單機(jī)架熱軋機(jī)板材厚度控制系統(tǒng)改造

韓 慶， 荊豐偉， 李立剛

(北京科技大學(xué) 高效軋制國家工程研究中心，北京 100083)

鋁合金中厚板在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的航天航空、交通運(yùn)輸和國防工業(yè)等許多領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用[1]。同時(shí)高精度鋁板產(chǎn)品性能及精度要求嚴(yán)格、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、技術(shù)含量高[2]。由于軋機(jī)輥縫中的軋件厚度至今尚無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)直接測量，所以在熱連軋或冷軋鋁帶的軋制過程中，一種最常見的厚度控制方法是通過安裝在軋機(jī)出口的測厚儀對板帶厚度進(jìn)行測量，以此作為反饋信號來調(diào)節(jié)軋機(jī)輥縫，實(shí)現(xiàn)對厚度的實(shí)時(shí)控制。而對單機(jī)架的鋁板熱軋機(jī)而言，一方面有的沒有安裝測厚儀，另一方面有的雖然安裝了測厚儀，但由于軋機(jī)出口機(jī)械設(shè)備的限制，使得測厚儀距離軋機(jī)較遠(yuǎn)，同時(shí)又因?yàn)閱螜C(jī)架熱軋機(jī)的軋制速度較慢，使得厚度反饋信號延遲較大，無法用來實(shí)時(shí)控制厚度，所以基于軋機(jī)彈跳方程，利用軋制力反饋信號及輥縫反饋信號間接測量厚度的壓力AGC(軋制力AGC)系統(tǒng)在這一類軋機(jī)上得以被廣泛應(yīng)用[3]。

目前，不少學(xué)者對壓力AGC厚度控制方法和策略進(jìn)行了大量的研究[3-9]，但常規(guī)壓力AGC由于軋機(jī)剛度系數(shù)C和軋件塑性系數(shù)Q無法準(zhǔn)確獲得，壓力AGC存在正反饋區(qū)域，無法做到精確控制厚度。另外，軋制過程中軋機(jī)的特性也是不斷變化的，比如軋輥熱膨脹和軋輥磨損會引起軋機(jī)剛度和實(shí)際輥縫的變化。而且，AGC控制采用純比例方法，無法做到快速消除厚差，輥縫調(diào)節(jié)精度很難滿足鋁合金中厚板的質(zhì)量要求。

本文針對某鋁廠3300mm粗軋機(jī)生產(chǎn)線在熱軋鋁板時(shí)厚度控制精度差的問題，對采用電動和液壓壓下的單機(jī)架4輥可逆式軋機(jī)厚度控制方法進(jìn)行了研究，提出了利用末兩道次軋制力相等時(shí)軋機(jī)彈跳相同的原理，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際提出了一種新型的鋁合金中厚板厚度控制方法，所述方法能夠在不依賴測厚儀的情況下，進(jìn)行精確的厚度控制，以保證鋁板厚度公差落在允許范圍內(nèi)的目的。

1 鋁板厚度超差原因

鋁合金中厚板厚度超差[10-12]或全長厚度不均勻的原因是多方面的，主要有以下幾個(gè)：

(1)軋制節(jié)奏不穩(wěn)定，造成溫度模型預(yù)報(bào)精度降低；

(2)板材頭部溫度比中部低，造成頭部軋制力偏大，在當(dāng)前道次輥縫不變情況下，頭部厚度比本體大，且經(jīng)過多道次累加，在末道次時(shí)，易造成頭部厚度與目標(biāo)值偏差過大；

(3)咬入時(shí)產(chǎn)生較大沖擊，軋制力波動較大，壓下螺絲和軋機(jī)牌坊的間隙，液壓缸內(nèi)油柱產(chǎn)生彈性回縮，都將引起軋輥輥縫波動；

(4)鋁板軋制在粗軋機(jī)進(jìn)行，但粗軋機(jī)一般都缺少測厚儀，或者由于設(shè)備布置原因測厚儀離軋機(jī)較遠(yuǎn)造成控制上的滯后，導(dǎo)致監(jiān)控AGC無法使用。

