AFC控制系統(tǒng)在銅箔軋機(jī)中的應(yīng)用

姬海燕

(中鋁上海銅業(yè)有限公司，上海 200940)

壓延銅箔是通過軋制工藝加工成的很薄的銅帶產(chǎn)品，具有優(yōu)良的物理及電氣特性。隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，其使用量越來越大，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)用計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、鋰離子蓄電池、民用及汽車電子產(chǎn)品等。

目前，市場(chǎng)對(duì)高精度銅帶箔材產(chǎn)品表面質(zhì)量和板形要求日益提高，箔材板形(即平直度)的好壞成為衡量銅箔質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。板形控制是銅箔軋制的核心技術(shù)，是提高銅箔成品率和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵工序。本文從銅箔板形產(chǎn)生的原因和特點(diǎn)進(jìn)行分析，詳細(xì)介紹了AFC自動(dòng)板形控制系統(tǒng)的控制模式及其在銅箔軋制中的應(yīng)用。

1 銅箔板形缺陷的產(chǎn)生

產(chǎn)品越薄，板形越難以控制，也越明顯。高精度銅箔板形的好壞取決于軋件寬度方向上各點(diǎn)縱向延伸是否相等。當(dāng)發(fā)生不均勻變形時(shí)，變形體內(nèi)的應(yīng)力分布也呈不均勻分布，由此產(chǎn)生的附加應(yīng)力在變形結(jié)束后留在變形體內(nèi)形成殘余應(yīng)力。當(dāng)變形體內(nèi)殘余應(yīng)力間的相互作用不能抵消，且超過銅箔材維持箔面剛性平衡的應(yīng)力水平時(shí)，軋制中的銅帶箔材將發(fā)生形狀失穩(wěn)，出現(xiàn)諸如中間波浪、兩邊波浪、單邊波浪或二肋波浪等形狀缺陷，松弛不均勻變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，使得銅箔材表面的平直度遭到破壞。由于軋制變形區(qū)內(nèi)變形情況的復(fù)雜性，易受外部其他因素的影響而具有很大的隨機(jī)性，軋件均勻變形的可能性不大，因此實(shí)際生產(chǎn)出的銅箔或多或少都帶有一定程度的不平度。

板形直觀來說就是指板帶材的翹曲度，其實(shí)質(zhì)是板帶材內(nèi)部殘余應(yīng)力的分布。只要板帶材內(nèi)部存在殘余應(yīng)力，即為板形不良。如殘余應(yīng)力不足以引起板帶翹曲，稱為“潛在”的板形不良；如殘余應(yīng)力引起板帶失穩(wěn)，產(chǎn)生翹曲，則稱為“表觀”的板形不良。常見的板形缺陷有邊部波浪、中間波浪、單邊波浪、二肋波浪和復(fù)合波浪等多種形式。

2 銅箔板形的特點(diǎn)及影響因素

2.1 銅箔軋制特點(diǎn)

銅箔與銅帶的區(qū)別在于厚度，一般來說國(guó)內(nèi)是以0.05mm來區(qū)分，美、日等國(guó)是以0.1mm來區(qū)分。由于銅箔很薄，力學(xué)性能明顯下降，對(duì)橫斷面上的變形不均非常敏感。軋制過程中，隨著軋件厚度的減小，各項(xiàng)工藝參數(shù)對(duì)軋制過程的影響逐漸發(fā)生變化，采用120mm輥徑的軋輥可正常軋制厚度0.07mm以上的帶材，用相同的軋制速度軋制0.06mm厚度的銅帶時(shí)，軋制壓力為軋制厚度0.07mm時(shí)的3倍，軋制壓力太大，軋制難以進(jìn)行，顯然按照最小可軋厚度公式h=3.58μKD分析，軋機(jī)已進(jìn)入軋輥壓靠狀態(tài)，進(jìn)一步增加軋制壓力只能增加軋輥的壓扁程度，對(duì)壓下量已經(jīng)不起作用。軋輥輥縫和軋制壓力在極薄銅箔軋制中逐漸減小甚至失去對(duì)壓下量的影響，而張力和軋制速度對(duì)壓下量的影響顯著增大，以致張力和速度調(diào)節(jié)成為控制銅箔厚度和板形的主要手段。

