高速线材厂吐丝机吐圈过程分析及吐丝质量控制.docx

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高速线材厂吐丝机吐圈过程分析及吐丝质量控制

高速线材厂吐丝机吐圈过程分析及吐丝质量控制

摘要：

吐丝机是高速线材生产的关键设备之一，吐丝的好坏直接影响高速线材的实物质量。

本文从吐丝机的吐丝原理入手，对吐丝过程的主要数据及吐丝吐圈忽左忽右飘落、吐圈大小不等、线圈不圆等圈形不稳定的原因进行分析，并对如何保证圈形质量提出控制措施。

关键词：

吐丝原理、吐丝机、吐丝盘、吐丝管、圈形、夹送辊、精轧机

1、前言

高速线材轧机一般是指最大轧制速度高于40m/s的线材轧机，是冶金技术、电控技术和机械制造技术的综合产物，在高速线材生产线上，线材在经过轧制后，需要通过吐丝机吐丝成圈，才能完成由直线状线材向盘卷的转化。

吐丝机是高速线材生产的关键设备之一，也是制约高速轧机进一步提速的一个重要瓶颈，吐丝的好坏直接影响高速线材的实物质量。

吐丝机以其特殊形状的结构与一定的转速配合，把高速运动的直现状线材变成圈型稳定、间距均匀的线圈。

随着线材轧制速度和产量的提高，对吐丝机的要求也越来越高，因此许多高速线材生产企业在生产中都会出现因吐丝圈不稳定，而影响到产品质量和生产顺行。

2、吐丝原理

2.1吐丝机的结构

高速线材厂吐丝机为卧式结构，位于精轧机后控制冷却线的水冷箱与冷控辊道之间。

吐丝机由传动装置、空心轴、吐丝盘、吐丝管、锥齿轮等零部件组成。

吐丝机由一台电机驱动，通过齿轮箱内一对锥齿轮啮合带动空心轴旋转，吐丝管安装在吐丝盘上，吐丝盘与空心轴通过螺栓连接，吐丝机的结构（如图1所示）。

2.2吐丝机吐丝过程分析

吐丝机工作时，通过吐丝机前的夹送辊由吐丝机入口导管送入吐丝机的空心轴内，空心轴带动吐丝盘和吐丝管一同旋转，使进入空心轴内的线材通过旋转的吐丝管沿着吐丝管出口圆周切线方向吐出线圈，并平稳的倾倒在风冷辊道上，形成连续不断的线圈。

图1

线材通过高速旋转的吐丝管时，受到吐丝管管壁的正压力、滑动摩擦力、精轧机和夹送辊的推力、自身的离心力的作用下，随着吐丝管的形状逐渐弯曲变形，有直线运动逐渐弯曲，并在吐丝管出口达到所要求的曲率，形成螺旋线圈，均匀平稳的成圈吐出。

3、高速线材高速区生产设备

高速线材生产线高速区相关工艺设备布置一般为精轧机、控冷水箱、跑槽、夹送辊、吐丝机构成，线材经由吐丝机吐圈到斯太尔摩风冷运输线。

下面对吐丝机相关设备进行介绍：

3.1夹送辊

终轧道次出来的线材通过控冷水箱控制冷却，达到工艺要求的温度后，通过跑槽送入夹送辊，根据不同规格线材吐丝过程要求，由主控台HMI的控制画面选择夹送模式，实现对线材的不同夹送控制，夹送辊的工作方式有：

（1）只夹送线材的头部或者尾部（包括既夹持头部又夹持尾部）；

（2）对线材全程夹送。

HMI还可对线材夹送速度进行设置。

3.2斯太尔摩风冷运输线

为了避免线圈下落插入辊道，利用吐丝机头部定位功能，并调整吐丝机下的两块托板，可以准确控制线圈再斯太尔摩风冷运输线的输入段辊道上的落点。

对于不同品种规格的线材，通过调整斯太尔摩风冷运输线的输入段辊道角度控制线圈的下落状态，按工艺的不同要求对斯太尔摩运输线上的线圈温度和运输速度进行控制，最后进入集卷进行收集成盘。

