李冠宇，李玉貴，趙曉兵

(太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024)

0 前言

當(dāng)今熱軋帶鋼廠(chǎng)的粗軋部分承擔(dān)了主要的減寬及控寬任務(wù)，粗軋區(qū)采用的自動(dòng)寬度控制稱(chēng)為RAWC，其中軋制力反饋?zhàn)詣?dòng)寬度控制(RFAWC)應(yīng)用最為廣泛。

通常，在粗軋平輥之前安裝一對(duì)大立輥軋機(jī)，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，并采用電動(dòng)或液壓的方式進(jìn)行壓下［1］，這項(xiàng)技術(shù)在寬帶鋼廠(chǎng)應(yīng)用較為成熟，能夠很好控制中間坯精度，上差基本保證在4～8 mm。近些年來(lái)，窄帶鋼廠(chǎng)為了能夠改善其成品寬度精度，提高成材率，降低生產(chǎn)成本，也相繼引入了這項(xiàng)技術(shù)?，F(xiàn)根據(jù)某窄帶鋼廠(chǎng)新建設(shè)備及工藝特點(diǎn)，構(gòu)建基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型，并在生產(chǎn)過(guò)程中不斷優(yōu)化模型參數(shù)［2］。引入寬度自動(dòng)控制后，帶鋼寬度精度從過(guò)去的3～5 mm 減小到現(xiàn)在的1～2 mm，減少了切邊損耗，提高了金屬收得率，帶鋼寬度波動(dòng)也變得較為平穩(wěn)。窄帶鋼生產(chǎn)線(xiàn)機(jī)械設(shè)備簡(jiǎn)單，電機(jī)功率小，運(yùn)行周期快，初期投入少，短期收益高，生產(chǎn)坯料和成品規(guī)格較為單一，所以在窄帶鋼線(xiàn)投入自動(dòng)寬度控制系統(tǒng)見(jiàn)效較快［3］。窄帶鋼生產(chǎn)線(xiàn)不同于寬帶鋼采用多臺(tái)粗軋機(jī)配合軋制的模式，一般采用一架可逆式粗軋機(jī)，軋制3～5 個(gè)道次;窄帶鋼還具有寬厚比較小的優(yōu)勢(shì)，不易形成狗骨形斷面，板坯也不容易失去穩(wěn)定而發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)，往往在粗軋立輥上開(kāi)凹槽，進(jìn)一步提高減寬效率。目前適用于窄帶鋼寬度控制方面的研究數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型較少，往往通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整，存在一定的盲目性和偶然性。這條線(xiàn)的成功實(shí)踐，對(duì)日后窄帶鋼的生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。本文就一些實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和比較，以期給相關(guān)研究人員一定的參考。

1 工藝設(shè)備簡(jiǎn)介

1.1 連軋工藝

某窄帶鋼廠(chǎng)400 mm 線(xiàn)，帶鋼坯料來(lái)自連鑄生產(chǎn)線(xiàn)，尺寸為225 mm ×150 mm ×6000 mm，由推鋼式加熱爐進(jìn)行加熱，出爐后，熱鋼坯通過(guò)輸送輥道進(jìn)入水除鱗裝置，再經(jīng)輥道進(jìn)入粗軋區(qū)，粗軋機(jī)前后兩側(cè)設(shè)有側(cè)導(dǎo)板，實(shí)現(xiàn)板坯的對(duì)中軋制。立軋采用大立輥軋機(jī)CL，壓下系統(tǒng)為純液壓壓下;平軋采用二輥可逆軋機(jī)CP，純電動(dòng)壓下。二者形成連軋，往復(fù)軋制5 個(gè)道次，其中僅奇數(shù)道次立輥有側(cè)壓量;偶數(shù)道次立輥打開(kāi)，板坯只進(jìn)行平輥軋制，立輥空過(guò)。中間坯進(jìn)入精軋區(qū)前設(shè)有剪切機(jī)，用于事故碎斷或者超差頭尾的剪切。精軋區(qū)設(shè)有3 架小立輥軋機(jī)和9 架平輥軋機(jī)，如圖1 所示。立輥全部為精軋小立輥，電動(dòng)壓下。前4 架平輥軋機(jī)為二輥軋機(jī)，后5 架為四輥軋機(jī)。平輥軋機(jī)間設(shè)有活套裝置，用來(lái)控制張力。全線(xiàn)總共14 架軋機(jī)，組成3/4 連續(xù)式布置。精軋出口有傾斜導(dǎo)槽，將帶鋼扭轉(zhuǎn)90°后送入夾送輥，通過(guò)蛇振將帶鋼擺放在運(yùn)動(dòng)的鏈板運(yùn)輸裝置上，最后經(jīng)過(guò)夾送輥和矯直機(jī)進(jìn)入立式卷取機(jī)、打捆、堆垛。

