CN113042540B - 一种极薄钢带卷取张力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种极薄钢带卷取张力控制方法，解决了极薄钢带轧制过程中张力难以控制的技术问题。所述张力控制方法包括以下步骤：步骤一，在轧钢机组运行之前，对开卷机和卷取机建立静张力；步骤二，在轧钢机组运行之后，检测钢带的张力值，检测结果用于所述卷取机的电机的输出转矩调节；步骤三，在极薄钢带轧制过程中，对所述卷取机进行转矩补偿，使得所述钢带的张力恒定，所述卷取机的负载转矩M_Z包括：钢带张力转矩M_F、转动惯量转矩M_D、钢带弯曲转矩M_w、传动系统摩擦转矩M_f。根据本发明提供的技术方案，极薄钢带卷取过程中不发生抽带和断带，保证了钢卷能够卷紧和卷齐，既满足了产品的性能要求，又提高了生产效率。

Description

一种极薄钢带卷取张力控制方法

技术领域

本发明属于轧钢技术领域，具体涉及一种极薄钢带卷取张力控制方法。

背景技术

不锈钢极薄钢带目前已进入航空航天、医疗电子、通信半导体、汽车零部件等领域，具有非常高的附加值。对于0.05mm以下极薄钢带而言，生产过程中由于板形不良、夹杂物尺寸大等问题，如果张力控制不合理，极易造成轧制过程中的抽带和断带问题，造成钢带成材率降低，从而给生产造成了较大的经济损失。

发明内容

为了解决上述全部或部分问题，本发明的目的在于提供一种极薄钢带卷取张力控制方法，保证钢带卷取过程中不发生抽带、断带，成品钢卷不发生塌卷，为生产企业创造更高的经济效益。

本发明一方面提供了一种极薄钢带卷取张力控制方法，包括以下步骤：

步骤一，在轧钢机组运行之前，对开卷机和卷取机建立静张力；

步骤二，在轧钢机组运行之后，检测钢带的张力值，检测结果用于所述卷取机的电机的输出转矩调节；

步骤三，在极薄钢带轧制过程中，对所述卷取机进行转矩补偿，使得所述钢带的张力恒定，所述卷取机的负载转矩M_Z包括：钢带张力转矩M_F、转动惯量转矩M_D、钢带弯曲转矩M_w、传动系统摩擦转矩M_f。

可选地，所述步骤一中，建立所述静张力的方法为：所述卷取机拉紧钢带，所述开卷机沿逆时针旋转，所述钢带的张力值达到预定值时，所述开卷机处于静止堵转状态。

可选地，所述步骤二中，在轧钢机组开始运行时，所述开卷机和所述卷取机同时沿顺时针方向旋转，所述开卷机的速度给定值V_K小于所述卷取机的速度给定值V_J，所述钢带的线速度为v，V_J-V_K＝v×3％。

可选地，所述步骤二中，预设一个设定张力值，比较所述设定张力值和实测张力值获得修正张力值，所述修正张力值作为所述卷取机的速度调节器的第一控制信号，根据所述第一控制信号所述速度调节器输出第二控制信号至所述卷取机的转矩调节器，所述转矩调节器根据所述第二控制信号调节所述卷取机的电机的输出转矩。

可选地，所述步骤三中，对所述卷取机的电机的输出转矩进行限幅，所述卷取机的电机的输出转矩不大于转矩限幅值；对所述卷取机的电机的转速进行限幅，所述卷取机的电机的转速不大于转速限幅值。

可选地，所述步骤三中，所述钢带张力转矩M_F为：

F＝F_set+F_corr (4)

F为钢带的总张力，D为卷取机上钢带的钢卷直径，i为电机的减速机减速比，η为机械效率，F_set为设定张力值，F_corr为校正张力值。

可选地，所述步骤三中，所述传动系统转动惯量转矩M_D为：

GD₁ ²＝GD_motor ²+GD_gear ²+GD_cuppling ² (7)

GD₁ ²为卷取机的传动系统转动惯量，

为钢带的钢卷转动惯量，GD_motor ²为卷取机的电机转动惯量，GD_gear ²为电机的齿轮箱转动惯量，GD_cuppling ²为传动链转动惯量，ρ为钢的密度，w为钢带的宽度，