4、吐丝机常见故障及问题

影响线圈质量的因素：

线材的钢种规格、吐丝机螺旋管及其相关部件的材质和安装质量、电气自动化控制系统的稳定性、轧件再轧线上的张力控制、吐丝机及夹送辊与精轧机组的速度匹配。

在诸多品种规格盘条中，不同程度地存在吐丝线圈质量问题，甚至引起集卷站卡钢故障致使斯太尔摩风冷运输线上线材的性能受到影响，特别是对硬线系列盘条的性能影响最大。

一般线圈质量不稳定主要表现为以下情况：

（1）甩尾，线材尾部经吐丝机吐出时易出现线圈紊乱、成圈不圆，大小不均、排列不齐，甩尾幅度随轧制速度提高而越趋严重。

（2）吐圈不圆，吐丝机开始吐圈后，部分圈形不好或吐丝的圆度不够，导致控冷轨道和集卷站经常发生堆钢、卡钢影响生产正常进行。

（3）吐丝左右摆动，在吐丝的过程中，出现吐出线圈左右摆动的现象，在一定程度上增加集卷难度，并严重影响盘卷包装质量。

（4）吐丝管寿命短，吐丝管使用寿命短不但会增加生产成本，严重时吐丝管壁还会被摩穿，发生堆钢事故。

（5）振动，由于吐丝机是高速旋转设备，因此振动也是吐丝机比较常见的故障之一。

振动使支撑轴承易受冲击载荷而损坏，使用寿命缩短，设备固定基础被压碎，固定螺栓易断，吐丝盘变形。

备件费用增加，使用周期短，影响产量，甚至人身安全。

5、吐丝机吐圈主要参数分析

根据对吐丝机原理的分析，影响吐丝机吐圈质量的因素主要包括吐丝管的曲线，精轧机、夹送辊、吐丝机的速度匹配。

5.1吐丝管的空间曲线

吐丝管曲线可分成三部分：

（1）导入部分：

为保证线材在进入吐丝管变形部分前充分进入吐丝管，减小变形受力引起的轨迹偏移。

（2）变形区：

吐丝管的中间段是按阿基米德螺旋线展开（如图2所示）。

图2

螺旋线从回转轴线方向开始，并且与回转轴线法向平面的夹角由90°逐渐减少，到螺旋线末端吐丝管出口处α=1.6°~1.9°，吐丝管轴线上各点到回转轴的距离，即该点的回转半径R逐渐增大，出口段一定范围内R=R0。

