改善冷軋罐體料離線厚度偏差措施的研究

閆學良

(龍口南山鋁壓延新材料有限公司，山東 龍口 265706)

1 罐體料厚度偏差介紹

南山鋁板帶事業(yè)部冷軋廠于2008年開始生產罐體料，其中罐體料的一個重要質量指標是厚度偏差，厚度偏差要求非常嚴格且偏差范圍小。罐體料厚度偏差分為在線厚度偏差和離線厚度偏差。對于在線厚度偏差的控制精度取決于冷軋機厚控系統(tǒng)，厚度控制采用了先進的質量流、厚度反饋、厚度前饋、速度前饋等多種手段，出口厚度受來料厚度變化和軋機加、減速變化的影響小，厚度控制精度高。而離線厚度偏差是實驗室檢測厚度和產品生產過程中設定的目標厚度之間的差值，這種差值來源于實驗室取樣誤差、稱重誤差、測厚儀偏差。

本文主要從冷軋機上所用IMS測厚儀的基本原理和測量厚度的影響因素著手，然后針對IMS測厚儀的特性和實際生產過程中積累的經驗，分析罐體料離線厚度偏差產生的原因和改善措施。

2 IMS測厚儀的測量原理、測量過程及影響因素

(2)測厚儀厚度測量結構如圖1所示。

圖1 測厚儀厚度測量結構圖

IMS測厚儀是利用X射線管在高壓下產生X射線，X射線通過發(fā)射窗口發(fā)出，穿過被測物體(鋁板帶)，其中一部分射線被鋁板帶吸收，沒有被吸收的射線到達電離室。電離室測量接收到的X射線強度并產生電離電流(測量信號)，電離室接收X射線強度的多少與帶材的厚度有對應的關系，因此通過電離室的輸出電流和鋁板帶的特性可以通過公式計算出鋁板帶的厚度。

影響測量的不變量因素有：放射源和接收源之間的距離、能量、放射源類型、接收器類型、響應時間、校準；影響測量的變量因素有：射線通路上的氣隙溫度、材料溫度、合金成分、射線通路上的雜質、材料表面的雜質、材料的位置。

(3)部分變量因素對厚度測量的影響[2]。射線通路上的氣隙溫度，氣隙溫度每變化10℃，引起1.2μm的測量偏差，空氣溫度升高，產生負偏差，溫度降低，產生正偏差；帶材溫度，材料溫度每變化100℃，引起0.5%的厚度變化量；帶材表面的油，每100μm的油相當于6μm的鋁；材料位置，軋制線偏差±10mm引起±0.05%的厚度偏差。

3 前期對罐體料偏差控制的改善過程

冷軋廠自罐體料生產以來，對厚度偏差要求十分嚴格，時刻圍繞著如何減小測量厚度和實際厚度偏差這個問題進行研究。通過對IMS測厚儀特性的了解和實際生產數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，測厚儀的測量精度不可避免地受到如X光源穩(wěn)定性、合金成份、帶材位置、測量窗口污染等因素的影響，前期對于測厚儀厚度偏差控制主要從帶材溫度、合金成分、氣隙溫度、測量窗口污染方面進行改善。

(1)對于帶材溫度變化引起的誤差。由于溫度升高，帶材熱脹冷縮，密度降低，因此帶材對X射線的吸收能力降低，引起在線測量的厚度薄于實際厚度，通過厚控系統(tǒng)的調節(jié)，軋制后的卷材厚度偏厚。對于這一因素IMS測厚儀有著固定的線性補償模型，即帶材溫度每升高100℃，測厚儀測量鋁帶材大約產生0.5%的厚度偏差。在實際生產過程中，帶材溫度直接關聯(lián)于生產工藝過程的某些參數(shù)，其中主要的三個因素是入口料溫、帶材速度和壓下量。由于生產罐體料成品道次的料溫穩(wěn)定在150℃～160℃，而IMS系統(tǒng)中默認的帶材溫度是20℃，根據(jù)計算，罐體料成品會產生約1.5μm的離線厚度偏差。為消除離線厚度偏差，在測厚儀系統(tǒng)人機界面中手動輸入帶材溫度(圖2)，從而有效補償帶材溫度引起的厚度偏差。

圖2 入、出口帶材的溫度輸入

(2)對于合金成分引起的誤差。根據(jù)熔鑄廠提供每爐料的化學成份，為每爐料設定一個合金編號，人工輸入合金成份，以求盡量減小合金成分引起的厚度偏差。通過取樣對合金成分的再次校準測量，大部分合金成分引起的偏差基本在1μm以內。統(tǒng)計實驗室厚度測量數(shù)據(jù)結果，實際生產成品的實驗室測量厚度總是大于測厚儀在線設定厚度，通過使用測厚儀多次對實驗室樣片進行厚度測量，得出實驗室稱重數(shù)據(jù)和測厚儀測量數(shù)據(jù)存在約0.8μm的恒定偏差。對于實驗室和測厚儀之間存在的恒定偏差，通過在測厚儀系統(tǒng)中對3xxx系合金罐體料設定固定的補償系數(shù)來消除這一恒定偏差，如圖3所示。