圖1 熱連軋工藝流程Fig.1 Hot tandem rolling process

該線(xiàn)在粗軋出口處放置一臺(tái)測(cè)寬儀，用于檢測(cè)和控制中間坯的寬度精度，精軋出口放置一臺(tái)測(cè)寬儀，用于檢測(cè)和控制成品帶鋼的寬度精度。有些生產(chǎn)線(xiàn)在粗軋入口處也放置一臺(tái)測(cè)寬儀，用來(lái)實(shí)施前饋?zhàn)詣?dòng)寬度控制［4］。在粗軋區(qū)入口和出口分別有高溫計(jì)，用來(lái)修正模型中的溫度參數(shù)對(duì)金屬變形的影響。精軋入口和出口同時(shí)也設(shè)有高溫計(jì)，幫助精軋二級(jí)系統(tǒng)校正溫度模型。粗軋立輥配有2 個(gè)壓頭，安裝在操作側(cè)上下缸，用于精確檢測(cè)軋制力，實(shí)現(xiàn)軋制力反饋調(diào)節(jié)。液壓缸均配有磁尺裝置，用于實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制，精確控制立輥的位置。全線(xiàn)配有多個(gè)熱金屬檢測(cè)裝置，用于帶鋼的跟蹤和位置檢測(cè)。精軋區(qū)末尾配有一臺(tái)測(cè)厚儀，用于精軋區(qū)的自動(dòng)厚度控制以及厚度檢測(cè)。全線(xiàn)采用西門(mén)子PLC 及遠(yuǎn)程工作站實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。其中自動(dòng)寬度控制系統(tǒng)通過(guò)PLC S-400中的458 模塊主要完成。該線(xiàn)設(shè)計(jì)年產(chǎn)量40 萬(wàn)t，產(chǎn)品規(guī)格為(1.3～4.0)mm ×(180～220)mm，用于焊管、冷彎成型及冷軋等后續(xù)加工。

1.2 立輥軋機(jī)設(shè)備

在粗軋機(jī)前設(shè)置大立輥裝置可以疏松鋼坯表面的氧化鐵皮，起到除鱗的作用，還能防止鋼坯邊部開(kāi)裂等缺陷，提高表面質(zhì)量，最重要的是能夠調(diào)節(jié)和控制帶鋼的寬度規(guī)格。

立輥的主傳動(dòng)裝置安裝在軋機(jī)上方，靠立輥的機(jī)架承受重量，這樣可以使傳動(dòng)裝置處在較好的工作環(huán)境，方便維護(hù)。電機(jī)通過(guò)減速器帶動(dòng)十字接軸，驅(qū)動(dòng)立輥旋轉(zhuǎn)，傳遞軋制力矩。

軋輥采用進(jìn)行過(guò)調(diào)質(zhì)處理的鍛鋼輥，并在輥面上開(kāi)一個(gè)矩形槽，通過(guò)槽側(cè)面擠壓可以限制狗骨斷面的形成，減小了平輥軋制時(shí)的狗骨寬展［5］。要注意的是，在標(biāo)定輥縫時(shí)把槽深考慮進(jìn)去。軸承采用雙列圓錐滾子軸承，既要承受軸向載荷，又要承受徑向載荷，設(shè)備主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 立輥設(shè)備主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of vertical rolling mill

在傳動(dòng)側(cè)和操作側(cè)各有兩個(gè)AWC 液壓缸和一個(gè)平衡缸，AWC 缸用于精準(zhǔn)調(diào)整輥縫并在軋制過(guò)程中快速響應(yīng)RF-AWC 模型算出的調(diào)整信號(hào);平衡缸則是為了消除立輥與軸承及其他的機(jī)械間隙，圖2為立輥軋機(jī)設(shè)備的示意圖。

圖2 立輥軋機(jī)設(shè)備示意圖Fig.2 Schematic of vertical rolling mill

2 RF-AWC 控制模型

RF-AWC 控制系統(tǒng)是基于厚度計(jì)型自動(dòng)厚度控制(GM-AGC)提出的。厚度計(jì)型的提出是由于當(dāng)時(shí)負(fù)荷輥縫無(wú)法實(shí)時(shí)測(cè)量，需要間接測(cè)量并通過(guò)計(jì)算得到實(shí)時(shí)輥縫值。軋機(jī)彈跳方程使得軋機(jī)輥縫和軋制力之間建立起聯(lián)系，通過(guò)測(cè)量軋制力而得到軋機(jī)輥縫，這樣就把未知問(wèn)題轉(zhuǎn)化成了已知問(wèn)題。RF-AWC 根據(jù)軋制力的變化計(jì)算出立輥的彈跳值，再算出輥縫的調(diào)節(jié)量，將調(diào)節(jié)量疊加到系統(tǒng)中，從而確保了板坯的寬度均等，對(duì)水印或黑印起到補(bǔ)償控制作用，但由于該控制屬于反饋控制，有延遲性，對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和快速響應(yīng)要求較高。其數(shù)學(xué)模型為