2.2 影響銅箔板形的主要因素

影響銅箔板形的因素分為內(nèi)因(金屬本身)和外因(軋制條件)兩個(gè)方面。金屬本身的物理性能(硬化特性、變形抗力等)直接影響軋制壓力的大小，與變形密切相關(guān)；金屬的幾何特性(板材的寬厚比、原料板凸度等)也是影響變形的一個(gè)重要因素。而軋制條件的影響更為復(fù)雜，凡是能影響軋制壓力及軋輥凸度的因素(例如摩擦條件、軋輥直徑、張力、軋制速度、彎輥力、磨損等)和能改變軋輥間接觸壓力分布的因素(例如軋輥外形、初始軋輥凸度)都可以影響板形。

2.2.1 軋制壓力對(duì)板形的影響

生產(chǎn)實(shí)踐表明，軋制生產(chǎn)過程中，隨著軋制壓力的增大，帶材板形有從中浪向邊浪過渡的趨勢(shì)，反之軋制力減小，則從邊浪向中浪過渡。軋制力對(duì)板形的影響是由于影響了軋輥的彈性變形進(jìn)而影響到帶材板形。

2.2.2 熱凸度對(duì)板形的影響

軋制過程中，金屬相對(duì)軋輥滑動(dòng)產(chǎn)生的熱量和金屬變形所釋放的熱量有一部分傳入軋輥，使軋輥溫度升高，這是軋制過程中軋輥的熱輸入。同時(shí)軋制油和空氣又從軋輥中帶走熱量，使其溫度降低，這是軋輥的熱輸出。在開軋后一段時(shí)間內(nèi)，軋輥熱輸入大于熱輸出，軋輥溫度逐漸升高，熱凸度也隨之增大；在某一特定規(guī)程中軋制若干帶卷后，軋輥熱輸入和熱輸出相等，處于熱平衡狀態(tài)，軋輥熱凸度也保持在一個(gè)穩(wěn)定值。一般來講，在特定的軋制規(guī)程下，板形工藝參數(shù)是依據(jù)穩(wěn)定的熱凸度設(shè)計(jì)的。

2.2.3 軋輥凸度及接觸狀態(tài)對(duì)板形的影響

合理選擇軋輥初始凸度，可使板形變化始終被限制在軋機(jī)控制能力之內(nèi)，這是獲得良好板形的重要保證。在相同軋制壓力和彎輥力作用下，不同軋輥輥形的承載輥縫不同，銅箔厚度較小時(shí)，經(jīng)常采用支承輥微凸度軋制。此外，軋輥輥形和表面粗糙度的均勻性對(duì)板形控制也相當(dāng)重要。粗糙度不均勻，相當(dāng)于輥面各部位摩擦因數(shù)不一致，軋制過程會(huì)造成軋材寬向上各部位變形大小不一致，而產(chǎn)生新一輪的不均勻變形。

2.2.4 張力對(duì)板形的影響

在銅箔軋制中，軋制壓力和彎輥力逐漸減小甚至失去對(duì)板厚和板形的影響，而張力和速度對(duì)壓下量的影響顯著增大，張力和速度調(diào)節(jié)成為控制銅箔厚度和板形的主要手段。張力對(duì)板形的影響體現(xiàn)在幾個(gè)方面，一是張力的改變可對(duì)軋輥的熱凸度產(chǎn)生影響；二是張力對(duì)軋制壓力的影響，而軋制壓力變化必然導(dǎo)致軋輥彈性變形發(fā)生變化；三是張力分布對(duì)金屬橫向流動(dòng)產(chǎn)生影響，當(dāng)張力沿橫向分布不均時(shí)，促使金屬發(fā)生明顯的橫向流動(dòng)，從而改變橫向延伸分布，即改變了銅箔的板形。