为钢带的线加速度，g为重力加速度，D₁为卷取机上卷筒的直径，D为卷取机上钢带的钢卷直径。

可选地，所述钢带线加速度

为：

h为钢带的厚度，v为钢带的线速度，D为卷取机上钢带的钢卷直径。

可选地，所述步骤三中，所述钢带弯曲转矩M_w为：

s为钢带的屈服强度，w为钢带的宽度，h为钢带的厚度，v为钢带的线速度，D为卷取机上钢带的钢卷直径。

可选地，所述步骤三中，所述传动系统摩擦转矩M_f为：

P为作用在卷取机的卷筒轴承上的支撑反作用力、钢卷和卷筒本身重量的力偶，μ为所述卷筒轴承处的磨擦系数，K为所述卷筒轴承的直径。

由上述技术方案可知，本发明提供的极薄钢带卷取张力控制方法，具有以下优点：

本发明通过开卷机和卷取机建立张力关系，采用直接张力控制，建立静张力时张力缓慢提升，钢带的加减速过程中，为了保证钢带张力恒定，对卷取机的电机转矩进行附加动态力矩和机械损失力矩补偿，张力控制稳定，卷取过程中不发生抽带和断带，保证了钢卷能够卷紧和卷齐，成品钢卷不发生塌卷。本发明的张力控制方法既满足了产品的性能要求，又提高了生产效率，为生产企业创造更高的经济效益。

附图说明

图1为本发明实施例中轧制机组的结构组成框图；

图2为本发明实施例中张力控制流程示意图；

图3为本发明实施例中张力检测参数的关系示意图；

图4为本发明实施例中使用检测张力进行输出转矩调节的流程示意图；

图5为本发明实施例中转矩补偿的流程示意图。

具体实施方式

为了更好的了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的一种极薄钢带卷取张力控制方法做进一步详细的描述。

如图1、图2、图3、图5所示为本发明实施例，图1为本发明实施例中轧制机组的结构组成框图，从图1可知，轧制机组包括：开卷机、入口测厚仪、轧机轧辊、出口测厚仪、张力计辊、卷取机。将钢带从开卷机经过入口测厚仪、轧机轧辊、出口测厚仪、张力计辊到达卷取机，卷取机采用皮带助卷器完成钢带的卷取。上述各个设备的具体结构可以参考现有技术。

张力在轧制过程中可以降低不锈钢材料的变形抗力以进一步薄化产品，可以使冷轧不锈钢极薄钢带在轧制过程中保持良好的板形，对冷轧极薄不锈钢极薄钢带的生产来说至关重要，卷取过程中的主要衡量指标为单位张力。单位张力指单位截面上的钢带的平均张应力，如下面公式所示：

T_单为钢带承受的单位张力，T_总为钢带承受的总张力，S为钢带面积。

单位张力大时可使钢带绷展，有利于轧制，但对于极薄钢带并不是选的越大越好，首先不能超过钢带的屈服极限，其次过大的张力会导致轧制过程中的抽带和断带，并且张力的控制精度也要求非常高，因此张力控制的优劣直接决定着轧制效果。

本发明实施例中还公开了一种极薄钢带卷取张力控制方法，包括以下步骤：

步骤一，在轧钢机组运行之前，对开卷机和卷取机建立静张力；

步骤二，在轧钢机组运行之后，检测钢带的张力值，检测结果用于卷取机的电机的输出转矩调节；

步骤三，在极薄钢带轧制过程中，对卷取机进行转矩补偿，使得钢带的张力恒定，卷取机的负载转矩M_Z包括：钢带张力转矩M_F、传动系统转动惯量转矩M_D、钢带弯曲转矩M_w、传动系统摩擦转矩M_f。

M_Z＝M_F+M_D+M_w+M_f (2)

通过对开卷机和卷取机建立静张力，静张力小于轧制机组稳定运行时钢带张力，使得钢带能够被预先施加一定的张力保持张紧状态，避免轧制机组运行后钢带突然被施加张力发生抽带和断带现象，该步骤是极薄钢带轧制的关键步骤。

为了检验钢带的实际张力值是否达到了轧制工艺需求的张力值，在轧钢机组运行之后，需要检测钢带的实际张力值，如果钢带的实际张力值出现变化，相比轧制工艺需求的张力值有增大或减小的现象，就需要对卷取机的电机的输出转矩进行调节，使得钢带的张力值恢复至工艺需求的张力值。

在对钢带卷取时，由于卷取机的钢带卷径会发生变化，卷取机的加、减速均会产生动态力矩，所以会引起卷取张力的改变。另外，由于机械摩擦损失产生的摩擦力矩，也会引起卷取张力的改变。所以实际运行过程中采用补偿转矩的方法来补偿上述的张力损失值，以保证卷取张力的恒定。卷取机的负载转矩M_Z也是卷取机需要输出的合理转矩，负载转矩M_Z可以实时自动计算得出，从而实现转矩补偿。

本实施例中，适用的钢带的厚度不大于0.05mm，厚度在0.02-0.05mm。例如，牌号为SUS304的精密不锈钢原料卷，厚度0.02mm，宽度610mm，设定张力值为200N/mm²，线速度300m/min。

