高速连续退火机组张力辊设计研究及实用计算

高速连续退火机组张力辊设计研究及实用计算

罗里荣，徐成华

（中国钢研新冶高科技集团有限公司，北京 100081）

摘 要：阐述了张力辊辊系的几何尺寸及辊子数目的确定方法；比较了辊系表面热喷涂碳化钨和电镀硬铬的优缺点；推导了两张力辊偏移距计算公式和典型四辊张力辊组的实用计算公式；并针对冷轧连续退火机组产能大，速度高的特点，提出综合考虑电机“恒扭矩调速”和“恒功率调速”来选择电机功率，并结合实例加以验证。 关键词：热喷涂碳化钨，恒扭矩调速，恒功率调速，扭矩校核 中图分类号：TG335.5

文献标志码：A

Design research and utility calculation of bridle rolls in high-speed continuous

annealing line

Luo Lirong，Xu Chenghua

(New Metallurgy High-Tech Co.Ltd of CISRI, Beijing 100081)

Abstract: This paper discusses roll geometry parameters of the bridle rolls and method to determine the number of rollers; compares thermal sprayed tungsten carbide and hard chromium plating on the roll surface advantages and disadvantages; deduces two rollers offset calculation formula and the practical calculating formula of the typical four rolls bridle roll; For the continuous annealing process of large capacity and high speed characteristic, puts forward the comprehensive consideration of motor“constant torque speed regulation”and“constant power speed regulation”to select motor power and combined with the examples to verify.

Key words: thermal sprayed tungsten carbide, overclocking, constant power speed, torque check

冷轧带钢连续后处理机组中，张力辊是不可或缺的重要组成部分，它是后续工艺顺利完成及产品质量得到保证的重要前提。特别是近年来产品定位越来越高，质量要求越来越严，机组产能越来越大的情况下，对张力辊组实际应用研究是很有必要的。本文详细阐述了辊系表面处理的问题，以往很多辊子都采用电镀硬铬的方法来提高辊子的表面硬度，抗冲击性和耐磨性，但镀铬层与基体的附着力不够牢固、耐磨性偏低已很难满足现代化大机组的要求，随着超音速火焰热喷涂（HVOF）技术的突飞猛进，辊面热喷涂碳化钨技术也越来越得到更加广泛的应用。有关张力辊设计计算研究方面的论文很多，但对多辊张力辊组设计只是告诉读者重复利用欧拉公式进行逐辊计算电机功率，而且都是在电机恒转矩下进行计算，这对一般低速机组是可行的。但是对于高速机组，如果电机也只是在基频以下工作，那么选择的电机功率过大，对机组生产对应产品而言电机功率得不到充分发挥从而导致投资及后续使用成本大大提高。因此本文提出应根据产品大纲要求，根据一般薄规格带钢速度高但受力相对小，而厚规格带钢速度低而受力大的特点，在速度高张力小时对电机采用超频控制，而在速度低张力大时对电机采用恒扭矩控制模式，综合考虑电机功率的选择问题。

1 张力辊辊系主要技术参数的确定

1.1 张力辊几何尺寸的确定

张力辊直径选择应以带钢最外层表面达到屈服点为限，这样可以防止带钢产生塑性变形 。显然，张力辊半径越小，越容易产生塑性变形，因此对张力辊最小直径有一定限制，即：Dmin?Eh?s (1)。

式中：E为带钢弹性模量 (M Pa)， h 为带钢最大厚度(mm )，δs为带钢屈服极限 (M Pa)。张力辊辊

身长度应根据带钢的最大宽度来确定，一般比带钢宽200~300 mm。

作者简介：罗里荣（1977-），男，硕士，从事冶金设备的设计工作

1

1.2 S辊组中心线偏移距的确定：

张力辊各辊的布置主要考虑以下两点：⑴包角尽可能大些，⑵防止带钢抖动相互摩擦，同时方便穿带和设置压辊机构。图1中为典型S辊组的布置形式，L为两辊中心水平距离(mm)，H为两辊中心垂直距离(mm)，R为两辊半径(mm)，α为理论包角 (rad)。

