酸连轧机组卷取缺陷控制研究

李生存,王浩宇

(首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北 唐山 063200)

0 前言

冷轧酸连轧机组给连退、镀锌、罩退等工序准备原料卷，后道工序要求原料钢卷卷形良好，但前期酸轧生产的钢卷卸卷后的卷形存在两种问题：一种是某几圈层间贴合不紧密，下游上料时极易发生抽芯；另一种是钢卷内圈很多层出现局部下塌现象，俗称鸡心卷或心形卷。该缺陷同卷取工艺密切相关，通过分析缺陷与卷取张力、层间压力等因素的关系，优化了卷取张力和卷取模型，从而解决了松卷和塌芯的难题。

1 卷取理论研究和卷取缺陷原因分析

1.1 卷取理论研究

卷取理论的研究始于上世纪70年代，当时国内外对此理论的研究集中于卷取机卷筒的分析与研究，很多学者通过力学和数学推导，得到计算卷筒径向压力的公式[1，2]。现在计算卷筒径向压力比较有名的英格利斯公式，英格利斯公式是基于张力卷取时带材是连续依次缠绕在卷筒上，并把带卷看成是厚壁圆筒的整体，在此基础上，采用弹性厚壁筒变形理论，通过对卷取时不断增加的层数等效为增加的压力增量并积分，得到卷筒径向压力计算公式，英格利斯公式第n层带钢作用在卷筒表面的径向压力如公式(1)所示。英格利斯在将卷筒同张力相结合方面是一大进步，但英格利斯公式没有考虑卷筒的自动缩径和卷层之间的摩擦，因此计算的结果与实际偏差比较大。

(1)

式中，σ0为作用在带钢上的单位张力，MPa；R为带卷外径，mm；r2为卷筒内径，mm；r1为卷筒当量内径，mm；E1为带钢的弹性模量，MPa；E2为卷筒的弹性模量，MPa；μ1为带钢的泊松系数；μ2为卷筒的泊松系数；T为卷取时作用在带钢的总张力,kN；b为带钢宽度，mm；h为带钢厚度，mm。

假设公式中带材和卷筒材料的弹性模量和泊松系数相同，可以得到一般意义上的英格利斯公式

(2)

蒋昭、连家创等人都将钢卷看成带钢逐圈缠绕在胀缩卷筒上，从而形成径向压紧的弹性圆筒，带材的切向变形符合虎克定律，而在径向上随着卷取的进行，钢卷的径向弹性模数逐渐变化，弹性模数的变化对定性分析卷取张力同径向应力和周向应力增加了难度。

上世纪90年代，开始有学者研究卷取张力的控制和卷取模型。21世纪，计算钢卷内部应力的研究逐渐增多，比较有代表性的有白振华、冯宪章等。白振华等在弹性圆筒理论基础上，将带钢划分成条，建立了新模型，模型分析径向压力在芯部最小，之后随层数增加，逐渐增大，最外层最大，周向应力则随层数的增加逐渐减小，最内层周向应力最大，最外层最小，摩擦应力的分布同径向应力的分布一致[3]。白振华等关于径向压力和周向应力随层数变化的结论，同一般意义英格利斯公式所表达意思一致，进一步证明卷取张力与径向应力和周向应力关系的对应性。随着卷取理论研究的深入，卷取控制与机械、电气自动化控制方面结合的越来越紧密，对张力控制的研究不仅局限于传统的PID控制领域，自适应控制、模糊控制、神经网络、鲁棒控制等先进的控制理论算法也应用于现场，使得张力的控制更加稳定、精度更高[4-8]。

1.2 卷取缺陷的原因分析

松卷和塌芯是卸卷后的卷形形貌，如图2所示为顺时针卷取的钢卷卸卷后受力分析，卸卷后钢卷受到周向应力qi，相对滑移造成的摩擦力，其中t1、t2分别为本层带钢与外层、内层间的摩擦力，还有径向压应力，其中p1为来自内层径向压力，p2为来自外层径向压力。

卷取时钢卷除受芯轴的支撑力外，同时受到卷取张力、层间摩擦力、径向压应力、周向应力、及自身重力的作用[9]。同卷取状态相比，卸卷后的钢卷失去了芯轴膨胀所形成的支撑力和卷取张力，钢卷的受力平衡被破坏，因此容易卷形缺陷。

其中卸卷后松卷主要是带钢层间最大静摩擦力不足以阻止带钢层间相对移动而导致的，最大静摩檫力是层间压力的函数，最大静摩擦力与层间压力关系

F静max=μ·P

(3)

式中，μ为层间最大静摩擦系数；P为带钢层间压力；F静max为层间最大静摩擦力。可以得出，钢板层间最大静摩擦力与层间压力成正相关关系。如要解决松卷问题，就要增加卷取时静摩擦力，从钢卷卷取角度来看，张力的作用是在钢卷内部产生径向应力和周向应力，单位张力同径向压力之间的关系十分复杂，如公式(1)和(2)中所表述。带钢逐层缠绕在卷筒上，如要使得钢卷保持稳定，就必须保证钢卷内部摩擦力能够与周向应力平衡，在卷取之初，径向应力很小，周向应力很小，相应的静摩擦力也很小，此时，宜采用较小的卷取张力，当卷取到一定层数后，周向应力变大，卷取比较稳定，此时，应该增加卷取张力，否则卷取后层间不紧密。在卷取过程中当速度发生变化时，会引起张力波动，张力波动进而导致某些层与层间出现贴合不紧密的情况，从而增加了松卷的几率。

塌芯现象是径向压力超过了内圈的屈服极限后造成局部失稳引起的一种卷形缺陷。当轧制小粗糙度带钢时，因钢卷表面的粗糙度衰减严重，静摩檫力减少，层间压力减小，更容易产生心形卷[10]。带钢越薄，各层刚度越小，一旦卷取张力过大，钢卷内部承受的紧箍作用力就越大，卸卷后在外层紧箍力的作用下，更容易造成鸡心卷缺陷[11]。