基于上述原因，熱軋鋁板多采用人工卡量厚度，操作工憑經(jīng)驗(yàn)實(shí)時(shí)調(diào)整輥縫的方法，往往導(dǎo)致同板差較大，成材率低。

2 控制方法研究

基于軋機(jī)彈跳方程，利用相鄰道次在軋制力相等情況下軋機(jī)彈跳相同的原理，對軋件咬入前熱軋數(shù)學(xué)模型的輥縫設(shè)定和軋件咬入后輥縫在自動厚度控制系統(tǒng)即壓力AGC作用下的控制方法進(jìn)行了研究。

2.1 咬入前輥縫設(shè)定

根據(jù)軋機(jī)彈跳原理，倒數(shù)第2道次和末道次的彈跳方程分別如式(1)和式(2)：

(1)

(2)

式中，hi為目標(biāo)出口厚度，Si為道次輥縫，Pi為道次軋制力，C為軋機(jī)剛度系數(shù)。則有如下推導(dǎo)：

(3)

那么，當(dāng)P1=P2時(shí)，有h1-S1=h2-S2。由此可知，在末兩道次軋制力相等的條件下，倒數(shù)第2道次與末道次的彈跳量是相等的，這樣，在已知倒數(shù)第2道次實(shí)際輥縫和實(shí)際厚度的基礎(chǔ)上，即可計(jì)算出末道次次輥縫，即：

(4)

2.2 電動壓下定位偏差補(bǔ)償

粗軋機(jī)輥縫的調(diào)節(jié)需要通過軋機(jī)自動位置控制(APC，Automatic Position Control)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。APC是板帶生產(chǎn)過程中自動厚度控制AGC的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從軋制力的來源上分為全電動、全液壓、電動+液壓3種，鋁熱粗軋機(jī)為電液混合。如圖1所示，縱坐標(biāo)S表示軋機(jī)輥縫，橫坐標(biāo)t表示時(shí)間，Sa表示板坯在軋制過程中的平均輥縫；Sr表示設(shè)定輥縫；Sb表示板坯進(jìn)入軋機(jī)前的實(shí)際空載平均輥縫；ΔSab表示電動壓下的彈跳量；ΔSrb表示電動壓下定位偏差；tin表示板坯進(jìn)入軋機(jī)時(shí)刻。對于需要大行程調(diào)節(jié)輥縫的軋機(jī)，一般采用電動和液壓組合壓下，電動壓下用于無負(fù)載情況下大范圍粗調(diào)軋機(jī)輥縫，液壓壓下用于小范圍精調(diào)軋機(jī)輥縫。由于電動壓下的壓下絲桿與螺母之間存在間隙，在板坯進(jìn)入軋機(jī)后，電動輥縫會產(chǎn)生一個(gè)彈跳量，該彈跳量一般為0.3mm～0.5mm，即電動壓下的定位偏差ΔSrb。由于電動輥縫反饋容易受安裝精度、軋機(jī)振動的影響，因此很多情況下液壓壓下無法實(shí)時(shí)補(bǔ)償計(jì)算的電動輥縫偏差，否則軋機(jī)輥縫容易產(chǎn)生較大波動甚至引起振蕩。電動壓下只能在空載情況下動作，且液壓壓下僅在空載情況下補(bǔ)償電動輥縫。

圖1 軋機(jī)咬入前后輥縫變化示意圖Fig.1 Schematic diagram of roll gap change before and after rolling mill bite

基于軋機(jī)彈跳方程，在末兩道次軋制力相等的情況下，倒數(shù)第2道次咬入前后電動壓下的定位偏差與末道次咬入前后電動壓下的定位偏差近似相等。則在倒數(shù)第2道次軋制完成后，通過計(jì)算倒數(shù)第2道次板坯咬入前的實(shí)際空載輥縫S2b和倒數(shù)第2道次板坯咬入前的設(shè)定輥縫S2r，得出倒數(shù)第2道次板坯咬入前電動壓下的定位偏差ΔSrb2=S2r-S2b，并以此作為末道次輥縫設(shè)定中參與計(jì)算的電動壓下定位偏差補(bǔ)償量。

