三菱日立冷轧拉矫机的张力控制研究

王 松，徐兆春

（马钢设备管理部，安徽马鞍山 243000）

1 设备配置状况

马钢冷轧北区酸洗连轧线主要生产原料为热轧带钢钢卷，带钢厚度从1.5 mm 到 6.0 mm，宽度从830 mm 到2 000mm，钢种为CQ，DQ，DDQ，EDDQ 以及高强度CQ-HSS，DQ-HSS，DDQ-HSS 等规格。张力拉矫机是冷轧酸洗连轧生产线带钢预处理工艺过程中的关键设备，位于酸洗槽前用来改善带钢板形，并通过拉伸和弯曲破碎带钢表面氧化铁皮鳞片，从而使得带钢易于酸洗，达到良好的酸洗效果（见图1）。

图1 生产线设备及拉矫机布置图

马钢酸洗冷连轧生产线中张力拉矫机拉矫工作辊为无驱动盒式，每个工作辊为刚性支撑。张力拉矫机辊为三辊式装置（见图2），由2 个延伸率单元（4个工作辊）和1个抗弯单元组成。

图2 拉矫机三辊装置

2 拉矫机内部张力逻辑分析

拉矫机入口自2#张力辊（为两辊张紧）开始，中间是无驱动拉矫机工作辊盒，出口为3#张力辊（四辊张紧，第四辊轴承座安装ABB 张力计）。分别配置2#张力辊力矩电机（交流50 kW）、3#张力辊力矩电机（交流65 kW），主传动电机（交流1 100 kW），延伸率电机（交流340 kW）和4 台矢量变频控制传动电机。拉矫机控制原理图见图3。

图3 拉矫机控制原理图

通过图3 所示减速张力逻辑，拉矫机中间工作区域带钢主张力T，3#张力辊1#、2#辊间张力T0，2#、3#辊间张力T1，以及3#张力辊出口张力计张力测量值T3之间的关系为：

由（1）得到：

由（3）得到：

整理得：

将（2）、（5）代入(6)后整理得到：

式中：T——拉矫机中间工作区域带钢主张力，N；

T0——3#张力辊1#、2#辊间张力，N；

T1——2#、3#辊间张力，N；

T3——3#张力辊出口张力计张力测量值，N；

Tr3——3#张力辊3#辊电机力矩，N；

Tr0——3#张力辊力矩电机力矩，N；

De1——3#张力辊1#辊直径，mm；

De2——3#张力辊2#辊直径，mm；

De3——3#张力辊3#辊直径，mm；

Trs——延伸率电机力矩，N·m；

β1、β2、β3——控制系数变量，初始值均为0.95。

从以上减速传动换算逻辑分析，得到拉矫机中间工作区域带钢主张力T，（7）式中增加β1、β2、β3共3 个控制系数，通过PLC 逻辑控制查表得初始值为0.95。PLC 控制系统和电机变频传动系统通过调节Tr3、Tr0、Trs，来控制拉矫机中间带钢的主张力。由于拉矫机后面带钢进入酸槽，Tr3以稳定酸槽带钢张力为主，其调节范围不大。提高带钢延伸率主要依靠调节Trs和Tr0。提高电机力矩可以使带钢产生一定的延伸长度，通过内部上下弯辊辊缝啮合来达到破碎带钢表面氧化铁皮的效果。

3 延伸率模式和张力模式控制切换逻辑

带钢延伸率可通过延伸电机的预设置自动控制，生产线的二级计算机系统将每个钢卷的延伸率设置值发送到一级PLC 控制系统，提供初始设置数据。生产操作人员也可以手动在HMI 画面修改设置数据，最终设置值由用户根据实际操作和钢卷情况进行调节。

为充分拉矫带钢表面，更好地破碎带钢表面氧化铁皮，保证设备安全生产，同时避免出现无限制提高延伸率而造成张力超过设备极限能力，在PLC的控制逻辑中对拉矫机内部带钢的最大张力进行实时监控限制。

通过实时反馈值监视拉矫机内的张力状态变化，如果拉矫机内部张力未达到最大设定值，通过延伸率电机提高带钢延伸率直到实际延伸率达到设定值。如果T达到最大设定值，拉矫机的控制模式从延伸率控制模式自动切换到张力控制模式。图4是带钢最大张力控制逻辑框图[1]。

图4 带钢最大张力保护控制框图

图4中的Ta是根据不同厚度、宽度、屈服强度的钢种由二级计算机系统查表得来张力设定具体值。当拉矫机内部带钢的实际张力低于张力上限设定值A，则通过张力自动调节电机延伸率电机，使控制模式一直处于延伸率模式控制，当拉矫机内部带钢实际张力超过A时，PLC 控制程序自动跳转到张力控制模式，并同时在HMI画面发出告警。

PLC控制程序实时动态反馈拉矫机带钢张力运算值，在确保张力不超出A的前提下，提高带钢延伸率，以达到带钢拉矫除鳞预期效果。

4 实际控制效果跟踪分析

通过以上分析，参考PLC 延伸率和张力控制模式，将拉矫机最大保护张力限制设定值设定为55 t。通过采集现场数据，可以发现当拉矫机内部张力超极限时，拉矫机延伸率控制模式切换为保护张力控制模式。

图5是通过跟踪信息采集模块采集到的超过极限设置的状态数据。当拉矫机内部带钢张力达到极限值时，延伸率降低。

图5 超过极限设置的状态数据

5 结论

随着高强度冷轧带钢市场需求逐渐扩大，冷轧带钢生产高屈服强度带钢比重越来越多。在实际生产过程中拉矫机生产负荷比重增加，时常有张力超过设备设计极限的情况[2]。为保护机械传动设备和驱动电机，同时满足生产需求，发挥现有设备的极限能力，可以在拉矫机内部最大张力设置保护值进行限制保护。

从延伸率控制和张力控制两种模式来优化不同带钢的拉矫效果，在设备设计能力范围内进行调节，满足生产实际需要，这种控制思路在保护原有设备的前提下，极大地发挥了现有设备能力，提高了生产效率。