空氣軸承式板形儀積累誤差所致板形缺陷的處理與改進

王 鵬

(江蘇大屯電力工程有限公司，徐州221000）

0 前言

板形儀是一種由板形檢測輥、信號傳輸處理和檢測計算組成的板形檢測控制系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用于金屬軋制過程中，用來精確測量控制板帶材的板形平直度質(zhì)量。按照檢測方式，板形儀分為接觸式（根據(jù)傳感器不同，有英國VIDIMON 空氣軸承式、瑞典ABB 壓磁式、德國Achenbach-BFI 壓電式等）和非接觸式（如美國Thermo/Radiometrie-X 射線式和德國西門子的Si-flat）。

在鋁板帶箔生產(chǎn)過程中，板形儀應(yīng)用比較普遍，集合了板形自動控制系統(tǒng)(AFC）和厚度自動控制系統(tǒng)（AGC），因此也是軋機現(xiàn)代化裝機水平的一個重要標志。在近期生產(chǎn)過程中，我公司1550mm 萬能鋁箔軋機配備的奧鋼聯(lián)（VAI）公司空氣軸承式板形儀多次出現(xiàn)板形儀反饋與實際不符的情況，雖然經(jīng)過板形缺陷均衡控制和軋制工藝調(diào)整，但改善效果不明顯。因裝飾箔基材要進行涂布工藝，對板形要求很高，這給穩(wěn)定高效的生產(chǎn)組織造成一定的不利影響。

1 缺陷表現(xiàn)

在幾次軋制半卷時，板形儀檢測的鋁板平直度良好，對應(yīng)區(qū)域的噴淋符合設(shè)定的板形曲線，但在實際的鋁卷上有固定的幾個區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了板形松的現(xiàn)象（薄料明顯）。卸卷后，展開該處呈細碎的波浪。

2 原因分析

在軋制過程的升速階段，為盡快達到目標厚度，軋制力和彎輥使用幅度較大，一般要求實際板形與目標板形曲線相吻合時再投入使用板形自動控制系統(tǒng)（AFC）完成生產(chǎn)全過程監(jiān)測[1]。

由于箔材產(chǎn)品厚度較薄、生產(chǎn)用時較長，在AFC 投入后，工作輥的輥型很快就處于熱平衡狀態(tài)，輥縫中的產(chǎn)品板形也處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時的板形沒有異常，說明板形儀測量的板形與實際板形的偏差較??；在長時間穩(wěn)定軋制后，板形儀的測量反饋依然顯示正常，而實際板形的缺陷卻逐步顯現(xiàn)，說明隨著生產(chǎn)時間的增加，板形的測量與實際板形偏差變大（即板形不符）。經(jīng)過以上軋制過程中板形變化的分析，表明產(chǎn)生該缺陷的原因是板形儀的板形控制系統(tǒng)測量偏差累積（即板形儀產(chǎn)生的誤差積累）所致。

3 檢查方案及處理措施

空氣軸承式板形儀是由心軸和一系列質(zhì)地堅硬、精密研磨的轉(zhuǎn)子（測量環(huán)）組成，中間由高壓氣提供支撐，形成空氣式（懸浮）軸承，見圖1。在軋制時，帶材在張力的作用下把施加給接觸的每個轉(zhuǎn)子的壓力在對應(yīng)的每組傳感器上形成壓力差信號，通過臍帶線傳遞到傳感器箱，轉(zhuǎn)換為電壓讀數(shù)，再經(jīng)過微處理器處理后形成板形信號顯示到操作臺顯示器上，供操作監(jiān)控使用；另一方面，板形信號送到中央計算機后，中央計算機將收到的板形信號與目標板形進行對比，分解板形偏差信號，分別向傾斜、彎輥、分段噴淋發(fā)出指令，從而實現(xiàn)板形自動控制（AFC）。

圖1 空氣軸承板形儀

眾所周知，板帶箔材坯料的原始板形具有遺傳性，軋制道次越靠前板形控制就顯得越重要，尤其是箔材第一道次軋制，絕對壓下量大，金屬變形熱多，容易產(chǎn)生板形缺陷。所以，在箔材的粗軋道次應(yīng)優(yōu)先考慮配備一臺板形儀，這對改善后續(xù)道次的軋制、實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)具有重要的實際意義[2]。氣動軸承具有高速度、耐高溫和低摩擦的特性，使得空氣式軸承板形儀可以保持長時間運行。另外，其響應(yīng)時間快，維護簡便，可在一個班次內(nèi)拆裝檢修，因此在箔材軋機上使用較為廣泛[3]。由于它是精密設(shè)備，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各部件運行條件要求嚴格，而實際生產(chǎn)環(huán)境變化較大，加之連續(xù)高速、大壓下量生產(chǎn)，有很多因素都可能造成板形儀測量控制精度下降，最終影響到板形質(zhì)量的精準檢測。

