姬海燕

(中鋁上海銅業(yè)有限公司，上海 200940)

壓延銅箔是通過軋制工藝加工成的很薄的銅帶產(chǎn)品，具有優(yōu)良的物理及電氣特性。隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，其使用量越來越大，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)用計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、鋰離子蓄電池、民用及汽車電子產(chǎn)品等。

目前，市場對高精度銅帶箔材產(chǎn)品表面質(zhì)量和板形要求日益提高，箔材板形(即平直度)的好壞成為衡量銅箔質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。板形控制是銅箔軋制的核心技術(shù)，是提高銅箔成品率和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵工序。本文從銅箔板形產(chǎn)生的原因和特點(diǎn)進(jìn)行分析，詳細(xì)介紹了AFC自動(dòng)板形控制系統(tǒng)的控制模式及其在銅箔軋制中的應(yīng)用。

1 銅箔板形缺陷的產(chǎn)生

產(chǎn)品越薄，板形越難以控制，也越明顯。高精度銅箔板形的好壞取決于軋件寬度方向上各點(diǎn)縱向延伸是否相等。當(dāng)發(fā)生不均勻變形時(shí)，變形體內(nèi)的應(yīng)力分布也呈不均勻分布，由此產(chǎn)生的附加應(yīng)力在變形結(jié)束后留在變形體內(nèi)形成殘余應(yīng)力。當(dāng)變形體內(nèi)殘余應(yīng)力間的相互作用不能抵消，且超過銅箔材維持箔面剛性平衡的應(yīng)力水平時(shí)，軋制中的銅帶箔材將發(fā)生形狀失穩(wěn)，出現(xiàn)諸如中間波浪、兩邊波浪、單邊波浪或二肋波浪等形狀缺陷，松弛不均勻變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，使得銅箔材表面的平直度遭到破壞。由于軋制變形區(qū)內(nèi)變形情況的復(fù)雜性，易受外部其他因素的影響而具有很大的隨機(jī)性，軋件均勻變形的可能性不大，因此實(shí)際生產(chǎn)出的銅箔或多或少都帶有一定程度的不平度。

板形直觀來說就是指板帶材的翹曲度，其實(shí)質(zhì)是板帶材內(nèi)部殘余應(yīng)力的分布。只要板帶材內(nèi)部存在殘余應(yīng)力，即為板形不良。如殘余應(yīng)力不足以引起板帶翹曲，稱為“潛在”的板形不良；如殘余應(yīng)力引起板帶失穩(wěn)，產(chǎn)生翹曲，則稱為“表觀”的板形不良。常見的板形缺陷有邊部波浪、中間波浪、單邊波浪、二肋波浪和復(fù)合波浪等多種形式。

2 銅箔板形的特點(diǎn)及影響因素

2.1 銅箔軋制特點(diǎn)

銅箔與銅帶的區(qū)別在于厚度，一般來說國內(nèi)是以0.05mm來區(qū)分，美、日等國是以0.1mm來區(qū)分。由于銅箔很薄，力學(xué)性能明顯下降，對橫斷面上的變形不均非常敏感。軋制過程中，隨著軋件厚度的減小，各項(xiàng)工藝參數(shù)對軋制過程的影響逐漸發(fā)生變化，采用120mm輥徑的軋輥可正常軋制厚度0.07mm以上的帶材，用相同的軋制速度軋制0.06mm厚度的銅帶時(shí)，軋制壓力為軋制厚度0.07mm時(shí)的3倍，軋制壓力太大，軋制難以進(jìn)行，顯然按照最小可軋厚度公式h=3.58μKD分析，軋機(jī)已進(jìn)入軋輥壓靠狀態(tài)，進(jìn)一步增加軋制壓力只能增加軋輥的壓扁程度，對壓下量已經(jīng)不起作用。軋輥輥縫和軋制壓力在極薄銅箔軋制中逐漸減小甚至失去對壓下量的影響，而張力和軋制速度對壓下量的影響顯著增大，以致張力和速度調(diào)節(jié)成為控制銅箔厚度和板形的主要手段。

