酒鋼1800冷連軋機(jī)板形控制系統(tǒng)應(yīng)用

供稿|葛樹海，趙小龍，羅曉陽，趙占彪 /

板形包括帶鋼的橫截面凸度和軋制方向上的平坦度或平直度。板形的軋制缺陷主要來源于軋機(jī)。板形自動(dòng)控制系統(tǒng)(Automatic Shape Control，簡稱ASC)是在保證帶鋼長度方向獲得均勻的平直度，保證產(chǎn)品板形質(zhì)量的重要控制系統(tǒng)，板形自動(dòng)控制系統(tǒng)己成為板帶材生產(chǎn)中不可缺少的組成部分[1-2]。

在現(xiàn)代化的生產(chǎn)中，先進(jìn)的板形自動(dòng)控制系統(tǒng)以及在系統(tǒng)中所應(yīng)用的模型精度成為板形控制和生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品的關(guān)鍵。作為冷軋?jiān)系腃SP熱軋鋼卷力學(xué)性能分布的均勻性、冷軋軋輥使用規(guī)范、計(jì)劃過渡的合理性，操作者嫻熟的操作技能和控制策略等工藝技術(shù)在板形控制中也扮演著很重要的角色。酒鋼1800冷連軋機(jī)組選用了UCM冷連軋機(jī)，配備了先進(jìn)的板形自動(dòng)控制系統(tǒng)，包括液壓彎輥技術(shù)、傾輥控制技術(shù)、中間輥竄輥技術(shù)及末機(jī)架分段冷卻技術(shù)等，具有較強(qiáng)的板形控制能力。

酒鋼1800冷連軋機(jī)板形控制系統(tǒng)

板形控制系統(tǒng)組成

酒鋼1800冷連軋機(jī)組由5個(gè)機(jī)架組成。該冷連軋機(jī)組使用的板形控制手段包括壓下傾斜(F5)、工作輥正負(fù)彎輥(F1～F5)、中間輥軸向竄輥(F1～F5)、中間輥正彎輥(F1～F5)和F5工作輥33段精細(xì)分區(qū)冷卻。為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)板形，在酒鋼1800冷連軋軋機(jī)出口側(cè)安裝了接觸式板形儀進(jìn)行檢測和反饋控制，以實(shí)現(xiàn)板形的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定軋制，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

板形控制系統(tǒng)由三部分組成：用于決定帶鋼張力分配的板形測量系統(tǒng)；用于數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)和軋機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)命令計(jì)算的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；用于軋機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)定的板形控制系統(tǒng)。

板形控制特點(diǎn)及基本原理

酒鋼1800冷連軋板形自動(dòng)控制系統(tǒng)，分為預(yù)設(shè)定控制模塊、軋制力-彎輥力前饋控制模塊和閉環(huán)反饋控制模塊。

(1) 預(yù)設(shè)定模塊。

根據(jù)來料板形，中間輥、工作輥進(jìn)行彎輥預(yù)設(shè)定。根據(jù)來料寬度，中間輥進(jìn)行竄輥預(yù)設(shè)定。帶鋼頭部進(jìn)入冷連軋機(jī)組之前，軋機(jī)的各個(gè)板形調(diào)控機(jī)構(gòu)都應(yīng)具有預(yù)設(shè)定值，以保證閉環(huán)反饋控制模型投入前所軋帶鋼的板形良好，為閉環(huán)反饋控制提供較好的起點(diǎn)。作為閉環(huán)反饋控制的調(diào)控起點(diǎn)，對(duì)反饋控制效果有一定的影響。預(yù)設(shè)定控制模型采用表格設(shè)定法，同時(shí)帶有設(shè)定值自適應(yīng)模塊，能根據(jù)同種規(guī)格和材質(zhì)的來料板形狀況相似的特點(diǎn)利用當(dāng)前帶鋼正常軋制中的實(shí)測參數(shù)對(duì)預(yù)設(shè)定表格中的設(shè)定值進(jìn)行優(yōu)化。預(yù)設(shè)定彎輥力在F1～F5機(jī)架都有設(shè)定。板形控制系統(tǒng)中，各機(jī)架的預(yù)設(shè)定和在線板形調(diào)整見表1所示。