3 銅箔軋機(jī)AFC控制系統(tǒng)組成

3.1 空氣軸承板形輥

板形檢測(cè)輥是板形儀的關(guān)鍵部件，根據(jù)應(yīng)力檢測(cè)方法的不同大致可分為空氣壓差法、壓磁測(cè)力法和壓電位置傳感器法三種類型。銅箔軋機(jī)采用的是空氣壓差法，板形輥由IHI公司研制。其原理是通過安裝在軋機(jī)進(jìn)出口側(cè)的板形輥測(cè)量板形，該輥?zhàn)佑梢粋€(gè)固定的不銹鋼空心軸和空心軸外面一排彼此隔開的輥環(huán)(即轉(zhuǎn)子)組成，每一輥環(huán)為一測(cè)量段。向空心軸通入潔凈的壓縮空氣，空氣經(jīng)空心軸節(jié)流孔流入輥環(huán)和空心軸之間，形成氣墊，輥環(huán)懸浮在氣墊上，輥環(huán)相對(duì)靜止的空心軸可以自由旋轉(zhuǎn)，即所謂的空氣軸承，在每個(gè)輥環(huán)對(duì)應(yīng)的空心軸的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)有兩個(gè)壓力檢測(cè)孔，通過管路與壓差傳感器相連。其壓力檢測(cè)傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(即0～392N對(duì)應(yīng)1000～5000mV)，然后再通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換送入AFC計(jì)算機(jī)，通過AFC計(jì)算模型計(jì)算出每個(gè)輥環(huán)帶材的張力值。

軋制時(shí)箔材以適當(dāng)?shù)陌峭ㄟ^板形輥，當(dāng)箔材對(duì)輥環(huán)的壓力改變時(shí)氣墊的壓力也發(fā)生改變，輥環(huán)最高點(diǎn)、最低點(diǎn)的氣壓產(chǎn)生差異，沿徑向的每段輥環(huán)下的兩個(gè)測(cè)壓孔測(cè)出氣壓差。顯然，箔材延伸大的部位對(duì)輥環(huán)壓力小，延伸小的部位對(duì)輥環(huán)壓力大，這樣通過板形輥就可以檢測(cè)出箔材寬向不同部位的應(yīng)力分布，即寬向的板形分布。

3.2 系統(tǒng)硬件組成

如圖1所示，板形系統(tǒng)硬件系統(tǒng)由板形控制中心(AFC計(jì)算機(jī)、PLC、Ethernet HUB)、操作單元(AFC HMI人機(jī)界面、板形輥操作盤)、檢測(cè)單元(板形輥)和板形控制執(zhí)行單元(冷卻閥站、AFC空氣閥站)組成。軋制過程中，由板形輥檢測(cè)出帶材實(shí)際板形，送入PLC及AFC計(jì)算機(jī)，由AFC計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理后與目標(biāo)板形進(jìn)行比較得出偏差值，從而得出控制板形曲線，通過與AFC計(jì)算機(jī)中的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行比較，選擇合適的控制模式及修正信號(hào)由PLC控制相應(yīng)的執(zhí)行器執(zhí)行操作。同時(shí)AFC控制單元通過以太網(wǎng)與軋機(jī)主控制器、診斷PC和維護(hù)PC通訊。

圖1 AFC系統(tǒng)硬件組成圖

4 銅箔軋機(jī)板形測(cè)量及控制模式選擇

4.1平直度測(cè)量及控制板形計(jì)算(圖2)

圖2 板形輥轉(zhuǎn)子和噴嘴區(qū)域號(hào)

每個(gè)板形輥單位張力定義為：

式中，Ta——單位張力平均值；

W(i,nt)——板形輥垂直壓力；

θ——包角；

i——板形輥通道號(hào)；

Rw——板形輥轉(zhuǎn)子寬度；

St——帶材厚度。

原始板形即為：Shr(i,nt)=T(i,nt)-Ta；

目標(biāo)板形為：Tsh(i)，(I:區(qū)域號(hào))；

得出控制板形為：Csh(i,nt)=Shd(i,nt)-Tsh(i)；

對(duì)控制板形進(jìn)行傅里葉分析：Csh(i,nt)=A0+A1cos(φx)+A2cos(2φx)；

j=i-ss。

這里作為公式中的系數(shù)：

4.2 根據(jù)控制板形曲線采取相應(yīng)的控制模式

銅箔軋機(jī)中參與板形控制的手段主要是軋制力控制、傾斜控制、工作輥彎輥控制和冷卻控制。在控制板形傅里葉分析得出的方程中，系數(shù)A1是一次余弦波的振幅，正的A1代表中浪，負(fù)的A1代表邊浪；系數(shù)A2是二次余弦波的振幅，正的A2代表四分之一浪，負(fù)的A2代表邊浪和中浪。當(dāng)出現(xiàn)單邊浪時(shí)，可通過調(diào)整操作側(cè)和傳動(dòng)側(cè)兩邊的軋制力來實(shí)現(xiàn)，也就是傾斜控制。當(dāng)出現(xiàn)雙邊浪時(shí)，可能是軋制力過大、軋輥凸度過小或者正彎輥偏小引起的，可通過減小軋制力、增大正彎輥力、增大軋輥凸度來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)出現(xiàn)中浪時(shí)可以減小軋輥凸度和正彎輥力來實(shí)現(xiàn)。如果出現(xiàn)四分之一浪或者復(fù)合浪時(shí)，則主要是軋輥輥身磨損不均勻或工作輥冷卻不均勻引起，主要通過換輥及冷卻控制(圖3)。