2.2 影響銅箔板形的主要因素

影響銅箔板形的因素分為內(nèi)因(金屬本身)和外因(軋制條件)兩個(gè)方面。金屬本身的物理性能(硬化特性、變形抗力等)直接影響軋制壓力的大小，與變形密切相關(guān)；金屬的幾何特性(板材的寬厚比、原料板凸度等)也是影響變形的一個(gè)重要因素。而軋制條件的影響更為復(fù)雜，凡是能影響軋制壓力及軋輥凸度的因素(例如摩擦條件、軋輥直徑、張力、軋制速度、彎輥力、磨損等)和能改變軋輥間接觸壓力分布的因素(例如軋輥外形、初始軋輥凸度)都可以影響板形。

2.2.1 軋制壓力對板形的影響

生產(chǎn)實(shí)踐表明，軋制生產(chǎn)過程中，隨著軋制壓力的增大，帶材板形有從中浪向邊浪過渡的趨勢，反之軋制力減小，則從邊浪向中浪過渡。軋制力對板形的影響是由于影響了軋輥的彈性變形進(jìn)而影響到帶材板形。

2.2.2 熱凸度對板形的影響

軋制過程中，金屬相對軋輥滑動(dòng)產(chǎn)生的熱量和金屬變形所釋放的熱量有一部分傳入軋輥，使軋輥溫度升高，這是軋制過程中軋輥的熱輸入。同時(shí)軋制油和空氣又從軋輥中帶走熱量，使其溫度降低，這是軋輥的熱輸出。在開軋后一段時(shí)間內(nèi)，軋輥熱輸入大于熱輸出，軋輥溫度逐漸升高，熱凸度也隨之增大；在某一特定規(guī)程中軋制若干帶卷后，軋輥熱輸入和熱輸出相等，處于熱平衡狀態(tài)，軋輥熱凸度也保持在一個(gè)穩(wěn)定值。一般來講，在特定的軋制規(guī)程下，板形工藝參數(shù)是依據(jù)穩(wěn)定的熱凸度設(shè)計(jì)的。

2.2.3 軋輥凸度及接觸狀態(tài)對板形的影響

合理選擇軋輥初始凸度，可使板形變化始終被限制在軋機(jī)控制能力之內(nèi)，這是獲得良好板形的重要保證。在相同軋制壓力和彎輥力作用下，不同軋輥輥形的承載輥縫不同，銅箔厚度較小時(shí)，經(jīng)常采用支承輥微凸度軋制。此外，軋輥輥形和表面粗糙度的均勻性對板形控制也相當(dāng)重要。粗糙度不均勻，相當(dāng)于輥面各部位摩擦因數(shù)不一致，軋制過程會(huì)造成軋材寬向上各部位變形大小不一致，而產(chǎn)生新一輪的不均勻變形。

2.2.4 張力對板形的影響

在銅箔軋制中，軋制壓力和彎輥力逐漸減小甚至失去對板厚和板形的影響，而張力和速度對壓下量的影響顯著增大，張力和速度調(diào)節(jié)成為控制銅箔厚度和板形的主要手段。張力對板形的影響體現(xiàn)在幾個(gè)方面，一是張力的改變可對軋輥的熱凸度產(chǎn)生影響；二是張力對軋制壓力的影響，而軋制壓力變化必然導(dǎo)致軋輥彈性變形發(fā)生變化；三是張力分布對金屬橫向流動(dòng)產(chǎn)生影響，當(dāng)張力沿橫向分布不均時(shí)，促使金屬發(fā)生明顯的橫向流動(dòng)，從而改變橫向延伸分布，即改變了銅箔的板形。

3 銅箔軋機(jī)AFC控制系統(tǒng)組成

3.1 空氣軸承板形輥

板形檢測輥是板形儀的關(guān)鍵部件，根據(jù)應(yīng)力檢測方法的不同大致可分為空氣壓差法、壓磁測力法和壓電位置傳感器法三種類型。銅箔軋機(jī)采用的是空氣壓差法，板形輥由IHI公司研制。其原理是通過安裝在軋機(jī)進(jìn)出口側(cè)的板形輥測量板形，該輥?zhàn)佑梢粋€(gè)固定的不銹鋼空心軸和空心軸外面一排彼此隔開的輥環(huán)(即轉(zhuǎn)子)組成，每一輥環(huán)為一測量段。向空心軸通入潔凈的壓縮空氣，空氣經(jīng)空心軸節(jié)流孔流入輥環(huán)和空心軸之間，形成氣墊，輥環(huán)懸浮在氣墊上，輥環(huán)相對靜止的空心軸可以自由旋轉(zhuǎn)，即所謂的空氣軸承，在每個(gè)輥環(huán)對應(yīng)的空心軸的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)有兩個(gè)壓力檢測孔，通過管路與壓差傳感器相連。其壓力檢測傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(即0～392N對應(yīng)1000～5000mV)，然后再通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換送入AFC計(jì)算機(jī)，通過AFC計(jì)算模型計(jì)算出每個(gè)輥環(huán)帶材的張力值。