步骤一中，建立静张力的方法为：卷取机拉紧钢带，开卷机沿逆时针旋转，钢带的张力值达到预定值时，开卷机处于静止堵转状态。静张力的预定值由控制系统根据轧制机组稳定运行时钢带张力的百分比给定，例如：静张力为15％的钢带张力。

步骤二中，在轧钢机组开始运行时，开卷机和卷取机同时沿顺时针方向旋转，开卷机的速度给定值V_K小于卷取机的速度给定值VJ，钢带的线速度为v，V_J-V_K＝v×3％。

开卷机中也设置有电机，开卷机的速度由其电机的转速决定。由于卷取机速度大于开卷机速度，机组升速过程实质是卷取机拖动开卷机加速旋转。此时开卷机转矩方向和转速方向相反，开卷机实际上是工作于反向制动状态。

为了检验卷取机的电机的输出转矩是否达到了轧制工艺需求的转矩，步骤二中，预设一个设定张力值，比较设定张力值和实测张力值获得修正张力值，修正张力值作为卷取机的速度调节器的第一控制信号，根据第一控制信号速度调节器输出第二控制信号至卷取机的转矩调节器，转矩调节器根据第二控制信号调节卷取机的电机的输出转矩。设定张力值是理论上轧制工艺需求的张力值，轧制时如果钢带能够保持该张力值，达到的机械性能参数最优。设定张力值需要根据钢带的参数来确定，不同材质、宽度、厚度的钢带，设定张力值不相等。

卷取机控制系统是一个双环控制系统，转矩环和磁通环为内环，转速环为外环。对于转矩调节器，其输入为转速调节器的输出，所以通过发送第一控制信号至速度调节器，就可以继而对转矩调节器进行控制。

如图3所示，由于钢带在张力计辊上存在一定的包角，故实际张力是张力计检测值的一个分力。实际张力＝检测张力/(1-cosα)。钢带开始运行时张力检测包角较小，随着在卷取机上钢卷卷径的增大，该包角逐渐增大，卷径由钢带线速度和角速度的关系运算得出。

为了轧制工艺安全需要，避免经过转矩补偿后钢带的张力过大、以及轧制速度过大，步骤三中，对卷取机的电机的输出转矩进行限幅，卷取机的电机的输出转矩不大于转矩限幅值；对卷取机的电机的转速进行限幅，卷取机的电机的转速不大于转速限幅值。

如图5所示，步骤三中，钢带张力转矩M_F为：

F＝F_set+F_corr (4)

F为钢带的总张力，D为卷取机上钢带的钢卷直径，i为电机的减速机减速比，η为机械效率，F_set为设定张力值，F_corr为校正张力值。

转动惯量转矩包括固定转动惯量转矩和可变转动惯量转矩，传动系统的转动惯量转矩为固定转动惯量转矩，取决于电机、机械机构、齿轮箱。卷筒部分的转动惯量转矩为固定转动惯量转矩和可变转动惯量转矩，主要由卷筒部分的飞轮力矩和钢卷的飞轮力矩两部分组成，可变转动惯量转矩取决于钢带的厚度、钢带的宽度、钢卷直径。如图5所示，步骤三中，转动惯量转矩M_D为：

GD₁ ²＝GD_motor ²+GD_gear ²+GD_cuppling ² (7)

GD₁ ²为卷取机的传动系统转动惯量，

为钢带的钢卷转动惯量，GD_motor ²为卷取机的电机转动惯量，GD_gear ²为电机的齿轮箱转动惯量，GD_cuppling ²为传动链转动惯量，ρ为钢的密度，w为钢带的宽度，

为钢带的线加速度，g为重力加速度，D₁为卷取机上卷筒的直径，D为卷取机上钢带的钢卷直径。

如图5所示，钢带线加速度

为：

h为钢带的厚度，v为钢带的线速度，D为卷取机上钢带的钢卷直径。

可选地，步骤三中，钢带弯曲转矩M_w为：

s为钢带的屈服强度，w为钢带的宽度，h为钢带的厚度，v为钢带的线速度，D为卷取机上钢带的钢卷直径。

卷取机传动零件机械摩擦损失会产生静摩擦力矩，也会引起卷取张力值的变化，这部分称为静态张力损失值。一般情况，摩擦系数为一常数，此值也比较稳定。如图5所示，步骤三中，传动系统摩擦转矩M_f为：