2.3 咬入后輥縫調(diào)整

末道次頭部咬入后，還需避開頭部咬入沖擊段，然后將末道次實(shí)時(shí)反饋軋制力與倒數(shù)第2道次平均軋制力做比較，再次實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)末道次輥縫，從而使同板差減小。其算法原理如圖2。

圖2 輥縫調(diào)整原理圖Fig.2 Schematic diagram roll gap adjustment

AB=ΔP

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

3 與傳統(tǒng)AGC系統(tǒng)對比

單機(jī)架熱軋板材軋制具有來料短、道次變化頻繁、空載壓下速度快、咬料沖擊大、扭振大以及產(chǎn)品品種規(guī)格多等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)決定了其AGC系統(tǒng)以壓力AGC為主體手段。

雖然壓力AGC的表現(xiàn)形式多樣，但都是基于軋機(jī)彈跳方程。軋機(jī)彈跳方程形式如下：

h=S+(P-P0)/C

(10)

式中，h為板帶厚度，S和P分別為軋機(jī)輥縫和軋制力，P0為預(yù)壓靠力，C為軋機(jī)剛度系數(shù)。軋機(jī)剛度系數(shù)C是一個(gè)與軋制力P、軋件寬度等密切相關(guān)的變量，在同一塊板材軋制過程中，如果忽略軋輥磨損和熱膨脹的變化，可以認(rèn)為當(dāng)軋制力P在小范圍變化時(shí)，軋機(jī)剛度系數(shù)C近似為常數(shù)。

從彈跳公式可知，同一塊板坯在軋制過程中，兩個(gè)不同位置的厚度、輥縫、軋制力存在如下關(guān)系：

h1-h2=S1-S2+(P1-P2)/C

(11)

公式(11)為相對厚度計(jì)算公式，而式(10)為絕對厚度計(jì)算公式。很顯然，根據(jù)相對厚度計(jì)算公式，假如輥縫不變，即S1=S2=S0，則h1=h2+(P1-P2)/C；而根據(jù)絕對厚度計(jì)算公式，假如輥縫不變，即為S0，則h1=S0+(P1-P0)/C。當(dāng)P1和P2比較接近，下面來看當(dāng)剛度系數(shù)C存在一定誤差的情況下，兩種厚度計(jì)算公式的準(zhǔn)確程度。

圖3為軋制力P1和P2接近時(shí)厚度計(jì)算示意圖，其中，縱坐標(biāo)P和h表示軋制力和出口厚度，橫坐標(biāo)t表示時(shí)間，通過調(diào)整坐標(biāo)系可使得P0和h0所對應(yīng)的曲線重合，P2和h2所對應(yīng)的曲線重合，進(jìn)而P1和h10所對應(yīng)的曲線重合。假定計(jì)算剛度系數(shù)為實(shí)際剛度系數(shù)的2倍時(shí)，h11所對應(yīng)的曲線表示用相對厚度計(jì)算公式得出的厚度，h12所對應(yīng)的曲線表示用絕對厚度計(jì)算公式得出的厚度，如圖3所示。在輥縫不變的情況下，如果軋制力為P2時(shí)厚度為h2，軋制力為P0時(shí)厚度為h0，基于彈跳公式，可以通過平移和縮放坐標(biāo)系，使得P2和h2、P0和h0分別重合，如果剛度系數(shù)C計(jì)算準(zhǔn)確，那么軋制力曲線P1與其對應(yīng)的厚度曲線h10也會重合。假定剛度系數(shù)C計(jì)算不準(zhǔn)確，變?yōu)閷?shí)際的2倍，那么采用相對厚度計(jì)算公式得出的厚度曲線則為h11，采用絕對厚度計(jì)算公式得出的厚度曲線則為h12，h11落在h10和h2的中間位置，而h12落在h10和h0的中間位置。由于一般情況下，P0遠(yuǎn)小于軋制力P1和P2，因此h11比h12更接近真實(shí)厚度h10，相對厚度計(jì)算方式計(jì)算的厚度更準(zhǔn)。