式中，M為立輥軋機(jī)的剛度，Q為軋件寬度方向上的塑性系數(shù)［6-7］。

之后又在這個(gè)公式的基礎(chǔ)上發(fā)展出了液壓變剛度控制，引入了變剛度系數(shù)α，推導(dǎo)出等效壓下效率補(bǔ)償系數(shù)為－(M+Q)/M+(1－α)Q，其數(shù)學(xué)模型為

由于立輥軋機(jī)的剛度不容易測(cè)量，存在復(fù)雜性、多樣性和準(zhǔn)確度不高等特點(diǎn)，而RF-AWC控制系統(tǒng)的可行性在很大程度上又依賴(lài)軋機(jī)工作剛度M 及軋件塑性系數(shù)Q，所以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中可以通過(guò)調(diào)節(jié)α 值得到合適的取值范圍。改變?chǔ)恋闹?，相?dāng)于在相同軋制力增量的情況下，得到不同的彈跳量增加量，這也相當(dāng)于改變了軋機(jī)剛度。變剛度系數(shù)α 的值越小，軋制力擾動(dòng)對(duì)出口厚度的影響越小，這意味軋機(jī)的當(dāng)量剛度變大;變剛度系數(shù)α 的值越大，軋制力擾動(dòng)對(duì)出口厚度的影響越大，意味軋機(jī)的當(dāng)量剛度變?。?-9］。

圖3為RF-AWC 控制框圖，ΔB0為立輥入口處板帶寬度偏差;ΔS為立輥實(shí)際變化量;ΔS*為輥縫調(diào)節(jié)量;ΔP為軋制力增量;G為增益系數(shù)。電控系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定，在結(jié)束頭尾SSC 或進(jìn)入帶鋼穩(wěn)定段后，開(kāi)始連續(xù)采樣10 個(gè)點(diǎn)，記錄位置和壓力信號(hào)并取平均值，從而得到鎖存值SL 和PL［10］。

圖3 RF-AWC 控制框圖Fig.3 RF-AWC block diagram

3 應(yīng)用效果分析

在軋制穩(wěn)定階段，分別在投入與切除RFAWC 時(shí)，從測(cè)寬儀中隨機(jī)抽取了50組第五道次采樣數(shù)據(jù)，中間坯寬度尺寸設(shè)定為275 mm，其除去頭尾段算得的寬度平均值偏差，如圖4 所示?？梢钥闯鰧挾戎笜?biāo)有明顯改善，基本滿(mǎn)足寬度上差在1.5 mm 的工程要求。同樣，在投入RF-AWC 后，寬度偏差的上下限較之前減小，偏差波動(dòng)范圍也減弱，有效控制了寬度精度，如圖5 所示為截取了兩幅較有代表性的測(cè)寬儀畫(huà)面，投入RF-AWC 后，軋制過(guò)程較為穩(wěn)定。

4 結(jié)論

窄帶鋼的寬度指標(biāo)較少得到關(guān)注，但隨著對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的日益提高以及縮減成本的迫切要求，控寬技術(shù)越來(lái)越受到重視。寬度控制系統(tǒng)在窄帶鋼軋機(jī)上的應(yīng)用較少，這次在窄帶鋼粗軋機(jī)上的成功投產(chǎn)，證明自動(dòng)寬度控制系統(tǒng)在窄帶鋼領(lǐng)域的可行性，一定程度上降低了窄帶鋼的寬度上偏差，減少了切邊率，提高了生產(chǎn)效率及成材率，滿(mǎn)足了廠(chǎng)方的寬度要求。

圖4 RF-AWC 效果對(duì)比圖Fig.4 RF-AWC effect comparison

圖5 RF-AWC 使用前后比較Fig.5 Comparison between width deviations before and after RF-AWC application

RF-AWC 的工作原理類(lèi)似于厚度計(jì)型AGC，以機(jī)架本身為測(cè)量?jī)x，通過(guò)磁尺檢測(cè)輥縫的變化量，壓頭檢測(cè)軋制力的變化量，根據(jù)彈跳方程推算出輥縫的實(shí)際調(diào)節(jié)量，將這個(gè)調(diào)節(jié)量疊加到位置閉環(huán)中，完成寬度自動(dòng)控制。

在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整數(shù)學(xué)模型中的變剛度系數(shù)a 以及軋制力反饋增益系數(shù)G 來(lái)調(diào)節(jié)立輥軋機(jī)的控寬特性，減小立輥輥縫的波動(dòng)量，提高軋機(jī)的響應(yīng)速度。還可以在計(jì)算機(jī)中通過(guò)仿真研究軋機(jī)的響應(yīng)特性，以及參數(shù)對(duì)寬度精度的影響。實(shí)踐證明RF-AWC 在窄帶鋼中的實(shí)用價(jià)值，可以在今后的工程中不斷改進(jìn)和推廣。

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