P为作用在卷取机的卷筒轴承上的支撑反作用力、钢卷和卷筒本身重量的力偶，所有的卷筒轴承都要计算到，μ为卷筒轴承处的磨擦系数，K为卷筒轴承的直径。

本实施例的极薄钢带卷取张力控制方法在实际使用中可能出现如下情况：

在控制系统给出机组运行速度指令后，由于卷取机拖动开卷机加速旋转，卷取机的转速逐渐由零速达到给定速度，但是卷取机的转速在达到给定速度后并不会马上降低，而是会超过给定速度，造成卷取机的实际返回速度比给定速度大，使得速度调节器的输出达到饱和限幅值，此时，控制转矩限幅就可以控制电机的转矩，保证卷取机加速和平稳运行时张力恒定，即保证了整个机组运行时张力的恒定。当机组运行速度稳定后，卷取机的实际返回速度仍比给定速度大，速度调节器的输出保持饱和限幅值，此时卷取机的加速转矩为零，附加转矩补偿值也为零，控制转矩限幅就可以控制电机的转矩，保证开卷机平稳运行时张力恒定，即保证了整个机组平稳运行时张力的恒定。

本实施例的极薄钢带卷取张力控制方法具有以下优点：

本实施例通过开卷机和卷取机建立张力关系，采用直接张力控制，建立静张力时张力缓慢提升，钢带的加减速过程中，为了保证钢带张力恒定，对卷取机的电机转矩进行附加动态力矩和机械损失力矩补偿，张力控制稳定，卷取过程中不发生抽带和断带，保证了钢卷能够卷紧和卷齐，成品钢卷不发生塌卷。本实施例的张力控制方法既满足了产品的性能要求，又提高了生产效率，为生产企业创造更高的经济效益。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (5)

1.一种极薄钢带卷取张力控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，在轧钢机组运行之前，对开卷机和卷取机建立静张力；

步骤二，在轧钢机组运行之后，检测钢带的张力值，检测结果用于所述卷取机的电机的输出转矩调节；

步骤三，在极薄钢带轧制过程中，对所述卷取机进行转矩补偿，使得所述钢带的张力恒定，所述卷取机的负载转矩M_Z包括：钢带张力转矩M_F、转动惯量转矩M_D、钢带弯曲转矩M_w、传动系统摩擦转矩M_f；

其中，所述步骤三中，所述钢带张力转矩M_F为：

F＝F_set+F_corr (4)

F为钢带的总张力，D为卷取机上钢带的钢卷直径，i为电机的减速机减速比，η为机械效率，F_set为设定张力值，F_corr为校正张力值；

其中，所述步骤三中，所述转动惯量转矩M_D为：

GD₁ ²＝GD_motor ²+GD_gear ²+GD_cuppling ² (7)

GD₁ ²为卷取机的传动系统转动惯量，

为钢带的钢卷转动惯量，GD_motor ²为卷取机的电机转动惯量，GD_gear ²为电机的齿轮箱转动惯量，GD_cuppling ²为传动链转动惯量，ρ为钢的密度，w为钢带的宽度，

为钢带的线加速度，g为重力加速度，D₁为卷取机上卷筒的直径，D为卷取机上钢带的钢卷直径；

所述钢带线加速度

为：

h为钢带的厚度，v为钢带的线速度，D为卷取机上钢带的钢卷直径；

其中，所述步骤三中，所述钢带弯曲转矩M_w为：

s为钢带的屈服强度，w为钢带的宽度，h为钢带的厚度，v为钢带的线速度，D为卷取机上钢带的钢卷直径；

其中，所述步骤三中，所述传动系统摩擦转矩M_f为：

P为作用在卷取机的卷筒轴承上的支撑反作用力、钢卷和卷筒本身重量的力偶，μ为所述卷筒轴承处的磨擦系数，K为所述卷筒轴承的直径。

2.根据权利要求1所述的极薄钢带卷取张力控制方法，其特征在于，所述步骤一中，建立所述静张力的方法为：所述卷取机拉紧钢带，所述开卷机沿逆时针旋转，所述钢带的张力值达到预定值时，所述开卷机处于静止堵转状态。

3.根据权利要求1所述的极薄钢带卷取张力控制方法，其特征在于，所述步骤二中，在轧钢机组开始运行时，所述开卷机和所述卷取机同时沿顺时针方向旋转，所述开卷机的速度给定值V_K小于所述卷取机的速度给定值V_J，所述钢带的线速度为v，V_J-V_K＝v×3％。

4.根据权利要求1所述的极薄钢带卷取张力控制方法，其特征在于，所述步骤二中，预设一个设定张力值，比较所述设定张力值和实测张力值获得修正张力值，所述修正张力值作为所述卷取机的速度调节器的第一控制信号，根据所述第一控制信号所述速度调节器输出第二控制信号至所述卷取机的转矩调节器，所述转矩调节器根据所述第二控制信号调节所述卷取机的电机的输出转矩。

5.根据权利要求1所述的极薄钢带卷取张力控制方法，其特征在于，所述步骤三中，对所述卷取机的电机的输出转矩进行限幅，所述卷取机的电机的输出转矩不大于转矩限幅值；对所述卷取机的电机的转速进行限幅，所述卷取机的电机的转速不大于转速限幅值。

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