3.1 軋機輥系機械精度

板形儀正常工作是建立在軋機良好的機械精度基礎(chǔ)上，機械精度不良將對板形檢測的精度造成嚴重影響，特別是出口側(cè)輥系精度，將會直接影響板形儀測量的準確性，進而對板形自動控制系統(tǒng)的控制效果產(chǎn)生重大影響。因此，保持軋機機械精度是保證產(chǎn)品質(zhì)量的先決條件。鋁箔軋機輥系機械精度要求見表1。

表1 鋁箔軋機輥系機械精度要求

3.2 工作輥磨削精度

在設(shè)備正常的情況下，影響鋁箔板形的主要因素有軋制油、工作輥和坯料原始板形。工作輥表面粗糙度不均時，在軋制過程中，當工作輥表面粗糙度相差較大時，粗糙度大的部分變形抗力大，產(chǎn)生的摩擦熱多，輥縫就小，對應(yīng)的箔帶變形大，長度變長，厚度偏薄；粗糙度小的部分，變形抗力小，產(chǎn)生的摩擦熱少，輥縫就大，對應(yīng)的箔帶相應(yīng)變形小，長度變小，厚度偏厚，極易出現(xiàn)局部波浪或者成串的波浪[4]。

判斷是否是工作輥因素造成板形缺陷的途徑比較多，一般常用的方法有三種：用同一副工作輥軋制不同批次的坯料然后進行比較；用不同的工作輥軋制同一批次的坯料然后進行比對；運用專業(yè)工具對工作輥磨削質(zhì)量（粗糙度、輥徑等）進行檢查。這三種方法均方便易行，但也同樣僅適用于檢驗坯料質(zhì)量是否存在缺陷。

3.3 檢查輸入氣源質(zhì)量

通過空氣軸承式板形儀工作原理可以知道，板形測量和控制是基于對分差傳感器的氣壓差的數(shù)據(jù)計算，因此，提供持續(xù)可靠的氣源質(zhì)量是板形儀工作的必備條件。板形儀氣源技術(shù)要求見表2。

表2 板形儀氣源技術(shù)要求

為了保證板形儀工作正常，空氣干燥機的進氣壓力應(yīng)不低于0.55 MPa (80psi）。當空氣壓力小于0.55 MPa時，將會使輸入空氣壓力和板形儀止推軸承與芯軸間報警壓力間的安全余量減少到一個可能會影響到設(shè)備儀器可靠性的級別。當壓力低于最小連續(xù)值時，主空氣壓力開關(guān)接觸應(yīng)設(shè)置成打開，通常為0.6 MPa（87psi）；如果空氣干燥機與其他設(shè)備共用一個主壓縮空氣氣源，建議空氣干燥機進氣壓力不小于0.68 MPa，具體視實際情況的不同而不同。

在板形儀各項氣壓正常的情況下，需要對板形松位置對應(yīng)的測量環(huán)進行重點檢查：確認芯軸空氣噴嘴是否堵塞或漏氣、芯軸壓力傳感器和傳感器塊上的接頭間的信號線是否正常、氣壓信號是否存在泄露等情況。

3.4 冷卻噴淋系統(tǒng)故障

冷卻噴淋系統(tǒng)是按照板形儀平直度自動控制系統(tǒng)（AFC）的指令來控制工作輥各個區(qū)域與測量環(huán)相對應(yīng)的冷卻液噴淋閥門、為軋輥提供最合適的方式和最佳的冷卻液流量，使工作輥各區(qū)域冷卻以消除殘余板形平直度偏差同時控制軋制過程中軋輥的溫度，從而達到精確控制板形的目的。它也可以被單獨布置在操作工控制面板上，操作工可以通過控制面板來選擇各個噴嘴的噴淋級別或者特定的噴淋方式。1550 mm鋁箔軋機噴淋系統(tǒng)采用的是積分噴淋閥，其結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 積分噴淋閥橫截面

板形自動控制系統(tǒng)（AFC）在將實際板形和設(shè)定的目標板形進行對比后，根據(jù)有關(guān)算法對形成的差值（稱為板形誤差）進行分解，分別通過一次線性誤差（傾斜控制）、二次拋物線誤差（彎輥控制）、殘余誤差（噴淋控制）進行消除[5]。而分段冷卻控制是所有板形控制措施中最后一道且不可或缺的精細控制措施，在薄料加工時其作用尤為明顯。

冷卻液的“斷”、“通”由噴淋閥內(nèi)的橡膠薄片控制。當壓縮空氣壓力大于軋制油壓力時，噴嘴“關(guān)閉”，反之則“開通”。為確保噴淋閥門的快速和正確轉(zhuǎn)換，空氣室壓力要大于冷卻液壓力0.2 MPa。由于閥內(nèi)橡膠薄片在工作期間連續(xù)的彎曲和伸直而極易疲勞斷裂，如未能及時發(fā)現(xiàn)并處理，噴嘴處冷卻液會處于“常開”狀態(tài)（滲漏），這種故障所引起的板形缺陷占比較大，需要定期檢查。實踐發(fā)現(xiàn)，當氣液壓力比為2∶1時，執(zhí)行和冷卻效果最好。