圖3 3xxx系合金罐體料補償系數(shù)

(3)對于氣隙溫度引起的測厚儀偏差。測厚儀的氣隙溫度變化和諸多因素有關，比如軋機是否連續(xù)軋制、周圍環(huán)境溫度、入口料溫、壓下量、合金、軋制速度等都會引起氣隙溫度的變化，因此氣隙溫度的變化過程非常復雜。根據(jù)不同的情況，有時入口測厚儀氣隙溫度升高，有時出口溫度升高。整卷溫升有時高有時低，一般在從10℃～30℃之間變化，而且同一臺測厚儀上下窗口的溫度有時存在很大差別。氣隙溫度變化的復雜性和不確定性，就必須要求測厚儀測量系統(tǒng)中對整個溫度變化范圍的補償都是準確的，否則不僅影響成品厚度，而且還會引起整卷厚度的不均勻性。在測厚儀系統(tǒng)中溫度變化的補償系數(shù)和厚度偏差不是線性的，它和X射線測厚儀的測量范圍和實際溫度變化范圍相關聯(lián)。通過觀察氣隙溫度的變化趨勢和實際的厚度測量結果，比對實驗室稱重測量結果，反復調整每臺測厚儀的氣隙溫度補償系數(shù)(圖4)，最終實現(xiàn)對測厚儀氣隙溫度變化的準確補償。

圖4 氣隙補償系數(shù)

(4)對于測量窗口污染引起的測厚儀偏差。盡管測厚儀C型架具備吹掃裝置，鋁板帶軋制過程中軋制油及其他油污不可避免地會附著到射線窗口和電離室窗口，當附著的雜質較多時會對測厚儀的測量精度造成一個固定的影響[3]。為消除油污等雜質對測量精度的影響，現(xiàn)場每天每班次進行一次射線和電離室窗口的油污擦拭，在無帶材的情況下進行一次預吸收標定，通過標準板的測量將系統(tǒng)重新標準化，標準化完成后再次進行CS校正，系統(tǒng)自動記錄校正結果。因此，利用軋機換輥、清過濾器期間對測厚儀射線和探測器窗口進行清潔維護，來保證測厚儀系統(tǒng)的測量精度。

4 對罐體料偏差控制進一步改善過程

目前國內鋁板帶生產廠家較多，客戶對3xxx系罐體料厚度的要求越來越高。自2019年以來，冷軋廠在生產罐體料過程中發(fā)現(xiàn)生產的卷材厚度內圈較外圈偏厚約1.0μm～1.5μm(軋制長度大約17000m)，即軋機起車后越軋越薄，導致下工序分卷后，兩小卷平均厚度偏差較大。綜合測厚儀本身測量的影響因素，分析造成前、后半卷厚度不均的原因，先考慮以氣隙測量溫度補償為突破點，對氣隙補償系數(shù)進行調整，但在實施過程中發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)有的氣隙補償系數(shù)下，溫度監(jiān)控曲線較為平穩(wěn)，測量準確，無法進一步改善整卷厚度的不均勻性。

為了解決此種問題，分析冷軋機AGC控制過程，根據(jù)測速儀實測速度和測厚儀實測厚度參與的輥縫控制，例如厚度反饋THFB、質量流控制MFC等，現(xiàn)場考慮是否能夠在線實時修正測厚儀出口厚度偏差來減少內圈厚度偏厚的問題。通過查看測厚儀厚度給定值的來源，了解ABB系統(tǒng)1級CBM程序，添加內部線性功能塊(圖5)，根據(jù)入口帶材實時卷徑，來實現(xiàn)線性補償出口厚度實時偏差的功能。例如，軋機入口卷徑2500mm，此時出口厚度偏差補償為0.7μm，0.7μm與測厚儀測量的實際厚度偏差相加，計算值為1級控制系統(tǒng)的出口厚度偏差，然后參與輥縫控制。隨著軋制的進行，卷徑減少到1500mm時，此時補償系數(shù)值為0μm，從而實現(xiàn)對前半卷厚度偏厚問題的改善控制(圖6)，此種方式主要利用AGC內部的厚度反饋和質量流控制。經過兩個月4次調試跟蹤，最終確定系數(shù)0.7μm，運行至今，根據(jù)軋機生產卷材的厚度數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得出C02與C01偏差控制在0.7μm左右，最小批次偏差達到0.4μm，最終實現(xiàn)改善卷材前后厚度偏差較大的問題。

圖5 CBM程序線性補償功能塊

圖6 厚度偏差統(tǒng)計表

5 總結

結合X射線測厚儀的厚度測量原理、影響因素以及冷軋機1級PLC程序的輥縫控制過程，本文從實際應用方面對造成測厚儀離線厚度誤差的因素進行了分析，并提出了各種因素的補償和消除措施。為確保測厚儀測量功能穩(wěn)定，嚴格執(zhí)行厚度測量精度的改善措施和1級程序的線性補償措施，軋機離線厚度偏差控制得到明顯改善，整體厚度精度比以前得到大幅提升，極大地滿足了產品厚度控制的要求。