恒軋制力控制在鋁合金復(fù)合錠熱軋中的開發(fā)和應(yīng)用

［關(guān)鍵詞］恒軋制力；恒輥縫；包鋁板復(fù)合軋制；干軋排氣

［中圖分類號］TG333.7 ［文獻標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）11–0001–03

鋁合金復(fù)合材料具有附加值高、性能優(yōu)異等特點，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。這種復(fù)合錠的成功軋制需要一定的工藝技術(shù)訣竅，其中的關(guān)鍵因素之一是在粗軋的前幾個道次將不同包覆層之間的氣泡均勻排出。鋁熱粗軋機在生產(chǎn)復(fù)合材料時，面板受加熱變形程度和粗軋主操的手動操作影響較大，靜壓做得不好的批次面板容易起折并影響干軋排氣。為了減少復(fù)合錠的氣泡缺陷，提高最終產(chǎn)品的成品率，需要在當(dāng)前的自動化系統(tǒng)中實現(xiàn)恒軋制力和恒輥縫控制。為了在當(dāng)前輥型下獲得面板/ 包覆層的均一厚比和均勻分布，根據(jù)包鋁板復(fù)合軋制的特點，需要以復(fù)合錠長度中間為分界，作兩次恒軋制力靜壓，壓實的最大力調(diào)整范圍為1 ～ 5 兆牛（具體根據(jù)工藝確定），設(shè)定參數(shù)后，輥縫將根據(jù)設(shè)定軋制力調(diào)節(jié)壓下量，從鑄錠任意位置開始并實現(xiàn)恒定速度的自動軋制。實現(xiàn)這種靜壓過程的自動控制，需要充分理解原有自動化控制功能，并在其基礎(chǔ)上增加恒軋制力和恒輥縫功能，實現(xiàn)復(fù)合錠的自動位置跟蹤與輥縫壓下的自動配合。

1"具體技術(shù)方案

1.1"當(dāng)前熱粗軋機輥縫控制方式

在當(dāng)前的熱粗軋機生產(chǎn)過程中，每個道次均進行自動厚度控制，輥縫（厚度）控制方式如圖1 所示。由圖1 可知，與輥縫和厚度控制相關(guān)的主要功能包括：① PSC。二級軋制規(guī)程計算模型。② AGC。自動厚度控制，用于保證出口厚度的恒定③ HGC。液壓輥縫控制，是輥縫控制的最終執(zhí)行機構(gòu)，負責(zé)在線動態(tài)調(diào)整輥縫④ EMP。電動壓下控制，主要用于空載輥縫的擺位在實際軋制過程中，每一個道次AGC都會根據(jù)設(shè)定值預(yù)先計算軋機將發(fā)生的彈跳值，并將其發(fā)送給HGC 進行綜合輥縫控制。在軋機咬入軋件之后，AGC 將根據(jù)實測軋制力和實際輥縫實時計算軋件的實際厚度，并與設(shè)定厚度相比較，根據(jù)一定的算法計算出輥縫調(diào)整值并將其發(fā)送給HGC 進行閉環(huán)控制，從而保證出口厚度的恒定。在道次過程中動態(tài)影響輥縫的其他因素還包括二級模型發(fā)送的軋輥熱膨脹值、彎輥力的變化對輥縫的影響、軋輥彈性壓扁等，這些動態(tài)擾動因素也都在AGC 中進行了補償。

另外，當(dāng)前的自動化控制軟件中已實現(xiàn)了較為完備的鑄錠/ 鋁板跟蹤功能，每塊鑄錠在生產(chǎn)線的頭尾位置都有較為準(zhǔn)確的跟蹤和顯示，這也為實現(xiàn)包覆材的恒輥縫和恒壓力控制的自動投用提供了良好基礎(chǔ)。

1.2"具體實施方案

1.2.1"實現(xiàn)的功能

在不同材料和規(guī)格的包覆材開軋之前，由工藝人員確定需要靜壓的道次數(shù)、靜壓軋制力設(shè)定值、靜壓速度設(shè)定值。靜壓的過程是把復(fù)合鑄錠不同層之間的氣泡均勻擠出，最有效的方式是從鑄錠的中間開始往后進行均勻擠壓。其有益效果在于，將復(fù)合鑄錠分兩段進行排氣，由于距離短排氣更徹底。采用恒軋制力控制則使得在軋制過程中受力均勻，排氣、結(jié)合更充分，從而減少氣泡缺陷，提升最終產(chǎn)品的成品率。