卷取过程控制对卷取缺陷的影响非常关键，保持卷形良好的摩擦力和径向应力都是卷取张力的函数，卷取张力的大小直接影响钢卷卷形，太大容易出现拉钢，造成塌芯，甚至会拉断带钢，而太小，则容易造成收卷不整齐、散卷和松卷。

2 解决卷取缺陷的措施

2.1 优化卷取张力

理论研究卷取张力同层间压力和周向应力有着密切的关系，卷取张力越大，内层带钢承受的压力越大[12]，由公式(1)中T总和σ0的关系可知，生产中钢卷卷取张力与单位张力成正相关关系，因而降低卷取张力是控制塌芯缺陷的最有效的方式，但为了下游开卷工序的顺利进行，也为了避免因张力过小产生松卷缺陷，适度优化设定张力[13，14]。单位张力的控制的设定根据现场情况可进行调整，需要根据钢种、厚度、宽度等因素综合考虑，原则上，带钢强度越大，宽度、厚度增加，则需要更大的卷取张力才能保证卷形[15]。因此，针对薄规格低粗糙度带钢塌芯现象，相应减少薄规格带钢层间压力，以期减少恒定卷取张力为调整方向；对较厚带钢松卷现象，以增加恒定卷取张力为调整方向，目的是增加层间压力，增加恒定卷取张力防止带钢内部的径向力过小而没有箍紧造成各层之间产生松卷[16-18]。

如图3所示为原始卷取张力和修改后卷取张力的对比图。现场卷取张力的控制，以程序中屈服强度、厚度、宽度为条件进行分档。以屈服强度≤360 MPa分档为例，通过对比可见，调整前厚度≤1.0 mm时卷取张力比较大，修改后的张力有所降低，这样更利于薄规格内圈塌芯缺陷的控制；厚度在1.0 mm以上的带钢，增加了卷取张力，目的是为了改善松卷。而360 MPa<屈服强度≤560 MPa范围内的带钢，厚度规格基本大于0.8 mm，这部分带钢卷取时存在松卷风险，为此，在原来基础上增加卷取张力，但只小幅增加了，防止卷取张力过大，再加上自身重量，会引起扁卷等新的缺陷。在强度级别分档时，张力根据厚度不同进行了调节，基本消除了松卷情况发生。

图3 不同屈服强度级别卷取张力优化对比

2.2 优化硬芯卷取模型

对薄规格低屈服的带钢卸卷后出现的塌芯缺陷而言，只减少稳态时的恒定卷取张力设定值，不利于带钢内芯的 “坚强”，轧制过程中为保证内圈具有一定的刚度支撑力，硬芯卷取是十分有效的手段，这种策略考虑在卷取张力建立初期给定一个较大的值，然后按照给定斜率进行变化，在达到一定的卷径后按正常的设定张力，使得最初钢卷缠紧，形成硬核[19]。硬芯卷取只适合于一定圈数，不是整个钢卷都适合采取这种方式，否则，会导致钢卷被高张力压扁，而且也会增加能源消耗，一般硬芯卷取的圈数在几圈至十几圈范围内，这样内圈既能起到支撑作用，也能防止卷取机在高张力下运行。

因此，为增强内芯刚度，当带钢厚度≤0.8 mm时，程序自动投入硬芯控制。对硬芯卷取提出两种解决方案，方案一：提高初始张力卷取圈数(对应Ws)、张力设定高速下降到稳态张力时卷取圈数(对应We)，这样增加内圈高张力卷取的圈数；方案二：提高初始张力卷取圈数(对应Ws)、张力设定高速下降到稳态张力时卷取圈数(对应We)，同时加大初始张力的倍数，这样使内圈卷取的张力会更大。原先第一圈到第五圈带钢以1.3倍的二级设定初始张力进行卷取，五圈之后，张力设定转为低速下降，达到二级设定的目标卷径时，张力设定达到稳态，完成整卷的卷取。优化后的硬芯卷取方式，从开始阶段张力是普通张力的1.5倍左右，八圈之后，在完成硬芯卷取后，张力逐渐过渡到稳态张力，这样的变化也适用卷取过程中张力的变化趋势。如图4所示为带钢硬芯卷取控制优化前、后示意图，图中Ws为初始张力结束时芯轴的卷取圈数；We为张力设定高速下降结束时芯轴的卷取圈数；Ti为初始张力；Ts为二级设定初始张力；Tf为二级设定的稳态卷取张力；D0为膨胀后的芯轴内径；Df为硬芯控制结束时的目标卷径。

图4 带钢硬芯卷取控制优化前、后示意图

从图4可以看出，给定初始张力是一种间接张力控制方式，间接张力控制通过影响张力稳定的参数的调节补偿，间接地保持张力稳定[20]。

3 结论

本文分析了卷取过程中松圈和塌芯的因素，通过研究卷取理论，结合生产中实际现象，从而在基本解决了松卷和塌芯问题。

(1)根据带钢强度、厚度分档对卷取张力进行优化。当屈服强度≤360 MPa时，对厚度≤1.0 mm的带钢降低卷取张力，对厚度>1.0 mm的带钢，增加卷取张力；而360 MPa<屈服强度≤560 MPa时，机组生产的带钢厚度基本大于0.8 mm，这部分带钢卷取存在松卷风险，为此，在原来基础上增加卷取张力。

(2)当带钢厚度≤0.8 mm时，采用硬芯卷取模式，初始设定卷取张力由原来的1.3倍修改到1.5倍，并且将硬芯卷取圈数由原先的五圈改为八圈。