軋制時(shí)箔材以適當(dāng)?shù)陌峭ㄟ^板形輥，當(dāng)箔材對輥環(huán)的壓力改變時(shí)氣墊的壓力也發(fā)生改變，輥環(huán)最高點(diǎn)、最低點(diǎn)的氣壓產(chǎn)生差異，沿徑向的每段輥環(huán)下的兩個(gè)測壓孔測出氣壓差。顯然，箔材延伸大的部位對輥環(huán)壓力小，延伸小的部位對輥環(huán)壓力大，這樣通過板形輥就可以檢測出箔材寬向不同部位的應(yīng)力分布，即寬向的板形分布。

3.2 系統(tǒng)硬件組成

如圖1所示，板形系統(tǒng)硬件系統(tǒng)由板形控制中心(AFC計(jì)算機(jī)、PLC、Ethernet HUB)、操作單元(AFC HMI人機(jī)界面、板形輥操作盤)、檢測單元(板形輥)和板形控制執(zhí)行單元(冷卻閥站、AFC空氣閥站)組成。軋制過程中，由板形輥檢測出帶材實(shí)際板形，送入PLC及AFC計(jì)算機(jī)，由AFC計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理后與目標(biāo)板形進(jìn)行比較得出偏差值，從而得出控制板形曲線，通過與AFC計(jì)算機(jī)中的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行比較，選擇合適的控制模式及修正信號(hào)由PLC控制相應(yīng)的執(zhí)行器執(zhí)行操作。同時(shí)AFC控制單元通過以太網(wǎng)與軋機(jī)主控制器、診斷PC和維護(hù)PC通訊。

圖1 AFC系統(tǒng)硬件組成圖

4 銅箔軋機(jī)板形測量及控制模式選擇

4.1平直度測量及控制板形計(jì)算(圖2)

圖2 板形輥轉(zhuǎn)子和噴嘴區(qū)域號(hào)

每個(gè)板形輥單位張力定義為：

式中，Ta——單位張力平均值；

W(i,nt)——板形輥垂直壓力；

θ——包角；

i——板形輥通道號(hào)；

Rw——板形輥轉(zhuǎn)子寬度；

St——帶材厚度。

原始板形即為：Shr(i,nt)=T(i,nt)-Ta；

目標(biāo)板形為：Tsh(i)，(I:區(qū)域號(hào))；

得出控制板形為：Csh(i,nt)=Shd(i,nt)-Tsh(i)；

對控制板形進(jìn)行傅里葉分析：Csh(i,nt)=A0+A1cos(φx)+A2cos(2φx)；

j=i-ss。

這里作為公式中的系數(shù)：

4.2 根據(jù)控制板形曲線采取相應(yīng)的控制模式

銅箔軋機(jī)中參與板形控制的手段主要是軋制力控制、傾斜控制、工作輥彎輥控制和冷卻控制。在控制板形傅里葉分析得出的方程中，系數(shù)A1是一次余弦波的振幅，正的A1代表中浪，負(fù)的A1代表邊浪；系數(shù)A2是二次余弦波的振幅，正的A2代表四分之一浪，負(fù)的A2代表邊浪和中浪。當(dāng)出現(xiàn)單邊浪時(shí)，可通過調(diào)整操作側(cè)和傳動(dòng)側(cè)兩邊的軋制力來實(shí)現(xiàn)，也就是傾斜控制。當(dāng)出現(xiàn)雙邊浪時(shí)，可能是軋制力過大、軋輥凸度過小或者正彎輥偏小引起的，可通過減小軋制力、增大正彎輥力、增大軋輥凸度來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)出現(xiàn)中浪時(shí)可以減小軋輥凸度和正彎輥力來實(shí)現(xiàn)。如果出現(xiàn)四分之一浪或者復(fù)合浪時(shí)，則主要是軋輥輥身磨損不均勻或工作輥冷卻不均勻引起，主要通過換輥及冷卻控制(圖3)。

