连续退火机组入口张力辊装置方案设计

张伟 何云飞 张乐峰 张峰

（1：北京首钢国际工程技术有限公司 北京 100043；2：北京市冶金三维仿真设计工程技术研究中心 北京 100043）

1 前言

在连续退火机组中，张力辊是必不可少的装置，张力辊利用带钢包绕张力辊产生包角所产生的摩擦力，使张力辊入、出口张力按照某种规律变化，张力或增大或减小，借此改变张力值，实现张力的分段和控制，以满足生产工艺张力分段的需要，同时，有些张力辊辊组还承担部分区段的基准速度控制，才能确保生产线的连续稳定运行。本电工钢连续退火机组全线设置了多组张力辊，其中入口张力辊和出口张力辊的工况比较复杂，本文结合入、出口张力辊不同的工作状态，对张力辊方案设计的相关问题进行分析与探讨。

2 初步设定的机组参数

根据要求，方案设计的机组参数如表1所示，初步拟定的入口带钢最大单位张力如表2所示。

3 张力辊的主要参数设计

3.1 张力辊直径D的选择

带钢在经过张力辊组产生张力，前提条件是不能发生塑性变形，也就是说，带钢在张力辊缠绕时，最外层表面受拉应力，其不能达到其屈服极限，不然带钢会产生永久变形［1］，由公式：

表1 方案设计的机组参数

表2 初步拟定的入口带钢最大单位张力

式中：E—弹性模数MPa，202×102MPa；

σsmin—带钢最小屈服强度，MPa；

tmax—带钢最大厚度，mm。

退火前、退火后的张力辊理论最小直径分别为：

经过计算：退火前张力辊直径D前≥126.25mm，退火后张力辊直径D后≥505mm，根据目前要求，本条连退机组将来还需要承担厚度1.0mm带钢的退火功能，结合电工钢连退的生产特点，机组生产带钢的钢种以及带钢的材质和厚度，再根据多年的生产经验及总体投资成本，考虑设备备件的统一性及灵活性，最终确定全线张力辊采用统一的辊径，即D＝800mm。

3.1 张力辊放大系数的计算

张力辊的布置形式如图1所示。

根据包角计算公式［2］：

H ＝130mm；

H—张力辊中心垂直距离，mm；

L—张力辊中心水平距离，mm；

D—张力辊辊径，mm；

图1 带钢在张力辊上的包角

带钢与辊子包绕摩擦产生张力，张力辊放大系数与带钢在张力辊上的包角α和摩擦系数μ有关系，即：

式中：e—自然对数的底；

α—带钢对辊子的有效包角，弧度；

μ.—带钢与辊子之间的静摩擦系数。

根据公式（2）计算，带钢包角：

α′＝230.46°

由于带钢都是有刚性的，不能完全跟张力辊的辊面相接触，所以取实际包角α＝0.87α′，即α＝200.7°。

张力辊辊面使用的材料为为聚氨酯，摩擦系数为0.18～0.2，取摩擦系数μ＝0.2，根据公式（3）计算，每个张力辊放大系数：

λ＝2

3.2 确定张力辊组辊子的数量

张力辊总的放大系数公式：

根据公式（4），入口张力辊需要总的放大系数：

λen—入口张力辊所需放大系数；

Feb-a—入口张力辊入口张力，N；

Feb-b—入口张力辊出口张力，N；

σen—开卷单位张力，N／mm2；

σ100per—入口活套单位张力，N／mm2。

根据前面对张力辊的设计方案可知，单个张力辊最大放大倍数λ＝2，能够满足入口张力辊张力放大系数的需要，结合机组布置的需要，入口张力辊采用两辊张力辊组的形式，两辊都为传动辊，并且都带有压辊。具体形式如图2所示。

图2 张力辊布置形式

4 入口张力辊不同工况下张力计算分析

4.1 入口段工艺布置

为了提高成材率，提高生产线的利用系数，提高机组的生产效率，实现整条机组的连续性生产，本生产线入口设置了两台开卷机，入口活套的设置可以确保机组入口段因剪切、换卷、焊接停车时，工艺段能够稳定高速的运行。入口段工艺流程：带钢经开卷机开卷后，在入口横切剪处切尾后，运行至焊机进行焊接，焊接完成后建张，然后带钢通过入口张力辊送至入口活套连续运行。电工钢连续退火机组入口段工艺布置如图3所示。

4.2 入口张力辊实际生产中两种工况

图3 连续退火机组入口段工艺布置图

入口张力辊位于焊机与入口活套之间，由于其特殊的位置，在实际生产中存在两种工况：即正常生产状态和剪切后甩尾状态。在正常生产过程中，1＃张力辊提供与带钢运动方向相反的转矩；在剪切后甩尾或者带钢带与带尾焊接的过程中，1＃张力辊相当于起到开卷机的作用，提供与带钢运动方向相反的转矩［2］。