R

α

θ1

θ2

R

图1.典型S辊组的布置

L

α

从图中的几何关系可知：

???(?1??2),?1?arctan?H

因此，张力辊理论包角与两辊中心线偏移的关系式为：

32H2R,?2?arccosLL2?H2????(arctan

1.3 张力辊放大系数的计算

32H2R?arccos)22LL?H带钢运行方向

T2

T1

图2.张力辊受力示意图

如图2所示，T1为带钢入口张力，T2为带钢出口张力，α为理论包角，α′为实际包角。由于带

材的弹性特性，带钢不可能完全“服帖”在辊面上，会产生包角损失，所以在实际计算时

???(0.8~0.9)?，一般来说，带钢厚度越厚，α′值较小。若带钢入口张力T2?T1，根据欧拉公式

可计算张力辊的放大系数为：??T2?e???，式中e?2.178自然对数的底；?为包角处带钢与辊子的T1 2

摩擦系数。对于张力辊组，每经过一个辊，张力则放大?倍。 1.4 张力辊组辊数的确定：

张力辊组辊数是根据出口张力和入口张力的最大比值来确定，即根据张力递增倍数的最大值?max确

2i)max(i?1,2,3?m)，式中：T1i和T2i表示第i种工况下的入口和出口张力，定张力辊组辊数。?max?(T1iTm为总工况数。若1??max??，辊数为1，单辊张力辊；若???max??2，辊数为2，两辊张力辊；

以此类推：若?n?1??max??n，辊数为n。

2 张力辊表面处理

一般冷轧带钢连续热镀锌及退火机组的入、出口段张力辊辊面一般衬有聚氨酯，以增加辊子与带钢之间的摩擦力，并避免带钢表面的划伤、印痕等，在工艺段的张力辊表面常采用辊面镀铬或喷涂碳化钨涂层的方法以增强辊子的耐磨性和耐冲蚀性，延长辊子的使用寿命，同时也可防止锌粒等硬物嵌入辊面形成印痕而影响产品质量。随着近年来对产品定位的提高，大机组越来越多，辊子表面镀铬的局限性越来越明显，加上超音速火焰热喷涂（HVOF）技术取得了飞速发展，HVOF涂层已被专家选择为取代电镀铬的最佳方案[1]。两种涂层性能比较见下表(-)

表1两种典型涂层性质比较

序 号 1 2 3 4 5 6 7 8

性 质 宏观硬度(HRC) 微观硬度(DHP300) 键合强度(MPa)

孔隙率 涂层厚度(mm) 表面粗糙度(Ra) 耐腐蚀性测试(ASTM B117)/h

表面承温度(℃)

HVOF 碳 化 钨 涂 层

＞70 ＞1050 ＞80 ＜1﹪ ＞0.08 ＜4 720 550

电 镀 硬 铬

60-70 750-850 ≈41 固有裂纹 ＜0.13 ＜4 55 400

由表1可见：碳化钨涂层具有更高的键合强度和较低的孔隙率，而这两项指标是持久耐用的组成因素；碳化钨涂层的硬度、耐腐蚀性能及表面耐高温性能均优于电镀硬铬，这些参数表明：在张力辊辊面上喷涂碳化钨涂层将使辊子更加持久耐用，寿命大大提高。

从碳化钨涂层工艺和环保方面的比较：超音速火焰热喷涂碳化钨工序较镀硬铬少，同样厚度的镀层，作业时间比电镀短得多，生产效率高，一般碳化钨涂层在1~2小时内即可完成沉积，而电镀铬则需要24小时或者更久；不同于高硬镀铬涂层，碳化钨涂层无需经过氢脆变，所以不必为防止氢脆变而花费时间和增加成本；碳化钨喷涂设备及安装费均较镀硬铬低且涂层维修频率低，故障时间少，可以降低整个寿命周期的成本。环保上的优势：超音速火焰热喷涂（HVOF）无需妥善处理化学槽内的药剂，无有毒药液需抛弃处理或排放，热喷涂散料收集后可像处理一般金属屑的方式处理。超音速火焰热喷涂涂层无论从性能、环保及多用途考虑，优越性远大于电镀硬铬。

在张力辊表面喷涂碳化钨涂层，作为喷前处理工序的表面清洁与喷砂是非常重要的步骤，因为清洁使得辊面具有更强化学与物理的活化性能，也能得到优良的涂层结合性；辊面的粗化也是非常重要的步骤，粗化后表面积增加，进一步提升了基体与涂层的结合强度，粗化表面形态也有利于机械锁合

3

效应。辊面喷涂后应通过研磨或抛光的方法使表面达到所需的粗糙度。

3 张力辊组电机传动扭矩的推导

3.1 张力辊组扭矩的计算推导：

如图3所示，现以四辊张力辊为例进行计算设 : T1为带钢入口张力，T5为带钢出口张力，T5?T1，张力辊组处于“发电状态”。第1#, 2#张力辊之间的张力为T2，第2#,3#张力辊之间的张力为T3，第3#,4#张力辊之间的张力为T4，?1,?2,?3,?4分别为第1#,2#,3#,4#辊的理论包角, ?为包角处带钢与辊子的摩