圖3 AFC控制模式選擇

5 銅箔軋機(jī)冷卻控制原理

在上述幾種板形控制方式中，工藝?yán)鋮s控制發(fā)揮著越來越重要的作用。軋制過程中工作輥輥形的變化主要來源于溫度的干擾，其中軋材產(chǎn)生的變形熱是使軋輥溫度上升的主要原因，為了獲得良好的板形，必須對輥形的變化給予及時(shí)有效的糾正。據(jù)統(tǒng)計(jì)，板形控制70%靠工藝?yán)鋮s，30%靠彎輥。當(dāng)銅箔軋制進(jìn)入負(fù)輥縫軋制時(shí)彎輥已經(jīng)不起作用，板形控制100%依靠工藝?yán)鋮s軋輥表面的不同部位來完成。工藝油沖刷輥面的作用之一是為了導(dǎo)出并降低產(chǎn)生波浪處輥面過高的溫度，使軋輥弧度及其形狀符合板形控制的要求。根據(jù)熱傳導(dǎo)規(guī)律，兩物質(zhì)間溫差越大，熱傳導(dǎo)速度越快，降低工藝油溫比改變工藝油噴射流量更能有效控制輥形。工藝油溫低對板形控制速度有利，而油溫高能增加軋輥的熱容，對軋輥輥形的穩(wěn)定有利。

銅箔軋機(jī)輥系左右兩邊上下各有兩排噴嘴，一個(gè)板形輥轉(zhuǎn)子數(shù)對應(yīng)兩個(gè)噴嘴(16個(gè)板形輥通道對應(yīng)32個(gè)噴嘴)，一排是工作輥冷卻噴嘴，一排是輥縫冷卻噴嘴。冷卻方式分為主冷卻和輔助冷卻(熱油)，主冷卻包括工作輥冷卻和輥縫冷卻，輔助冷卻(熱油)和工作輥噴嘴共用一排噴嘴，采用輔助冷卻時(shí)，工作輥和輥縫噴嘴關(guān)閉。輔助噴射熱油是為了保持軋輥弧度及其形狀符合板形控制的要求。每一個(gè)噴嘴的控制采用電磁閥-空氣閥二級控制方式，由壓縮空氣使閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，電磁閥控制壓縮空氣的通斷，當(dāng)電磁閥關(guān)閉通向閥的壓縮空氣時(shí)，工藝油靠自身壓力往后推動(dòng)柱塞打開閥門，電磁閥工作條件大為改善，噴嘴啟閉的可靠性也大大提高。 即通過AFC計(jì)算機(jī)計(jì)算出每一個(gè)電磁閥應(yīng)該開啟還是關(guān)閉，然后將信號(hào)傳給PLC，由PLC相關(guān)電磁閥的控制程序執(zhí)行電磁閥的通斷動(dòng)作，然后控制空氣閥的通斷，從而來控制軋制油噴射或者不噴射，PLC冷卻控制一個(gè)掃描周期是3s。

銅箔軋機(jī)分為主冷卻控制和輔助冷卻控制，工作輥噴射和輥縫噴射屬于主冷卻，噴射冷油，溫度為10～20℃。輔助冷卻噴射熱油，溫度約為80℃，熱油由工作輥噴嘴噴出，采用輔助冷卻方式時(shí)，該噴嘴區(qū)域的工作輥冷卻和輥縫冷卻關(guān)閉。

噴射形式由控制板形和板形限幅來決定，表1為控制板形在不同板形區(qū)間冷卻噴嘴的狀態(tài)和流量情況。

表1 不同控制板形的噴嘴狀態(tài)和流量

表1中ON是開，OFF是關(guān)，ALT是一種交替噴射狀態(tài)。L1x、L2x、L3x、L4x、L5x是5個(gè)主冷卻板形控制參數(shù)，可以在HMI上人工設(shè)置。同理，對于輔助冷卻也有兩個(gè)這樣的參數(shù)，分別是Lh01、Lh02。這些參數(shù)的單位是I，通過AFC計(jì)算機(jī)計(jì)算出每一個(gè)噴嘴區(qū)域的控制板形，在計(jì)算機(jī)程序中會(huì)分別與這些參數(shù)進(jìn)行比較，調(diào)用不同的控制程序，然后得出每一個(gè)噴嘴的開關(guān)狀態(tài)和噴射流量，由AFC計(jì)算機(jī)將計(jì)算結(jié)果傳給PLC程序，再由PLC程序控制每一個(gè)噴嘴對應(yīng)的電磁閥的開關(guān)狀態(tài)，從而控制各個(gè)噴嘴的噴射狀態(tài)。