表1 1800冷連軋機(jī)板形控制預(yù)設(shè)定與在線調(diào)整

(2) 軋制力-彎輥力前饋控制模式。

軋制力及其分布是對(duì)板形影響最大的因素之一，在軋制過程中，軋制力頻繁波動(dòng)會(huì)對(duì)板形造成影響。為了快速消除軋制力波動(dòng)對(duì)板形的干擾，需根據(jù)軋制力的波動(dòng)調(diào)整F1～F5的工作輥和中間輥彎輥力對(duì)帶鋼板形實(shí)施快速的前饋控制。

(3) 閉環(huán)反饋控制模塊。

自動(dòng)板形控制使用安裝在軋機(jī)出口側(cè)的板形儀進(jìn)行檢測和反饋控制，使所軋的鋼板板形更接近于目標(biāo)板形，見圖1。在自動(dòng)板形控制系統(tǒng)中，按照?qǐng)D解的方法近似的把所軋制的帶鋼以帶鋼中心點(diǎn)為界點(diǎn)，分為對(duì)稱部分和非對(duì)稱部分，然后用數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行分析。對(duì)稱部分使用工作輥和中間輥彎輥來調(diào)整，而非對(duì)稱部分是用液壓壓上缸來進(jìn)行傾輥調(diào)整。復(fù)雜板形在末機(jī)架進(jìn)行乳化液分區(qū)控制，板形控制系統(tǒng)功能和控制對(duì)象如表2 所示。

圖1 自動(dòng)板形控制閉環(huán)反饋控制

表2 1800冷連軋機(jī)板形控制系統(tǒng)功能和控制對(duì)象

在線板形人工調(diào)整只能在F5機(jī)架進(jìn)行。根據(jù)板形儀反饋的軋機(jī)實(shí)際出口板形情況，F(xiàn)5機(jī)架進(jìn)行分區(qū)冷卻自動(dòng)控制，同時(shí)保留了手動(dòng)干預(yù)。手動(dòng)干預(yù)主要是對(duì)彎輥和軋機(jī)傾輥的處理。當(dāng)F5機(jī)架進(jìn)行彎輥和傾輥調(diào)整時(shí)，分區(qū)冷卻自動(dòng)板形控制關(guān)閉；當(dāng)手動(dòng)干預(yù)結(jié)束，自動(dòng)板形控制又會(huì)自動(dòng)投入。

板形測量輥

酒鋼1800冷連軋配置ABB分段接觸式壓電板形測量輥，其結(jié)構(gòu)內(nèi)層為鋼質(zhì)芯軸，芯軸沿圓周方向有凹槽，裝有壓力傳感器；外層是經(jīng)硬化處理的熱壓鋼環(huán)，鋼環(huán)的分段寬度是52 mm，邊部為26 mm。在軋制過程中，帶鋼壓在板形測量輥上并形成包角，在板形測量輥上產(chǎn)生帶鋼張力，由此進(jìn)行板形檢測；將檢測到的板形曲線輸出到HMI上，同時(shí)參與乳化液模糊控制。

乳化液分區(qū)冷卻控制

乳化液分區(qū)冷卻控制技術(shù)就是通過調(diào)整乳化液的分段流量，改變軋輥的局部熱膨脹變形，是軋制薄板最有效的板形控制手段[3]。在末機(jī)架(F5)軋制速度較高，軋輥的溫度較高，必然出現(xiàn)熱凸度，由于軋輥輥身的溫度分布十分不均勻，因此輥身的熱凸度也必然出現(xiàn)不均現(xiàn)象，從而造成帶鋼的復(fù)合波、二次諧波等利用彎輥較難解決的局部板形缺陷。帶鋼進(jìn)入輥縫之前，在帶鋼表面噴淋乳化液可起到減輕熱凸度的作用，從而達(dá)到改善板形的目的。酒鋼1800冷連軋F(tuán)5機(jī)架配置了乳化液分區(qū)冷卻控制，其控制原理遵照模糊控制原理，具體控制思路：

(1) 控制帶鋼板形偏差量的數(shù)量。

如果帶鋼板形偏差量是正值，那么就可以噴淋乳化液和冷卻軋輥來抑制軋輥的膨脹，這樣就可減少偏差。如果是負(fù)值，就停止噴淋乳化液直到輥?zhàn)佑捎谲堉坪蜔崤蛎浂俅巫儫?，這樣就可減少帶鋼板形的偏差。