擦系数，根据欧拉公式可得： T3

2# 3# 1#

4#

M2 M3 T2 T4 M1 M4

T1 T5

带钢运行方向

图3.四辊张力辊组

T2?T1?e??1,T3?T2?e??2,T4?T3?e??3,T5?T3?e??4

????????∴ T5?T1?e1?e2?e3?e4 T5?e?(?1??2??3??4)∴

T1

(2)∴ LT5?Le?(?1??2??3??4)??(???????)nn1234T1

T5Ln T1??∴

?1??2??3??4

显然当T5?T1时，??0，此时摩擦力方向与带钢运行方向相同，张力辊组处于“发电状态”；若T5?T1时，??0，此时摩擦力方向与带钢运行方向相反，张力辊处于“电动状态”。

设第1#,2#,3#,4#辊的电机转矩分别为M1, M2, M3, M4，根据力矩平衡公式可得如下式子：

DDDDM ?(T?T)?,M?(T?T)?,M?(T?T)?,M?(T?T)?121232343454

2222将式(2)代入力矩算式可得：

D M1?(e??1?1)?T1?2

D M2?(e??2?1)?e??1?T1?

2(3)D2D24

M3?(e??3?1)?e?(?1??2)?T1?M4?(e??4?1)?e?(?1??2??3)?T1?

通常张力辊组辊径相同，所以取 ?1??2??3??4??，则带钢经过各辊的张力放大系数均为

??e??，力矩算式可表示为：

M1?(??1)?T1?此时 M总D?M,M2??M,M3??2M,M4??3M2D?M1?M2?M3?M4?(1????2??3)M?(T5?T1)?

2(4)

3.2 张力辊组传动比i的确定：

求得张力辊的力矩后，要选择电机还必须知道传动速比i。

i?n电???Dv 式中：n电为电机转速(r/min)，v为机组速度(m/min)，D为辊子直径(m)，对于

一般低速机组，v为机组各段对应的最大速度(m/min)，n电为电机额定转速(r/min)，电机在恒扭矩状态下工作，此时应根据带钢所受最大张力时所需扭矩来选择电机。对于高速机组，如果电机也只是在基频以下工作，那么选择的电机功率过大，对机组生产对应产品而言电机功率得不到充分发挥而成本却大大提高，因此在电机选型时应根据薄规格带钢速度高但受力相对小，而厚规格高强钢速度低而受力大的特点，在带钢速度高受力小时可对电机进行超频，即恒功率控制模式，此时n电为电机超频后的转速(r/min)，由于恒功率调速扭矩会下降，所以要验算此时电机扭矩是否满足要求；而在低速大张力状态下选择恒扭矩控制模式，综合考虑以上因素合理选择电机规格。 3.3 恒扭矩调速模式下校核电机扭矩：

根据上式求得的张力辊扭矩和传动速比可以选择标准电机，设第1#,2#,3#,4#辊的电机额定转矩分

?M1?i??别为M1,M2,M3,M4，单位(N·m)，则各辊电机最大出力为 ?T1?，单位 (N)，同理可

D2???M3?i??M2?i??M4?i??得：?T2?，?T3?，?T4?，式中?为电机效率。此时张力辊最大

D2D2D2??T5?T1??T1??T2??T3??T4，出口张力为：若 T5?T5，说明所选电机扭矩能够满足带钢张力要求。

????3.4 恒功率调速模式下验算电机扭矩：

根据选择的电机额定功率，设第1#,2#,3#,4#辊的电机额定功率分别为P1,P2,P3,P4，超频后各辊电机扭矩为 M1,M2,M3,M4，则有M1?9550?同理：M2?9550??????P1 n电?PP2P,M3??9550?3,M4??9550?4 n电n电n电式中功率单位(KW)，扭矩单位(N·m)，n电为超频后电机转速(r/min)，设各辊电机出力为

???????????T1,?T2,?T3,?T4，此时带钢出口张力：T5?T1??T1??T2??T3??T4

????若T5?T5(T1,T5为对应带钢入、出口张力)，即超频后电机扭矩能够满足该产品带钢张力要求。通

过对机组典型产品的校核，若全部满足要求，则说明所选电机合理。

4 设计计算实例

已知：某连续退火机组典型产品规格为带钢宽度b?1600 mm，带钢厚度h?2 mm，屈服极限

?s?350(MPa)，弹性模量E?2.06?105(MPa)，带钢出口最大张力T出?250(KN)，带钢入口最大张

力T入?96(KN)，机组最大速度v?400(m/min)，辊面喷涂碳化钨，传动系统速比i?22.4，效率

??0.85。

5

根据(1) 可得Dmin??1177故辊子直径可选D??1200(mm)，辊子为典型S-辊布置方式，.14(mm)，理论包角均为??233.8?，根据欧拉公式可得张力方大系数??2.08。