5.2线材对吐丝管的相对速度

图3

在连续工作条件下，线材进出吐丝管遵守秒流量相等原理，故线材在吐丝管中的速率均为V，方向为沿相应点的吐丝管的切线方向。

由于吐丝管喂螺旋曲线方向是变化的，线材相对吐丝管速度的分量也随吐丝管的方向变化（如图3所示）。

根据吐丝管螺旋曲线计算。

线材相对吐丝管的速度V分解为轴向VX、切向VY、径向VZ，设回转轴法向上的速率为VB。

设X为线材速度V与吐丝机回转轴法向平面的夹角，则

吐丝管出口处线材对吐丝管的轴向速度分别为

因为

所以

吐丝管沿着线材吐出的相反方向旋转，由于只作定轴的圆周运动，所以吐丝管上各点只有其所在圆周的切向速度

（R为相应各点的回转半径，

为吐丝机的回转角速度）。

得出结论吐丝管各点相对吐丝管的轴向速度

、径向速度

均为0。

由于吐丝机出口

，故

5.3线材相对地面的速度

根据矢量合成原则，线材对地的速度

等于线材对吐丝机的速度V与吐丝机对地速度

的矢量和。

、

、

为线材对地速度

的轴向分量、切向分量与径向分量，在吐丝管出口处，线材相对地面的速度为：

6、吐丝机吐圈不稳的因素及影响

6.1吐丝管的原因

（1）吐丝管在加工过程中成形不好或安装时位置不当，将会吐丝管空间曲线和线材运行轨迹的改变，线材在吐丝管内的速度及受力都将改变，而且将大大降低吐丝管使用寿命；

（2）吐丝管内壁产生的磨损，使线材在吐丝管内的运行轨迹发生变化，造成圈形变差，严重时还会造成吐丝盘偏心吐丝机振动值增大。

根据经验，一根吐丝管应使用与不同规格的线材生产，从而在保证吐圈达到一定的整齐度时，并大大降低生产成本。

（3）吐丝管内有氧化铁皮堆积使线材运行受阻，发生吐丝圈形乱。

6.2吐丝盘

6.2.1吐丝盘的质量偏心

吐丝盘的质量偏心是引起吐丝机振动的主要原因。

因为吐丝机工作在亚共振区，由振动理论知，此时系统振幅将随着工作频率的增加而增大，转速越高，振幅越大。

吐丝机装有振动报警器，当吐丝机振动值达到一定数值时将报警跳闸，严重制约生产。

6.2.2吐丝盘的磨损

当盘面发生屈曲变形或磨损较大时，因线圈与盘面的非正常接触，线圈前行方向发生偏离，极易发生弹跳现象，从而使线圈的形状和节距发生紊乱。

其次，吐丝盘外圆面（圆周面）如磨损过大，则外圆面与其护罩间的间隙增大，吐丝机高速旋转时产生的气流出现剧烈波动，从而使吐丝状况发生异常变化。

6.3精轧机、线材、吐丝机的速度匹配

根据E芬克前滑公式可知，线材的速度大于精轧机出口轧辊的线速度，而且由于实际情况比较复杂，诸如钢温、摩擦、辊径及张力的变化都会引起前滑值的变化。

所以要达到吐丝最为稳定，需保证吐丝机的速度略高于精轧机的速度而略低于线材的实际速度，才能满足速度计算结果的吻合。

7、吐丝圈形的保证

7.1保证吐丝管的正确使用

一根合格的吐丝管在安装时，与吐丝盘管座要自然吻合；如不能自然吻合，则可认为该吐丝管曲线不符合要求。

不合格的吐丝管不得使用，不得利用管夹强制使吐丝管变形后安装就位。

为得到正确的圈形，吐丝管安装时必须保证出口和入口位置正确。

对出口入口位置不能吻合的按不合格吐丝管处理。

要保证吐丝管正向和反向空气吐扫正常，在小规格线材生产时，还应定期使用钢丝绳对吐丝管内结成块状的氧化铁皮进行清理。

7.2保证吐丝盘的正确使用

7.2.1吐丝盘的质量偏心

实践表明，在影响吐丝机振动的诸因素（如齿轮间隙误差、轴承误差和损坏情况、传动链的安装误差、旋转件的偏心质量等）中，吐丝盘偏心是最主要的因素。

（1）吐丝管的磨损．由于吐丝管形状不规则，线材在吐丝管内运动时为非匀加速运动，因此吐丝管的磨损是不均匀的，造成重心偏移，可通过跟换吐丝管解决。

（2）吐丝管夹具的安装误差．吐丝管夹具质量相对较大且形状同，检修安装时，应严格按照编号进行安装，不得颠倒夹具顺序。

（3）吐丝盘安装螺栓的统一，因螺栓的材质不同会导致重量差异，因此需使用相同的螺栓、螺母及垫片，并对每组进行称量。

7.2.2吐丝盘的修复

（1）盘面修复

