微张力控制在棒材连轧机中的应用

    摘  要  介绍了微张力的概念，棒材中轧控制系统引入微张力控制，程序算法以及改造效果。
    关键词  棒材轧制  微张力  控制系统
    中图分类号  TG333.11  文献标识码  B

    湘潭钢铁公司棒材厂圆钢中轧机组目前人工调节机架电机转速，机架间速度难以匹配，致使产品通条尺寸不一致，质量较差。为此决定在中轧机组的PLC程序中增加微张力控制。

    一、理论分析

    1.微张力的引入
    棒材正常连续轧制遵循的基本原理是机架间金属秒流量相等，即：
    A_n×V_n=A_n－1x×V_n－1  (1)
式中A_n——第n机架的轧件截面面积
    V_n——第n机架的轧件出口速度
    可见A_n和V_n决定金属秒流量，其中A_n受制造工艺限制（诸如孔型道次、辊缝压下量、钢温等），一旦调整就固定不变，因此只能通过调整V_n满足公式（1）。从公式（1）推出相邻机架间速度关系应当满足：
    E_n= V_n/V_n－1=A_n－1/A.    (2)
式中E一前后机架（n－l、n）的轧件面积比，也称金属延伸率
    实际生产中轧件受钢温、材质、坯料形状、孔型磨损等扰动因素影响，无法保证精确的截面积，造成轧机间金属秒流量出现偏差，使轧材产生张力，而且偏差严重会在轧机间产生堆、拉钢，影响产品质量甚至发生轧制事故，因此在轧制过程中需要对微张力进行控制。

    2.轧制转矩计算
    棒材轧制过程张力变化直接影响轧机主传动电机负载转矩，因此可通过检测电机负载转矩间接监测张力。由直流电机运动方程推出电机轧制转矩为：
    M_m=M_r+M_t+M_a+M_f      (3)
式中M_m——总轧制转矩
    M_r——自由轧制转矩，即轧件金属压下量所需的轧制转矩
    M_t——张力产生的转矩
    M_a——加速转矩
    M_f——摩擦转矩
    稳定轧制状态，M_a=0，若忽略M_f，则公式(3)变为：
    M_m=M_r+M_t             (4)
    进一步分解M_t，得到：
    M_t＝M_t1+ M_t2           (5)
             (6)
式中M _t1——常数，希望轧件中存在的张力矩，用来补偿钢坯后温度下降而增加的金属秒流量，通过操作者在上位计算机设定σ值间接给出
    M _t2——机架张力矩，即被控量，系统调节机架转速使其趋于0
    S——机架出口截面积刀—机架土作辊径
    σ——机架间张力
    i—传动比

    3.Mr测算
    (1)根据轧件在S_n－1机架出口速度V_n－1和S_n－1→S_n机架间距离L，计算出此段轧件运行时间T(L/V_n－1)，其中t₁为0.2T(动态速降恢复时间)，t₂为0.1T—0.65T(S_n－2→S_n－1微张力控制时间)，t₃为0.7T—0.8T(S_n－1机架M_r采样时间)。
    (2)S_n机架咬钢后，根据轧件在S_n机架的出口速度和S_n→S_n+1机架间距离，计算出此段轧件运行时间T_n，其中t₄为0.1T_n(S_n机架动态时间恢复时间)，t₅为0.1T_n—0.65T_n，程序在此时间段内采样S_n－1机架M_m值并同M_r、M_t1值比较（公式4）, PI调节器根据差值控制机架速度，使S_n－1→S_n机架间的轧件张力在允许范围内，系统在t₆时间段，停止微张力调节，随后进行下一轮控制（S_n→S_n+1机架间微张力控制）。
    (3)PLC程序中M_r采样原理（控制算法）是：轧件在t₂运行时，系统采样S_n－1机架的轧制转矩，PLC设置两个累加器(ACCU1、ACCU2)，ACCU1在每个机器周期累加1次机架的轧制转矩，ACCU2每个周期加1，即轧制转矩的累加次数，轧件进入t₃时间段时，ACCU1除以ACCU2，得到M_r平均值，以此作为t₅时间段机架微张力控制的基准值。

本文关键字：张力  机床，应用领域 - 机床