动作大，产生卷取错层。EPC跳变错层记录数据如图3所示。

2.5 板形问题

该故障发生较少，目前只发现一卷。板形问题对卷取的影响一般不大，但是如果板形突变较严重，则可能造成卷取故障。板形问题如图4所示。

3 改进措施

3.1 芯轴控制设计功能

图3 EPC跳变错层记录数据

图4 板形问题

重卷的控制阀是电液换向阀，换向阀芯轴膨胀原理如图5所示。通过对比其他产线芯轴液压控制管路，发现存在一种比例阀控制的芯轴膨胀方式，比例阀芯轴膨胀原理如图6所示。这种结构上的区别，使得芯轴膨胀在实际控制方法上具有根本性的区别。

比例阀对芯轴膨胀进行位置控制，系统设定4个位置，卷取准备位是第三个位置。当系统做卷取准备时，芯轴膨胀到第三个位置，通过对比例阀的开度进行控制，进而保持芯轴位置保持稳定，此时芯轴膨胀压力约为80 MPa。当卷取机卷取超过一定圈数后（一般设10圈），芯轴进行再次膨胀，设定位置是第四个位置。由于已经进行卷取，带钢箍紧了套筒和芯轴，使得套筒外圈直径变化幅度很小，芯轴膨胀不可能达到设定值。此时，比例阀处于全开状态，芯轴的膨胀压力达到系统压力值，约为120 MPa。较大的压力值对橡胶套筒再次产生一个挤压的力，这样就减小了带钢对套筒的压缩，减少了内圈抽芯的可能性。

图5 换向阀芯轴膨胀液压管路

图6 比例阀芯轴膨胀液压管路

换向阀控制时，当有卷取准备命令时，芯轴膨胀到最大位置，然后卷取机开始卷取，直到卸卷。对比比例阀控制结构，最明显的区别是卷取后没有二次膨胀，而且换向阀结构从实际应用中也实现不了二次膨胀。因此，该结构只适合卷取20 t以下的小卷，卷重超过20 t以后，很难保证卷取的稳定性。

在现有生产工艺中，比例阀结构的卷取机从未出现过卷取塔形现象。但是对于重卷线的换向阀结构，都不同程度出现过卷取塔形现象。不同的结构决定了两种液压控制在控制能力上有着本质区别。

3.2 卷取故障优化措施

通过上述分析，可以清楚了解产生卷取问题的原因。针对不同情况，采取相应措施，予以解决。

3.2.1 卷取塔形

产生卷取塔形的两个主要原因是内圈抽芯和卷取打滑。

解决内圈抽芯的本质办法是更改液压控制系统，但此方法成本高、时间长，暂时不予优先考虑。设计新产线时，可以将此因素考虑进去。

如果不能改造液压系统，最直接的办法是减张。张力减多少，怎样减，在实践中总结了一套规律，基本可以解决内圈抽芯和打滑的问题，也就不会出现卷取塔形。减张控制就是增加卷取机大卷卷取系统模型。

根据实际生产和理论计算，设计全新的大卷卷取模型，并根据实际卷取效果，修正、确定模型的控制参数。根据设计的张力模型，在一级控制系统中，实现完全自动控制。张力模型如图7所示，此图只作为一个参考图，具体设计中增加其他实用功能，在此不赘述。

3.2.2 起停车造成的错层

通过调整停车减张参数，卷取机、张力辊、拉矫机和卷取机的减张系数分别为45%，50%，60%，80%。通过实验，此条件下，产线运行正常，错层基本消除。后续可以逐渐实验，将卷取机停机减张参数设到100%。

3.2.3 EPC跳变

EPC跳变主要发生在宽规格卷，纠偏灯管上方的导板缝隙不均匀，边部较窄。通过现场实际测量，将边部导板台削去10 mm，测量数据未发生跳变，测量数据恢复正常，错层现象消失。

3.2.4 板形问题

板形问题造成的错边故障发生较少，需要关注来料标注，如果标注板形故障，卷取需要特别注意，低速生产。

4 总结

通过研究塔形的形成机理，采取相应措施后，大卷卷取塔形完全得到控制，应用效果较好。在镀锌线投用以来，既保证带钢卷取质量，不出塔形卷，又能保持生产稳定运行，消除了安全隐患。保证大卷订单的生产能力，减少重卷的生产压力，卷取质量显著提高。改进后的大卷卷取展示如图8所示。

图7 张力模型

图8 改进后的大卷卷取展示