(2) 控制帶鋼板形偏差隨時(shí)間的變化。

如果帶鋼板形隨時(shí)間的偏差增大，這就意味著可以通過噴淋乳化液來進(jìn)行板形調(diào)整。因此，系統(tǒng)可以使用乳化液噴淋來修正帶鋼板形。另一方面，如果帶鋼板形隨時(shí)間的偏差減少，這表示可以關(guān)閉噴淋嘴來進(jìn)行帶鋼板形的修正，即應(yīng)當(dāng)停止噴淋乳化液。

(3) 控制帶鋼板形偏差的特殊變化。

如果在帶鋼板形局部地方出現(xiàn)偏差，可以在出現(xiàn)偏差部位噴淋乳化液來抑制此處的膨脹，從而達(dá)到改善板形的目的。

加減速補(bǔ)償

加速階段，工作輥彎輥力小于零，板形的偏差Δε從帶鋼中心到邊部先增加后減少呈對(duì)稱分布；而在減速階段，板形的偏差Δε從帶鋼中心到邊部先減少后增加，見表3。為了消除在加減速期間由于軋制力的變化所引起的帶鋼板形的偏差，酒鋼1800冷連軋機(jī)采用了彎輥補(bǔ)償控制。即在加減速期間，對(duì)工作輥和中間輥彎輥力進(jìn)行補(bǔ)償，減少加減速期間板形的波動(dòng)。

表3 加減速階段實(shí)際板形偏差和工作輥彎輥力

彎輥力飽和處理

酒鋼1800冷連軋?jiān)O(shè)置了彎輥力飽和處理程序。如果工作輥和中間輥的彎曲達(dá)到飽和并且達(dá)到上限或者下限，那么彎曲部分就會(huì)發(fā)生移動(dòng)，從而破壞工作輥和中間輥。因此，如果控制了一側(cè)的彎曲飽和，那么就可以通過識(shí)別軋制帶鋼寬度方向上的板形數(shù)據(jù)來控制另一側(cè)的輸出值。在這種情況下，中間輥彎輥飽和(已經(jīng)達(dá)到了上限)，如果這時(shí)通過工作輥彎輥的識(shí)別量來控制工作輥彎輥，那么帶鋼板形將會(huì)出現(xiàn)很大的邊浪。因此，工作輥彎輥的控制值是由所有帶鋼寬度方向上板形數(shù)據(jù)來識(shí)別的。

板形控制系統(tǒng)原理圖

酒鋼1800冷連軋板形控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)的控制系統(tǒng)，如圖1所示，實(shí)際生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)了在線實(shí)時(shí)檢測與分析控制。板形儀檢測出帶鋼的板形信號(hào)，發(fā)送到HMI用于人工監(jiān)視的同時(shí)發(fā)給PLC，由PLC進(jìn)行處理。系統(tǒng)獲得板形分量的實(shí)測值與目標(biāo)曲線值的偏差后，經(jīng)PLC輸出調(diào)整值給軋機(jī)調(diào)整機(jī)構(gòu)如彎輥、傾斜、分區(qū)冷卻以及通過調(diào)整軋制力、張力控制板形，形成一套閉環(huán)的板形控制系統(tǒng)。

現(xiàn)場實(shí)際板形控制策略

板形在線調(diào)整及控制

對(duì)于崗位操作而言其板形的在線調(diào)整主要包括兩方面的內(nèi)容：板形曲線的選取和手動(dòng)調(diào)整；末機(jī)架調(diào)整手段的應(yīng)用(工作輥、中間輥的彎輥、傾斜、F5機(jī)架乳化液分區(qū)冷卻)。在實(shí)際生產(chǎn)中板形缺陷通常比較復(fù)雜，以復(fù)合浪的形式出現(xiàn)，所以各種手段要配合使用，以達(dá)到板形控制目標(biāo)。

◆ 目標(biāo)板形曲線選取和設(shè)定

在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過HMI修改系數(shù)，對(duì)目標(biāo)板形曲線進(jìn)行設(shè)定。板形曲線的形成、設(shè)定和完善要經(jīng)過無數(shù)次的調(diào)試和修改。板形曲線的設(shè)定與許多因素有關(guān)，包括原料的凸度和平直度、軋后板形的狀況、后部工序的要求、軋輥的輥形及軋制過程中的熱凸度、張力、板寬等。