吐丝盘盘面的修复需返厂进行，吐丝盘盘面应呈螺旋状，螺旋升角为

。

通过把吐丝盘放在一个检验平台上，等角度均分盘面，测量盘面各点到平台的高度，再画出盘面展开后的曲线图，以此来判断盘面磨损和变形情况。

一般在盘面前端（靠近吐丝管出口处）磨损和变形都较大，盘面后端主要是变形。

将实测曲线与理论曲线对照，采取气焊加热校正变形部位，然后堆焊打磨修补磨损部位，使修复后的曲线与理论曲线基本吻合。

（2）外圆面检查和修复

外圆面的检查较为简捷，可以在线检查。

打开吐丝机护罩，转动吐丝盘，检查吐丝盘与护罩之间的间隙。

图纸上此间隙为2mm，一般超过4mm即需对外圆面进行修复。

修复前需测出外圆面各点处间隙值，然后根据间隙曲线展开图对外圆面进行堆焊后机加工修复。

对吐丝盘修复后，安装新吐丝管后，对吐丝盘做动平衡配重。

7.3保证夹送辊、吐丝机工艺参数设定的匹配

精轧机、夹送辊和吐丝机三者的速度匹配要求较高，如夹送辊或吐丝机工艺参数设定不当，往往会造成堆钢或吐丝圈形不好。

就夹送辊与吐丝机而言，由

可知，夹送辊应稍超过吐丝机0.04％才能保证吐丝机的稳定工作状态，故夹送辊应超前于精轧机0.94％~8.4％,一般情况下以超前2.0％~3.0％为宜。

当夹送辊空转（不夹持到钢）时，夹送辊速度超前于精轧机。

当线材尾部离开精轧机后，为保证线圈尾部线圈的大小，对夹送辊的线速度给定有三种控制状态：

（1）维持状态

为了避免因轧件的张力消失，而使夹送辊升速，造成线材的最后几圈直径变大，故在轧件尾部离开精轧机后，将夹送辊的线速度给定减小，变为精轧出口线速度减去一个轧件尾部滞后量，当滞后速度设定值为0时，轧件尾部脱离精轧机后，轧件将保持原有的线速度。

（2）尾部降速

在轧制较小的线材时，为了缩小最后几圈的圈径，以避免集卷筒内线材尾部出现缠绕，便于集卷，故在轧件尾部离开精轧机后，将夹送辊的线速度给定减少，变为精轧机出口线速度减去一个轧件尾部滞后量。

当滞后速度设定值不等于零时，轧件尾部脱离精轧机后，轧件的线速度将低于精轧机的出口速度。

（3）尾部增速

轧制大规格时，轧制速度低，线材需加一个动力才能通过吐丝机，故在轧件尾部离开精轧机后，将夹送辊的线速度给定增大，变为精轧机出口线速度加上一个轧件尾部滞后量，使轧件尾部脱离精轧机后，轧件的线速度将低于精轧机的出口速度。

在生产过程中，必须定时检查夹送辊夹持钢时的限幅电流值，只有当限幅电流值稳定、转速速降30~50RPM时，方可认为工作正常，否则必须进行相应的调整。

夹送辊正常夹持气压一般设为2bar左右，尾部高压夹持气压一般为3~4bar。

8、结束语

高速线材生产对吐丝圈形的要求较高，吐丝质量的好坏直接影响生产的节奏。

吐丝机吐丝过程比较复杂，当吐丝状况不好时，要进行仔细观察表现出的状况，细致检查、检测并认真做好调整的记录，通过对吐丝过程的理解，找出原因及时进行处理改善其状况。

（1）吐丝线圈忽左忽右飘落时，应在主控台内HMI上调整吐丝机和夹送辊超前值，使得线圈圆周切线方向速度为0，从而使吐丝线圈下落平稳、均匀。

（2）在安装时要检查吐丝管螺旋线是否符合要求，并提高吐丝管的安装质量。

吐丝管固定时不能依靠管夹使其矫正，否则保证不了螺旋曲线的符合性，影响吐丝管的使用效果。

（3）新换吐丝头要进行动平衡的校核。

（4）利用停机时间打开保护盖，检测吐丝管壁厚，检查吐丝管进口直管、夹送辊出口、精轧机到夹送辊间跑槽、水箱内冷却喷嘴等处的磨损情况。

（5）轧制过程中合理调节轧机机组间的张力，监控轧线温度及关键道次料型尺寸，掌握轧线张力变化情况及到位使用情况。

参考文献

[1]曹志强吐丝机、夹送辊的速度控制分析【J】湘钢科技2002

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[3]汪建新、杨文志包钢高线吐丝机乱圈原因分析及其消除措施1999.11（18）4期

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