安鋼爐卷軋機液壓自動厚度控制

馮傳兵(安陽鋼鐵股份有限公司第二煉軋廠，河南安陽 455004)

安鋼爐卷軋機液壓自動厚度控制

馮傳兵(安陽鋼鐵股份有限公司第二煉軋廠，河南安陽 455004)

安鋼爐卷軋機液壓自動厚度控制系統(tǒng)，采用軋機剛度控制、GM-AGC、X射線厚度偏差監(jiān)控，由油膜、沖擊、軋輥熱膨脹磨損、軋輥偏心等補償功能來控制鋼板厚度。由于環(huán)境惡劣，測厚儀不能正常使用，嚴重降低了厚度控制精度，同板差較大。通過對影響厚度精度較大的軋機剛度控制和GM-AGC進行優(yōu)化，提高了鋼板同板差的控制精度。

爐卷軋機 自動 厚度 控制 補償 同板差 精度

1 引言

安鋼3 500 mm爐卷軋機生產(chǎn)線于2005年10月試車投產(chǎn)，年產(chǎn)量110萬t，主軋機為單機架可逆軋機，其輥縫控制方式采用電動壓下和液壓厚度自動控制，變頻調(diào)速電機驅(qū)動的壓下螺絲位于軋機上部窗口，伺服控制的液壓缸位于軋機的下部窗口，壓下螺絲用于設定初始輥縫和輥縫的初始調(diào)平，液壓缸用于設定軋制線、設定輥縫的微調(diào)、輥縫的調(diào)平和軋制過程中保持鋼板縱向厚度一致進行的輥縫調(diào)節(jié)。

由于軋制鋼板厚度范圍大，在6 mm～100 mm之間，軋件長，特別是卷軋，軋件帶頭、帶尾在卷取爐外時間長，與本體的溫差有時高達200℃,導致該部分厚度公差過大，這部分帶鋼約占全長的5%～8%。爐卷軋機這種工藝條件要求液壓自動厚度控制系統(tǒng)具有非常快的掃描響應速度和良好的控制性能，從而保證生產(chǎn)帶鋼的厚度偏差和均勻性，因此該問題的解決對減小厚度公差、提高收得率非常必要。

2 液壓自動厚度控制系統(tǒng)主要技術參數(shù)

2.1 液壓缸

液壓缸尺寸1 340 mm×1 200 mm，液壓缸工作壓力31.5 MPa，兩個液壓缸最大力70 000 kN，液壓缸最大行程140 mm，操作側(cè)和傳動側(cè)各有兩套電液伺服閥，一套工作，一套備用。伺服閥型號MOOG D792三級伺服閥，伺服模式下液壓缸的速度是3 mm／s，液壓缸位移傳感器采用SONY磁尺，定位精度0.004 mm，液壓缸響應時間50 ms。

2.2 電器控制

爐卷軋機電氣控制由TMEIC公司設計完成，在基礎自動化系統(tǒng)中S3MILL4站執(zhí)行輥縫控制和自動厚度控制功能，該站有兩塊CPU，一塊為掃描速率50 ms的S3PU55A控制器，一塊為掃描速率4 ms的S3ST45A控制器，它們共同完成輥縫、自動厚度控制、軋輥偏心補償和彎輥控制。輥縫控制主要包括電動壓下螺絲控制、液壓缸控制、保護、自動順序邏輯和軋機咬鋼信號檢測。

3 自動厚度控制功能

產(chǎn)生厚度偏差的因素很多，軋件的溫度變化、尺寸變化在軋制過程中引起軋制力、機架彈跳和塑性系數(shù)的改變，影響鋼板的厚度變化。軋機方面，由于軋輥的熱膨脹、軋輥磨損、軋輥偏心及支撐輥軸承油膜厚度的變化都會造成軋件厚度的波動[1]。在產(chǎn)生厚度偏差的眾多因素中，來料厚度和溫度的變化影響最大，將引起軋件塑性系數(shù)的顯著改變。安鋼爐卷軋機AGC（自動厚度控制英文縮寫）系統(tǒng)是以彈跳方程為基礎的壓力AGC為主的控制方式，針對性地采取相應的控制策略來消除各種因素對厚度的影響。

AGC功能簡圖見圖1。

3.1 軋機剛度控制(MMC)

3.1.1 軋機彈跳方程為；

式中:h——出口板厚；S0——空載輥縫；

P——鋼板軋制力；M——軋機的剛度；

P/M——軋機的彈跳。

3.1.2 由彈跳方程可知，軋出的鋼板厚度等于空載輥縫值加彈跳值，軋制力的變化、鋼板寬度的變化造成軋機的彈跳值發(fā)生變化，使軋出的鋼板厚度跟著變化，要維持軋件出口厚度不變，必須控制軋機的彈跳值一定。MMC根據(jù)當前板寬和軋制力使用彈跳實驗數(shù)據(jù)估算出軋機彈跳的變化量即軋件出口厚度的變化量，調(diào)節(jié)輥縫位置，從而維持軋件出口厚度不變。