圖3 AFC控制模式選擇

5 銅箔軋機(jī)冷卻控制原理

在上述幾種板形控制方式中，工藝?yán)鋮s控制發(fā)揮著越來越重要的作用。軋制過程中工作輥輥形的變化主要來源于溫度的干擾，其中軋材產(chǎn)生的變形熱是使軋輥溫度上升的主要原因，為了獲得良好的板形，必須對(duì)輥形的變化給予及時(shí)有效的糾正。據(jù)統(tǒng)計(jì)，板形控制70%靠工藝?yán)鋮s，30%靠彎輥。當(dāng)銅箔軋制進(jìn)入負(fù)輥縫軋制時(shí)彎輥已經(jīng)不起作用，板形控制100%依靠工藝?yán)鋮s軋輥表面的不同部位來完成。工藝油沖刷輥面的作用之一是為了導(dǎo)出并降低產(chǎn)生波浪處輥面過高的溫度，使軋輥弧度及其形狀符合板形控制的要求。根據(jù)熱傳導(dǎo)規(guī)律，兩物質(zhì)間溫差越大，熱傳導(dǎo)速度越快，降低工藝油溫比改變工藝油噴射流量更能有效控制輥形。工藝油溫低對(duì)板形控制速度有利，而油溫高能增加軋輥的熱容，對(duì)軋輥輥形的穩(wěn)定有利。

銅箔軋機(jī)輥系左右兩邊上下各有兩排噴嘴，一個(gè)板形輥轉(zhuǎn)子數(shù)對(duì)應(yīng)兩個(gè)噴嘴(16個(gè)板形輥通道對(duì)應(yīng)32個(gè)噴嘴)，一排是工作輥冷卻噴嘴，一排是輥縫冷卻噴嘴。冷卻方式分為主冷卻和輔助冷卻(熱油)，主冷卻包括工作輥冷卻和輥縫冷卻，輔助冷卻(熱油)和工作輥噴嘴共用一排噴嘴，采用輔助冷卻時(shí)，工作輥和輥縫噴嘴關(guān)閉。輔助噴射熱油是為了保持軋輥弧度及其形狀符合板形控制的要求。每一個(gè)噴嘴的控制采用電磁閥-空氣閥二級(jí)控制方式，由壓縮空氣使閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，電磁閥控制壓縮空氣的通斷，當(dāng)電磁閥關(guān)閉通向閥的壓縮空氣時(shí)，工藝油靠自身壓力往后推動(dòng)柱塞打開閥門，電磁閥工作條件大為改善，噴嘴啟閉的可靠性也大大提高。 即通過AFC計(jì)算機(jī)計(jì)算出每一個(gè)電磁閥應(yīng)該開啟還是關(guān)閉，然后將信號(hào)傳給PLC，由PLC相關(guān)電磁閥的控制程序執(zhí)行電磁閥的通斷動(dòng)作，然后控制空氣閥的通斷，從而來控制軋制油噴射或者不噴射，PLC冷卻控制一個(gè)掃描周期是3s。

銅箔軋機(jī)分為主冷卻控制和輔助冷卻控制，工作輥噴射和輥縫噴射屬于主冷卻，噴射冷油，溫度為10～20℃。輔助冷卻噴射熱油，溫度約為80℃，熱油由工作輥噴嘴噴出，采用輔助冷卻方式時(shí)，該噴嘴區(qū)域的工作輥冷卻和輥縫冷卻關(guān)閉。