T出?2.6，由于2.08?2.6?2.082，所以选用两辊传动即可。每个辊子的实际张力放大T入系数为?实?1.62,由式(2)计算可得T1?96(KN)，T2?155.5(KN)，T3?251.9(KN)。

?通过计算选择出S-辊标准电机对应扭矩M1?2024.3，对应的电机功率为P1?315(KW)，

?M2?3034.3(N·m)，对应的电机功率为P2?475(KW)。

校核：?T1?64.24(KN)，?T2?96.29(KN)，T出?256.53?250(KN)，考虑到运行磨损后摩擦

?max?系数下滑，应留出余量，故所选电机能满足最大张力需求。

又已知产品大纲中典型产品带钢宽度b?1600 mm，带钢厚度h?0.9 mm，速度v?323(m/min)，带钢出口张力T出?122(KN)，带钢入口张力T入?43.2(KN)。此时电机需超频运行，

???n电?1920(r/min)，则各电机出力?T1?49.77(KN)，?T2?70.05(KN)，T出?163.02?122(KN)，也能满足要求，综合上述计算可知，选择电机功率P1?315(KW)，P2?475(KW)合理。

5 结论

本文从张力辊几何参数的确定及表面处理做了详细描述，提出针对高速连退机组应根据产品大纲实际要求来合理选择电机功率，重点从理论上推导了多辊张力辊组的力矩计算公式和电机超频模式下的力矩校核方法，并结合实例来证明算式的有效性和实用性。该方法对提高产品质量和节能降耗有着重要的实际意义。

参考文献：

[1] 谷雨.碳化钨涂层代替铬镀层[J].现代材料动态，2006,(4)：2. [2] 李宝.张力辊组设计计算[J].冶金设备，2009年增刊.

[3] 谭刚,陈兵冷轧后处理机组张力辊设计计算[J].钢铁技术，2011，(1)：40. [4] 周国盈.带钢精整设备[M]. 北京：机械工业出版社，1982.

作者联系电话： 罗里荣 62183512 13488811482

邮寄地址：北京市海淀区学院南路76号中国钢研新冶高科技集团有限公司 100081

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根据(1) 可得Dmin??1177故辊子直径可选D??1200(mm)，辊子为典型S-辊布置方式，.14(mm)，理论包角均为??233.8?，根据欧拉公式可得张力方大系数??2.08。

T出?2.6，由于2.08?2.6?2.082，所以选用两辊传动即可。每个辊子的实际张力放大T入系数为?实?1.62,由式(2)计算可得T1?96(KN)，T2?155.5(KN)，T3?251.9(KN)。

?通过计算选择出S-辊标准电机对应扭矩M1?2024.3，对应的电机功率为P1?315(KW)，

?M2?3034.3(N·m)，对应的电机功率为P2?475(KW)。

校核：?T1?64.24(KN)，?T2?96.29(KN)，T出?256.53?250(KN)，考虑到运行磨损后摩擦

?max?系数下滑，应留出余量，故所选电机能满足最大张力需求。

又已知产品大纲中典型产品带钢宽度b?1600 mm，带钢厚度h?0.9 mm，速度v?323(m/min)，带钢出口张力T出?122(KN)，带钢入口张力T入?43.2(KN)。此时电机需超频运行，

???n电?1920(r/min)，则各电机出力?T1?49.77(KN)，?T2?70.05(KN)，T出?163.02?122(KN)，也能满足要求，综合上述计算可知，选择电机功率P1?315(KW)，P2?475(KW)合理。

5 结论

本文从张力辊几何参数的确定及表面处理做了详细描述，提出针对高速连退机组应根据产品大纲实际要求来合理选择电机功率，重点从理论上推导了多辊张力辊组的力矩计算公式和电机超频模式下的力矩校核方法，并结合实例来证明算式的有效性和实用性。该方法对提高产品质量和节能降耗有着重要的实际意义。

参考文献：

[1] 谷雨.碳化钨涂层代替铬镀层[J].现代材料动态，2006,(4)：2. [2] 李宝.张力辊组设计计算[J].冶金设备，2009年增刊.

[3] 谭刚,陈兵冷轧后处理机组张力辊设计计算[J].钢铁技术，2011，(1)：40. [4] 周国盈.带钢精整设备[M]. 北京：机械工业出版社，1982.

作者联系电话： 罗里荣 62183512 13488811482

邮寄地址：北京市海淀区学院南路76号中国钢研新冶高科技集团有限公司 100081

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