圖3 軋制力接近時(shí)厚度計(jì)算示意圖Fig.3 Thickness calculation diagram when rolling force approaches

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 控制流程

過程控制系統(tǒng)在軋板時(shí)自動將壓下規(guī)程的最后兩道次調(diào)整為等軋制力的負(fù)荷分配模式。在倒數(shù)第2道次軋制完成后，人工卡量尾部實(shí)際厚度，即末道次頭部咬入厚度。過程控制系統(tǒng)結(jié)合倒數(shù)第2道次尾部實(shí)測輥縫和末道次咬入沖擊補(bǔ)償按(4)式計(jì)算末道次修正輥縫。末道次頭部咬入后AGC系統(tǒng)按(9)式根據(jù)實(shí)際軋制力與倒數(shù)第2道次平均軋制力的偏差變化對輥縫進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)。其中，軋機(jī)剛度系數(shù)C 和軋件塑性系數(shù)Q由過程控制系統(tǒng)下發(fā)至AGC?？刂屏鞒倘鐖D4所示。

圖4 系統(tǒng)控制功能圖Fig.4 Diagram of system control function

輥縫在線調(diào)節(jié)過程如圖5所示。采集倒數(shù)第2道次本體軋制力平均值約為900t；末道次咬入前輥縫設(shè)定為51.77mm，咬入后由于咬入沖擊作用導(dǎo)致輥縫變?yōu)?2.05mm；避開咬入沖擊段后，采集2.5s實(shí)測軋制力均值約850t，比倒數(shù)第2道次小，可以預(yù)見的是頭部偏薄，故AGC系統(tǒng)抬輥縫至52.25mm，保證了頭部厚度精度。AGC系統(tǒng)鎖定此時(shí)的軋制力，后續(xù)軋制過程中，以該鎖定軋制為基準(zhǔn)實(shí)時(shí)計(jì)算出口厚度，然后根據(jù)計(jì)算厚度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輥縫，從而保證了同板差。

圖5 輥縫調(diào)節(jié)圖Fig.5 Diagram of roll gap adjustment

4.2 控制精度驗(yàn)證

為驗(yàn)證在線計(jì)算精度，在國內(nèi)某熱軋廠現(xiàn)場隨機(jī)抽取了一些板材的產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)，見表1?？梢?，目標(biāo)值與卡量值最大偏差為-0.08mm，其目標(biāo)值與卡量值的偏差可控制在±0.1mm內(nèi)，板材全長厚度控制精度較高。總結(jié)了現(xiàn)場近7d生產(chǎn)的74塊板坯數(shù)據(jù)，按公差±0.1mm統(tǒng)計(jì)，厚度命中率可達(dá)到97.3%，完全能夠滿足生產(chǎn)需求。

表1 實(shí)測值與目標(biāo)值比較

5 結(jié)論

(1)鋁合金中厚板在軋制過程中受到軋制節(jié)奏不穩(wěn)定、頭部溫度偏低、咬入輥縫沖擊、無測厚儀等客觀因素影響導(dǎo)致厚度控制精度較低，這些不利因素是鋁板軋制中的普遍現(xiàn)象，難以從根本上消除；

(2)結(jié)合熱軋鋁板實(shí)際生產(chǎn)的特點(diǎn)，采用將壓下規(guī)程的最后兩道次負(fù)荷分配調(diào)整為軋制力相等的模式，通過倒數(shù)第2道次卡量厚度、實(shí)測輥縫及電動輥縫定位偏差補(bǔ)償來修正末道次設(shè)定輥縫，在咬入后再根據(jù)實(shí)測軋制力與倒數(shù)第2道次平均軋制力偏差來動態(tài)調(diào)整輥縫值，從而建立了新型的鋁板材厚度控制方法；

(3)實(shí)際應(yīng)用表明，等軋制力法在不依賴測厚儀的情況下，使鋁板厚度控制偏差基本穩(wěn)定在±0.1 mm 以內(nèi)，減小了后續(xù)切損量，可以顯著提高產(chǎn)品的成材率和生產(chǎn)效率。