噴射形式由控制板形和板形限幅來決定，表1為控制板形在不同板形區(qū)間冷卻噴嘴的狀態(tài)和流量情況。

表1 不同控制板形的噴嘴狀態(tài)和流量

表1中ON是開，OFF是關(guān)，ALT是一種交替噴射狀態(tài)。L1x、L2x、L3x、L4x、L5x是5個(gè)主冷卻板形控制參數(shù)，可以在HMI上人工設(shè)置。同理，對(duì)于輔助冷卻也有兩個(gè)這樣的參數(shù)，分別是Lh01、Lh02。這些參數(shù)的單位是I，通過AFC計(jì)算機(jī)計(jì)算出每一個(gè)噴嘴區(qū)域的控制板形，在計(jì)算機(jī)程序中會(huì)分別與這些參數(shù)進(jìn)行比較，調(diào)用不同的控制程序，然后得出每一個(gè)噴嘴的開關(guān)狀態(tài)和噴射流量，由AFC計(jì)算機(jī)將計(jì)算結(jié)果傳給PLC程序，再由PLC程序控制每一個(gè)噴嘴對(duì)應(yīng)的電磁閥的開關(guān)狀態(tài)，從而控制各個(gè)噴嘴的噴射狀態(tài)。

6 應(yīng)用實(shí)例分析

實(shí)際的板形控制往往非常復(fù)雜，是上述幾種控制模式的組合，雖然有自動(dòng)板形控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，但也需要在實(shí)踐中根據(jù)不同帶材材料、規(guī)格及軋制工藝選擇合適的目標(biāo)板形和板形參數(shù)進(jìn)行預(yù)制。如果軋輥凸度選擇不合適及輥面磨削質(zhì)量不好，不僅帶材板形不好，還容易引起斷帶。生產(chǎn)初期采用的是支承輥平輥，結(jié)果引起斷帶無法正常軋制。后來經(jīng)過研究分析及實(shí)踐，采用上下支承輥凸度，總凸度值約0.25mm，獲得了較好的板形效果。工作輥采用平輥，對(duì)軋輥磨削質(zhì)量提出很高的要求，大大改善了板形和帶材表面質(zhì)量。目標(biāo)板形的選擇和板形參數(shù)的設(shè)置也非常重要，在試生產(chǎn)過程中，根據(jù)掌握的銅箔軋機(jī)板形控制原理經(jīng)過大量的實(shí)踐和優(yōu)化，總結(jié)出各規(guī)格銅箔軋制所采用的板形控制措施及各參數(shù)的設(shè)置值。

以在“X”型銅箔軋機(jī)上采用合適的軋輥凸度、軋輥表面質(zhì)量、合理的軋制工藝和板形控制手段并獲得良好板形為例，表2是軋輥參數(shù)，表3是軋制工藝參數(shù)，表4是OS側(cè)目標(biāo)板形設(shè)定值，表5是DS側(cè)目標(biāo)板形設(shè)定值。

表2 軋輥參數(shù)

表3 軋制工藝參數(shù)

表4 目標(biāo)板形 OS側(cè)

表5 目標(biāo)板形DS側(cè)

穩(wěn)定軋制時(shí)，板形偏差可以維持在0～3I左右，板形控制效果很好。通過大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，銅箔軋機(jī)在AFC自動(dòng)板形系統(tǒng)投入的情況下，依據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)選擇適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)板形，在95%以上箔材長(zhǎng)度的范圍內(nèi)板形平直度均可獲得0～3I以內(nèi)，表明該AFC系統(tǒng)對(duì)銅箔生產(chǎn)具有很好的控制精度。

7 結(jié)論

本文通過對(duì)銅箔板形缺陷產(chǎn)生的原因及銅箔軋制特點(diǎn)的分析，描述了軋制過程中影響銅箔板形的幾個(gè)重要因素。在介紹銅箔軋機(jī)AFC自動(dòng)板形控制系統(tǒng)硬件組成、板形控制計(jì)算公式及控制模式中重點(diǎn)闡述了冷卻控制的原理及其在銅箔軋制中的突出作用。掌握銅箔軋機(jī)板形控制理論是為了指導(dǎo)生產(chǎn)，從而軋出高質(zhì)量的銅箔產(chǎn)品，實(shí)踐證明,合理的制定目標(biāo)板形曲線及參數(shù)設(shè)置，調(diào)整冷卻控制的相關(guān)參數(shù)及流量設(shè)置，對(duì)銅箔板形出現(xiàn)的邊浪、中浪、復(fù)合浪起到了良好的實(shí)際應(yīng)用效果。

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[4]AFCOPERATIONPROCEDURE.IHIMETALTECH.

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