现就入口张力辊在两种工况下的工作状态进行分析比较，并计算不同工况下的电机功率，最终选择合适的标准减速电机。

4.3 入口张力分段

机组入口段张力分为两段，即开卷机张力和入口活套张力，表3为入口区域的张力分段情况。

表3 入口张力分段

开卷单位张力：σen＝12N／mm2；

入口活套单位张力：σ100per＝16N／mm2；

带钢张力公式：

b—带钢宽度，mm；

t—带钢厚度，mm；

根据公式（5）计算

开卷最大张力：

Fa-enmax＝7800N；

入口活套最大张力：

Fb-enmax＝10400N；

4.4 入口张力辊在不同工况下功率的计算

4.4.1 正常运行状态

在正常生产过程中，开卷机与入口张力辊是在一定的张力下以给定的工艺速度运行，此时带钢处于正常运行模式状态。根据工艺需要，此时带钢入口张力小于出口张力，张力辊电机属于发电机状态。正常运行模式如图4所示。

正常运行时，两个传动辊按等负荷分配考虑。

总的放大倍数：λ1＝F1b／F1a＝1.33

经过计算：F1c＝F1a×＝8970N

F1a—正常运行状态下，1＃张力辊传动辊1入口张力；

F1b—正常运行状态下，1＃张力辊传动辊2出口张力；

F1c—正常运行状态下，1＃张力辊传动辊1出口张力（传动辊2入口张力）。

图4 入口张力辊正常运行状态

扭矩公式：

T＝F×R（6）

电机功率公式：

R—入口张力辊半径，mm；

n—张力辊的转速（入口运行最大速度Vmax＝240m／min时），rpm；

根据公式（6）、（7）计算的入口张力辊传动辊1、传动辊2的扭矩和电机功率如表4所示。

表4 传动辊1、2扭矩和电机功率

4.4.2 甩尾运行状态

根据欧拉公式可知，张力放大的最基本的条件就是，入口必须有初张力才能实现张力的放大，否则，如果初张力如果为零，那么出口张力也为零，所以带钢在甩尾运行状态下必须建立初张力，才能实现张力的放大或减小［3］。

带钢尾部经过入口剪剪切后，带尾处于失张状态，传动辊1压辊压下，提供入口带钢的初张力，带尾继续向前运行至焊机进行焊接，，这一段为带钢甩尾运行状态。在此状态下，入口张力辊处于发电状态，即电机的传动力矩与带钢的运动方向相反。甩尾运行模式如图5所示。

图5 入口张力辊甩尾运行状态

传动辊1压辊提供入口初张力按F2a′＝7800考虑，根据公式：P＝T×n／9550，

计算传动辊1压辊电机功率为：

P压′—1＃张力辊传动辊1压辊计算电机功率，kW；

F2a′—1＃张力辊传动辊1压辊考虑的初张力，N；

D—传动辊1压辊直径，mm；

n—传动辊1压辊的转速（甩尾速度30m／min时），rpm；

选取传动辊1压辊标准电机，如表5所示。

表5 传动辊1压辊电机参数

传动辊1压辊可提供的最大初张力：

F2a＝P压×60×1000×η／Vth

P压—入口张力辊传动辊1压辊电机功率，kW；

F2a—传动辊1压辊提供的最大初张力，N；

1＃张力辊总的放大倍数为λ2＝F2b／F2a＝10400／7200＝1.44；

根据公式（6）、（7）计算的入口张力辊传动辊1、传动辊2的出口张力、扭矩和电机功率如表6所示。

4.4.3 确定减速机的减速比

入口张力辊为恒力矩工作状态，采用交流变频传动，选用4极电机，根据n＝60f／2，得出电机同步转速n＝1500rpm，传动辊减速电机速比：

表6 传动辊1、2出口张力、扭矩和电机功率

i1＝（π×D／1000）×1500／Vmax＝15.7079，选取标准减速机（4极电机），速比i＝15.65，则电机工作时最高转速n2＝n1*i1＝1494.4rpm

4.4.4 传动辊减速电机功率

传动辊机械效率：η＝0.9

传动辊1最大张力功率为：

传动辊2最大张力功率为：

4.4.5 传动辊减速电机的选择

选取标准电机考虑张力辊加减速的转动惯量功率：传动辊1电机功率为15kW，速比为15.65；传动辊2电机功率为15kW，速比为15.65

5 结语

在连续退火机组中的多组张力辊装置，入口段张力辊的工况相对复杂，有两种不同的工作状态（带钢正常运行和甩尾工作状态）。经分析计算，在第二种工况下，入口张力辊传动辊1、传动辊2的电机功率最大，分别为6.4kW 和7.75kW，为选择入口张力辊电机提供了可靠的数据支持。所以对于入口张力辊，只有做全面的考虑计算，合理的选取配置，才能保证机组的正常运行。