3.5 板形儀測量誤差

板形儀的測量誤差會直接導(dǎo)致板形控制問題。因此，對板形儀進行日常檢查、定期校準就顯得非常重要。檢查板形儀測量是否準確，就需要對測量環(huán)進行校準，使之符合校準曲線（見圖3），以確保精確度保持最佳狀態(tài)。

測量環(huán)壓力信號/載荷特性可以表示為：

校正的數(shù)據(jù)表給出了所有的M和C的值。

圖3 典型的校正曲線

經(jīng)過對板形儀測量環(huán)的3次標定，將4個已知重量法碼6.29 kg/10.99 kg/20.38 kg/29.76 kg 分別加到每個測量環(huán)上，記錄這4個重量分別對應(yīng)的電壓值，從中發(fā)現(xiàn)第7#、8#、9#三個環(huán)的數(shù)據(jù)異常，如表3所示。當然，也可以根據(jù)測得的電壓值反推出加在輥環(huán)上的重量值。

表3 三次標定記錄統(tǒng)計

根據(jù)經(jīng)驗，當發(fā)現(xiàn)個別轉(zhuǎn)子的標零(ZERO mV）最大值和最小值誤差過大時，應(yīng)立即停車檢查原因[6]。從表3 中可以看出，在重量29.76 kg 時，7#、8#、9#環(huán)不同次標定時的最大差值分別為：0.16 V、0.1 V、0.09 V。以7#環(huán)平均值4.34 V來計算，每公斤對應(yīng)的電壓值為：4.34 V/29.76 kg=0.146 V/kg，也就意味著第1 次標定和第3 次標定的電壓差值已經(jīng)達到1.09 kg。也就是說，板帶對板形環(huán)的壓力為5kg，板形環(huán)檢測的結(jié)果是6 kg，而對于板形平直度目標曲線來說，如果6 kg剛好滿足要求，那么在線的板形顯示就是良好的，但實際板形卻是松的。

考慮測量的數(shù)據(jù)存在誤差是不可避免的，想要減小誤差對測量的影響，就需要進行多次測量，對結(jié)果進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。一般來說，測量的結(jié)果服從正態(tài)分布，越接近于正值時數(shù)據(jù)的出現(xiàn)頻率越大，如圖4所示。

圖4 誤差的正態(tài)分布

測量結(jié)果設(shè)為變量x，則其概率密度為：

其中μ和σ是分布密度的兩個參數(shù)。

而測量變量出現(xiàn)在給定區(qū)間內(nèi)的概率為：

根據(jù)計算結(jié)果，若在測量中x有90%以上與標定值極為接近，那么系統(tǒng)誤差對軋制時的影響就可以減小到最低程度。在VAI的AFC方案中，可以通過調(diào)整板形曲線來修正板形的對稱性缺陷。針對這種非對稱缺陷，板形自動控制系統(tǒng)無法自主完成。為解決實際生產(chǎn)中易出現(xiàn)的類似問題，現(xiàn)提出以下幾種方案：

（1）方案1：在短時間內(nèi)，可以通過手動調(diào)整噴淋來解決（在操作臺即可完成）。但如果長時間使用此方法，對AFC系統(tǒng)和人員操作都是一種考驗。

（2）方案2：通過調(diào)整相應(yīng)噴淋閥的噴淋系數(shù)以增加個別區(qū)域的冷卻液噴淋量來解決（需要在工程師站完成）。但試驗證明，這種解決方案只能滿足部分道次的缺陷調(diào)整需求，整體效果不好。

（3）方案3：在標定時，通過增加補償量來修正目標板形曲線，如圖5所示，虛線為原標定曲線，實線為補償后曲線。具體做法是：在標定重量10.99 kg 時對應(yīng)電壓為1.58 V，如果此時增加一定的重量（如0.5 kg），那測得的電壓就會升高至1.76 V，但板形儀系統(tǒng)仍然認為重量是10.99 kg，只是將10.99 kg 時的電壓對應(yīng)成1.76 V，此時就會形成新的標定曲線（實線）。待到軋制時，假設(shè)鋁板帶材對測量環(huán)的壓力為10.99 kg時，對應(yīng)的環(huán)電壓就是1.58 V，那么板形儀會認為此處壓力偏低（10.26 kg），板形表現(xiàn)為此處板面較松，應(yīng)該增加噴淋量來冷卻軋輥，以改善板形。

實踐驗證，針對特定區(qū)域產(chǎn)生的不對稱板形缺陷，采用方案3這種補償修正法可以有效保證板形質(zhì)量。

圖5 標定補償示意圖

4 結(jié)束語

在鋁板帶箔生產(chǎn)過程中，極易遇到非對稱性板形質(zhì)量缺陷，特別是在料薄軋制用時較長時，易出現(xiàn)一些積累誤差。此時應(yīng)細心分析，認真對待，在排除坯料、工作輥、冷卻液、軋機輥系機械精度等因素外，應(yīng)重點對空氣軸承式板形儀使用的氣源質(zhì)量進行排查。通過調(diào)整噴淋系統(tǒng)氣液壓力比以及使用補償修正目標曲線法，可較好地修復(fù)板形缺陷，這已在實踐中取得了較好的效果。