3.1.3 MMC有絕對和頭部鎖定兩種控制模式，兩種模式的區(qū)別在于給定如何生成和功能投用的時間。絕對模式下，彈跳給定是根據(jù)設定模型中的軋制力給定計算得到的，頭部鎖定模式下，把軋件頭部測量的彈跳作為給定，利用實測的軋制力計算出當前的軋機彈跳，由彈跳偏差計算出輥縫調(diào)節(jié)量，彈跳偏差正向變大時輥縫閉合。

3.2 厚度計式自動厚度控制（GM-AGC）

3.2.1 GM-AGC利用機架作為“測厚儀”，軋機咬鋼500 ms后根據(jù)軋制力和輥縫利用彈跳方程計算出軋件出口厚度，與設定的目標厚度比較，根據(jù)厚度偏差，得到輥縫調(diào)節(jié)量，消除厚度偏差。因為油膜補償、軋輥熱膨脹補償和偏心補償會對輥縫有影響，計算鋼板出口厚度時使用輥縫儀測量的輥縫中要減去上述補償。GM—AGC的輥縫調(diào)節(jié)量為：

式中:ΔS——輥縫調(diào)節(jié)量；Δh——厚度偏差；

ktotal——總增益；kP——比例增益；

k1——積分增益；M——軋機的剛度；

KMM——MMC控制增益；

KGM——GM控制增益；

Q-軋件的塑性系數(shù)。

3.2.2 GM-AGC有絕對和頭部鎖定兩種控制模式，兩種模式的區(qū)別在于給定如何生成和功能投用的時間。在絕對模式下，厚度偏差較大時，將自動切換為頭部鎖定模式。

3.2.3 與MMC相比，MMC是高速的內(nèi)環(huán)控制，能瞬時校正軋機彈跳的變化，GM-AGC是速度較慢的外環(huán)控制，是一種輔助的調(diào)節(jié)手段。

3.3 X射線厚度偏差監(jiān)控

X射線測厚儀測量出軋件的厚度偏差，經(jīng)X射線厚度偏差監(jiān)控調(diào)節(jié)液壓缸位置，消除厚度偏差。X射線厚度偏差監(jiān)控默認為絕對模式，當測量的厚度偏差較大時，自動切換到鎖定模式。X射線監(jiān)控AGC的穩(wěn)定性隨軋件厚度的變化而變化，其增益是使用線性插值法在幾種目標厚度對應的增益中得到。

3.4 輥縫補償

一些已知的能改變輥縫的作用，不能使用輥縫儀直接測量出來，為了彌補它們對厚度的不良影響，有必要采取輥縫補償。

3.4.1 油膜補償

支撐輥油膜厚度與軋機速度、軋制力有關，軋機由低速到高速，支撐輥油膜厚度變薄，輥縫變大，但隨著軋制力的增加，這種作用的影響減小。油膜厚度在輥縫上的作用分成速度的作用和力的作用，通過試驗獲得在壓靠力下不同速度下的油膜厚度補償，再測得壓靠速度下不同軋制力下油膜厚度補償系數(shù)，從而得到油膜補償調(diào)節(jié)量。

3.4.2 熱膨脹補償

軋機內(nèi)有軋件時，工作輥和支撐輥變熱，無軋件時，工作輥和支撐輥變冷。當軋輥溫度升高，輥徑膨脹，使實際的輥縫變小。利用軋輥的材料特性，軋件溫度，軋制時間和長度，軋輥冷卻水的流量等，可估算出對輥縫的影響。軋輥熱膨脹作用分為長期作用和短期作用，模型計算出長期作用補償值作為輥縫位置給定的補償，軋制過程中模型循環(huán)計算輥縫改變的最終值和時間常數(shù)，進而計算出短期軋輥熱膨脹補償。

3.4.3 支撐輥偏心補償

支撐輥與工作輥相比，直徑較大，偏心量大，并且影響MMC的控制性能，軋制力的變化包括很多不同的頻率分量，把基波分量看成是由軋輥偏心引起的，由支撐輥旋轉(zhuǎn)角度和軋制力按模型進行偏心濾波，進而完成補償工作，由于MMC會放大偏心作用，偏心補償要減去MMC控制量后才能輸出。