◆ F5機(jī)架在線調(diào)整手段應(yīng)用(1) 工作輥和中間輥的彎輥。

彎輥調(diào)整分為正彎和負(fù)彎，原理是通過改變軋輥輥系的凸度來以改變輥縫的形狀和軋后帶鋼的延伸橫向分布，達(dá)到板形控制的目的。雙邊浪、中浪要通過F5機(jī)架工作輥彎輥力調(diào)整；雙肋浪要配合中間輥彎輥進(jìn)行調(diào)整。

(2) 傾輥控制。

軋輥的傾斜控制主要針對(duì)單邊浪或三次非對(duì)稱浪形缺陷。主要是通過F5機(jī)架液壓AGC缸對(duì)軋機(jī)實(shí)現(xiàn)傾斜控制，以消除不良的板形缺陷。

(3) F5機(jī)架的多區(qū)冷卻控制。

依據(jù)板形輥的閉環(huán)控制反饋信號(hào)自動(dòng)調(diào)整流量和噴射壓力以控制軋輥的熱凸度來控制板形，此方法可以調(diào)整比較復(fù)雜的浪形缺陷，噴射角度的調(diào)整依靠人工調(diào)整。

對(duì)原料板形要求

冷軋過程中，板形具有一定遺傳性，即熱軋板形不良缺陷會(huì)按照冷軋相對(duì)壓下率而遺傳到冷軋。為了控制帶鋼板形，必須對(duì)原料板形做出要求。要求熱軋?jiān)狭W(xué)性能均勻，原料平直度≤150 I，原料楔形小于40 μm，鐮刀彎＜25 mm/10 m，原料板凸度≤50 μm(C40)。

換輥制度優(yōu)化控制板形

優(yōu)化軋輥輥役，保證軋輥輥形以提高板形控制的精度。因此，要制定合理的支承輥輥役和工作輥輥役，建立比較完善的換輥制度。正常軋制時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)定的軋制公里數(shù)進(jìn)行更換軋輥，特殊情況下軋機(jī)操作者可根據(jù)現(xiàn)場軋制帶鋼的板形情況進(jìn)行控制，但不可超過輥役量的15%。

軋制計(jì)劃合理過渡

在編排生產(chǎn)計(jì)劃時(shí)，將板形比較難控制的薄規(guī)格安排在輥役的前中期，防止后期軋輥磨損嚴(yán)重導(dǎo)致板形不良缺陷。寬度跳躍規(guī)定不能超過200 mm，為了保證動(dòng)態(tài)變規(guī)格期間中間輥竄輥順利，必須保證窄帶鋼為軟鋼。

彎輥力預(yù)設(shè)定優(yōu)化

對(duì)F1～F4機(jī)架彎輥力進(jìn)行優(yōu)化，適度增加F1～F4機(jī)架彎輥力，減少了F5機(jī)架彎輥力負(fù)荷，調(diào)整并確保F5機(jī)架的實(shí)際彎輥力與設(shè)定值相差在15%以內(nèi)，減少在動(dòng)態(tài)變規(guī)格期間F5機(jī)架因過大的彎輥力導(dǎo)致帶鋼頭部出現(xiàn)較大的雙邊浪，滿足帶鋼板形控制的要求。

現(xiàn)場板形控制效果

針對(duì)1800冷連軋機(jī)組下線的冷硬卷帶鋼的實(shí)際板形數(shù)據(jù)，不同厚度規(guī)格帶鋼板形在±1.3 I單位以內(nèi)，板形控制良好。1800冷連軋機(jī)組下線冷硬卷產(chǎn)品，下游工序板形投訴率低于0.5‰，板形控制能力較強(qiáng)。

結(jié)束語

酒鋼1800冷連軋機(jī)組，采用六輥五機(jī)架UCM連軋機(jī)，同時(shí)配備了彎輥、竄輥、傾輥和分區(qū)冷卻等先進(jìn)的控制手段，搭配在線ABB板形測量儀構(gòu)成了優(yōu)良的板形控制系統(tǒng)。生產(chǎn)的冷硬卷帶鋼板形優(yōu)良，尺寸精度良好，較好滿足了下游工序?qū)︿摪灏逍蔚囊蟆?/p>

[1] 鄭申白，曾慶亮，李子林. 軋制過程自動(dòng)化控制. 北京：冶金工業(yè)出版社，2002

[2] 孫一康. 帶鋼熱連軋的模型與控制. 北京：冶金工業(yè)出版社，2005

[3] 張小平，張少琴，張進(jìn)之，等. 板形理論與板形控制技術(shù)的發(fā)展.塑性工程學(xué)報(bào)，2005(12)：11