6 應(yīng)用實(shí)例分析

實(shí)際的板形控制往往非常復(fù)雜，是上述幾種控制模式的組合，雖然有自動(dòng)板形控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，但也需要在實(shí)踐中根據(jù)不同帶材材料、規(guī)格及軋制工藝選擇合適的目標(biāo)板形和板形參數(shù)進(jìn)行預(yù)制。如果軋輥凸度選擇不合適及輥面磨削質(zhì)量不好，不僅帶材板形不好，還容易引起斷帶。生產(chǎn)初期采用的是支承輥平輥，結(jié)果引起斷帶無法正常軋制。后來經(jīng)過研究分析及實(shí)踐，采用上下支承輥凸度，總凸度值約0.25mm，獲得了較好的板形效果。工作輥采用平輥，對軋輥磨削質(zhì)量提出很高的要求，大大改善了板形和帶材表面質(zhì)量。目標(biāo)板形的選擇和板形參數(shù)的設(shè)置也非常重要，在試生產(chǎn)過程中，根據(jù)掌握的銅箔軋機(jī)板形控制原理經(jīng)過大量的實(shí)踐和優(yōu)化，總結(jié)出各規(guī)格銅箔軋制所采用的板形控制措施及各參數(shù)的設(shè)置值。

以在“X”型銅箔軋機(jī)上采用合適的軋輥凸度、軋輥表面質(zhì)量、合理的軋制工藝和板形控制手段并獲得良好板形為例，表2是軋輥參數(shù)，表3是軋制工藝參數(shù)，表4是OS側(cè)目標(biāo)板形設(shè)定值，表5是DS側(cè)目標(biāo)板形設(shè)定值。

表2 軋輥參數(shù)

表3 軋制工藝參數(shù)

表4 目標(biāo)板形 OS側(cè)

表5 目標(biāo)板形DS側(cè)

穩(wěn)定軋制時(shí)，板形偏差可以維持在0～3I左右，板形控制效果很好。通過大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，銅箔軋機(jī)在AFC自動(dòng)板形系統(tǒng)投入的情況下，依據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)選擇適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)板形，在95%以上箔材長度的范圍內(nèi)板形平直度均可獲得0～3I以內(nèi)，表明該AFC系統(tǒng)對銅箔生產(chǎn)具有很好的控制精度。

7 結(jié)論

本文通過對銅箔板形缺陷產(chǎn)生的原因及銅箔軋制特點(diǎn)的分析，描述了軋制過程中影響銅箔板形的幾個(gè)重要因素。在介紹銅箔軋機(jī)AFC自動(dòng)板形控制系統(tǒng)硬件組成、板形控制計(jì)算公式及控制模式中重點(diǎn)闡述了冷卻控制的原理及其在銅箔軋制中的突出作用。掌握銅箔軋機(jī)板形控制理論是為了指導(dǎo)生產(chǎn)，從而軋出高質(zhì)量的銅箔產(chǎn)品，實(shí)踐證明,合理的制定目標(biāo)板形曲線及參數(shù)設(shè)置，調(diào)整冷卻控制的相關(guān)參數(shù)及流量設(shè)置，對銅箔板形出現(xiàn)的邊浪、中浪、復(fù)合浪起到了良好的實(shí)際應(yīng)用效果。

[1] 孫一康.冷熱軋板帶軋機(jī)的模型與控制.北京:冶金工業(yè)出版社,2010.

[2] 劉華.鋁箔軋機(jī)板形控制的仿真研究[D]. 北京:北京科技大學(xué),2007.F

[3] 王國棟.板形控制和板形理論 [M].北京: 冶金工業(yè)出版社,F1986：225.F

[4]AFCOPERATIONPROCEDURE.IHIMETALTECH.

[5]AFCHMIOPERATIONPROCEDURE.IHIMETALTECH.