3.4.4 沖擊補償

咬鋼的瞬間，由于軋制力的沖擊作用，輥縫增大，板頭厚度變厚，因此，在咬鋼前把預測的沖擊補償值加到輥縫設定值里，預先把輥縫閉合一點，咬鋼后，再從輥縫設定值中去除沖擊補償值。

4 存在問題和優(yōu)化

爐卷軋機投產(chǎn)后，由于現(xiàn)場環(huán)境惡劣，作為生產(chǎn)過程中關鍵大型儀表的測厚儀的故障率很高，X射線厚度偏差監(jiān)控不能正常使用，嚴重降低了產(chǎn)品的厚度控制精度。通過對產(chǎn)品抽查統(tǒng)計，卷軋產(chǎn)品的縱向同板差達到0.6 mm左右，平軋產(chǎn)品的縱向同板差也有0.4 mm左右。

不投用X射線厚度偏差監(jiān)控，分析爐卷軋線產(chǎn)品同板差較大的原因，主要是MMC和GM-AGC的控制參數(shù)設定不適當，導致MMC和GM-AGC的補償輸出未能滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需要。為此做了以下優(yōu)化。

4.1 提高液壓缸響應速度

通過對歷史數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)頭尾厚度超差很大原因是因為液壓缸的響應速度不夠快，分析程序發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)對液壓缸位置改變的限制為0.1 mm/s，導致需要較長的時間液壓缸才能補償?shù)轿?。根?jù)具體情況將其改為MMC控制平軋時為0.2 mm/s，卷軋時0.6mm/s，Gagemeter AGC控制平軋時為0.1 mm/s，卷軋時0.12 mm/s，提高液壓缸響應速度。

4.2 強化MMC控制

通過分析MMC控制程序，發(fā)現(xiàn)當實測軋制力和預估軋制力偏差較大時，MMC就會自動從絕對控制模式切換為相對控制模式，這樣就不利于AGC系統(tǒng)跟隨模型的設定值，因此將MMC控制的絕對和相對模式切換的閾值放寬，使MMC的控制作用更強，能夠快速準確跟隨模型的設定值。

4.3 GM-AGC控制的優(yōu)化

通過對GM-AGC控制程序的分析，發(fā)現(xiàn)厚度計的厚度算法存在錯誤，軋件的軋出厚度從理論上講應該由實測軋制力和軋機模數(shù)決定，但是在控制系統(tǒng)中厚度計的厚度計算參考是平軋時100%依靠模型預估軋制力，卷軋時實測軋制力和預估軋制力分別占20%和80%的權重，這樣就造成GM-AGC的控制嚴重依賴于模型的預估精度，當軋制力預估出現(xiàn)較大偏差時不能起到正確的調(diào)節(jié)作用。修改程序，將厚度計的厚度計算改為平軋時參考50%的實測軋制力和50%的預估軋制力，卷軋時參考80%的實測軋制力和20%的預估軋制力。對縱向厚度精度起了較好的微調(diào)作用。

5 液壓自動厚度控制系統(tǒng)優(yōu)化效果

液壓自動厚度控制系統(tǒng)經(jīng)過優(yōu)化后，運行穩(wěn)定，控制效果良好，同板差命中率見表1。

表1 同板差命中率

6 結(jié)論

6.1 生產(chǎn)組織合理安排坯料，依據(jù)工作輥的磨損熱膨脹和輥形，軋制不同厚度規(guī)格的鋼板，降低了輥形對厚度的不利影響。

6.2 提高加熱質(zhì)量，避免手動增加精除鱗，減小對鋼板表面溫度反饋和模型預估軋制力的錯誤影響。

6.3 提高設備位置標定精度，做好間隙管理，降低軋制過程中輥縫手動調(diào)平時間、操作次數(shù)，否則會造成MMC控制輸出處于保持狀態(tài)，不能及時調(diào)整輥縫。

[1]金茲伯格.高精度板帶材軋制理論與實踐[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2000：97-100

Hydraulic Automatic Gauge Control of Angang Steckel Mill

Feng Chuanbing

Controlled by mill rigidity and monitored by GMAGC and X-ray gauge deviation,the hydraulic automatic gauge control system of Angang Steckel Mill controls the plate thickness by compensation functions of oil film,impact,roll heat expansion and wear and roll eccentricity.Due to the harsh environment,the gauging device could not work normally and gave very low gauge control precision with big intra-plate gauge deviation.The control precision of this deviation was improved by optimizing mill rigidity control and GM-AGC, which affected the gauge precision heavily.

mill,automation,gauge,control,compensation, precision

（收稿 2011－03－01責編崔建華）

馮傳兵，工程師，安陽鋼鐵股份有限公司第二煉軋廠電氣車間，主要從事軋鋼電氣自動化相關方面的工作。