因此，對于自動控制功能來說，除了在軋機垂直方向?qū)崿F(xiàn)恒輥縫和恒軋制力控制外，在水平方向上還要實現(xiàn)鑄錠以恒定的靜壓速度進入軋機，且在鑄錠進入軋機的過程中根據(jù)跟蹤系統(tǒng)給出的頭尾位置控制輥縫的關(guān)閉，控制目標(biāo)是鑄錠長度的中間位置（考慮一定的裕量）運行到軋機中心時輥縫關(guān)閉到位且軋制力達到設(shè)定的靜壓力，然后以此恒定速度完成鑄錠后1/2 長度的氣泡擠出過程。下一個道次則用同樣的策略完成鑄錠另1/2 長度的氣泡擠出過程。具體的控制過程如下：①在HMI（人機界面）輸入所需的靜壓力設(shè)定值并下發(fā)給一級自動化系統(tǒng)；②恒軋制力功能被預(yù)激活，AGC 自動厚度控制功能被自動關(guān)閉；③ EMP 維持不動，用HGC 液壓缸將輥縫打開至鑄錠入口厚度（考慮一定的偏移量）；④復(fù)合鑄錠在軋機前對中后，以恒定的低速度向軋機運行；⑤根據(jù)跟蹤信息，鑄錠頭部位置越過軋機中心線以后，HGC用位置控制開始關(guān)閉輥縫；⑥根據(jù)鑄錠長度和速度計算鑄錠中間位置到達軋機中心所需的時間，并依據(jù)此時間控制HGC 關(guān)閉輥縫的速度，目標(biāo)是在鑄錠中間位置到達軋機中心時輥縫關(guān)閉至設(shè)定的靜壓力；⑦靜壓力達到后，HGC 由位置控制切換為壓力控制，在鑄錠后1/2 長度越過軋機的過程中維持該恒軋制力控制；⑧鑄錠尾部離開軋機，HGC 由壓力控制切換為位置控制；⑨當(dāng)前鑄錠在軋機出口位置，重復(fù)前述第③ ～ ⑧步驟；⑩如果判斷需要更多的靜壓道次，可重復(fù)前述③ ～ ⑨步驟；11靜壓過程完成后，取消該功能，AGC 將自動激活，開始后續(xù)正常道次的自動軋制。

上述過程之間的邏輯關(guān)系用流程圖的形式可總結(jié)如圖2 所示。

1.2.2"功能程序開發(fā)

已有一級自動化系統(tǒng)的編程軟件是LogiCAD，其是一種圖形化的開發(fā)編程工具。LogiCAD 基于IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，運行在Windows 操作系統(tǒng)下，具有以下特性：①在冶金自動化領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，特別適用于軋機控制領(lǐng)域的高動態(tài)控制系統(tǒng)；②對系統(tǒng)的編程可以離線進行，也可以在線進行；③在線工作時，應(yīng)用程序可以實時下載到系統(tǒng)中，并通過在線測試功能進行監(jiān)控。

LogiCAD提供了多種編程語言，開發(fā)及維護人員可以根據(jù)控制功能的需要及自己的編程愛好選擇編程語言，軟件支持FBD、SFC、LD、ST編程語言，對于復(fù)雜數(shù)學(xué)算法的功能，可以使用C 語言進行功能塊的編寫，再搭配硬件組態(tài)工具、診斷工具等，組成了一套非常強大易用的軟件平臺。

實現(xiàn)整個靜壓過程需要對輥縫控制、速度控制、跟蹤控制進行適應(yīng)性功能修改，不同階段完成的動作和各功能之間的相互配合如圖3 所示。其中，輥縫控制部分的程序增加在了AGC之中，AGC將輥縫調(diào)整值實時發(fā)送給HGC，由HGC 最終完成輥縫控制和恒壓力控制；速度控制部分的程序在SPC（速度主令控制）中進行了修改；跟蹤部分的程序在MTR（材料跟蹤）中進行了修改。采用了FBD編程語言對文章描述的恒軋制力、恒輥縫控制，以及輥縫控制與鑄錠跟蹤和速度控制的信號交互和連鎖進行了開發(fā)和實際應(yīng)用。

1.3"設(shè)計結(jié)果和實際軋制數(shù)據(jù)

在HMI 畫面輸入工藝人員給出的靜壓力設(shè)定值。靜壓設(shè)定值輸入生效之后，上述的控制過程將自動啟動，實際軋制過程的PDA 數(shù)據(jù)記錄如圖4所示。從圖中的數(shù)據(jù)可以看出，在靜壓過程中實際軋制力和速度控制平穩(wěn)，速度和輥縫之間的邏輯也實現(xiàn)了很好的匹配，從而保證了不同包覆層之間的氣泡被均勻擠出。

2應(yīng)用效果

在恒軋制力控制功能開發(fā)應(yīng)用之前，靜壓過程完全由操作人員手動完成，具體流程如下：操作員將復(fù)合錠手動運送到軋機輥縫中心→手動下壓輥縫并監(jiān)控軋制力的變化→軋制力達到所需的壓力時停止關(guān)閉輥縫→手動啟動軋機和輥道速度完成鑄錠1/2 長度的氣泡擠出過程→重復(fù)上述過程完成另外1/2 長度的氣泡擠出。在這個過程中軋機HGC 始終工作在輥縫控制模式下，不能保證實際軋制力工作在工藝要求的范圍內(nèi)，執(zhí)行效果也完全取決于操作人員的經(jīng)驗和臨場操作，工藝穩(wěn)定差，經(jīng)常出現(xiàn)起鼓和軋廢現(xiàn)象，最終軋制成功率較低。恒軋制力控制的開發(fā)和應(yīng)用保證了在擠氣泡的過程中軋制力的相對恒定，因此獲得了排氣過程的均勻性。而整個排氣過程的全自動控制功能也確保了軋制過程的一致性和可重復(fù)性，排除了操作人員手動操作可能產(chǎn)生的不確定性因素。新功能投入后，減輕了操作人員的手動操作任務(wù)量，軋制成功率也得到了很大提升。

3"結(jié)束語

為了提升成品率，減少氣泡造成的缺陷，需要在粗軋機為復(fù)合錠設(shè)計靜壓道次，將氣泡均勻排出。為了實現(xiàn)復(fù)合錠的高質(zhì)量軋制，在現(xiàn)有自動化系統(tǒng)中基于LogiCAD軟件平臺開發(fā)了恒軋制力和恒輥縫功能，以及輥縫與鑄錠位置跟蹤和速度控制的交互功能，現(xiàn)場實際應(yīng)用效果良好。