供稿|葛樹海，趙小龍，羅曉陽(yáng)，趙占彪 /

板形包括帶鋼的橫截面凸度和軋制方向上的平坦度或平直度。板形的軋制缺陷主要來(lái)源于軋機(jī)。板形自動(dòng)控制系統(tǒng)(Automatic Shape Control，簡(jiǎn)稱ASC)是在保證帶鋼長(zhǎng)度方向獲得均勻的平直度，保證產(chǎn)品板形質(zhì)量的重要控制系統(tǒng)，板形自動(dòng)控制系統(tǒng)己成為板帶材生產(chǎn)中不可缺少的組成部分[1-2]。

在現(xiàn)代化的生產(chǎn)中，先進(jìn)的板形自動(dòng)控制系統(tǒng)以及在系統(tǒng)中所應(yīng)用的模型精度成為板形控制和生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品的關(guān)鍵。作為冷軋?jiān)系腃SP熱軋鋼卷力學(xué)性能分布的均勻性、冷軋軋輥使用規(guī)范、計(jì)劃過(guò)渡的合理性，操作者嫻熟的操作技能和控制策略等工藝技術(shù)在板形控制中也扮演著很重要的角色。酒鋼1800冷連軋機(jī)組選用了UCM冷連軋機(jī)，配備了先進(jìn)的板形自動(dòng)控制系統(tǒng)，包括液壓彎輥技術(shù)、傾輥控制技術(shù)、中間輥竄輥技術(shù)及末機(jī)架分段冷卻技術(shù)等，具有較強(qiáng)的板形控制能力。

酒鋼1800冷連軋機(jī)板形控制系統(tǒng)

板形控制系統(tǒng)組成

酒鋼1800冷連軋機(jī)組由5個(gè)機(jī)架組成。該冷連軋機(jī)組使用的板形控制手段包括壓下傾斜(F5)、工作輥正負(fù)彎輥(F1～F5)、中間輥軸向竄輥(F1～F5)、中間輥正彎輥(F1～F5)和F5工作輥33段精細(xì)分區(qū)冷卻。為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)板形，在酒鋼1800冷連軋軋機(jī)出口側(cè)安裝了接觸式板形儀進(jìn)行檢測(cè)和反饋控制，以實(shí)現(xiàn)板形的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定軋制，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

板形控制系統(tǒng)由三部分組成：用于決定帶鋼張力分配的板形測(cè)量系統(tǒng)；用于數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)和軋機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)命令計(jì)算的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；用于軋機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)定的板形控制系統(tǒng)。

板形控制特點(diǎn)及基本原理

酒鋼1800冷連軋板形自動(dòng)控制系統(tǒng)，分為預(yù)設(shè)定控制模塊、軋制力-彎輥力前饋控制模塊和閉環(huán)反饋控制模塊。

(1) 預(yù)設(shè)定模塊。

根據(jù)來(lái)料板形，中間輥、工作輥進(jìn)行彎輥預(yù)設(shè)定。根據(jù)來(lái)料寬度，中間輥進(jìn)行竄輥預(yù)設(shè)定。帶鋼頭部進(jìn)入冷連軋機(jī)組之前，軋機(jī)的各個(gè)板形調(diào)控機(jī)構(gòu)都應(yīng)具有預(yù)設(shè)定值，以保證閉環(huán)反饋控制模型投入前所軋帶鋼的板形良好，為閉環(huán)反饋控制提供較好的起點(diǎn)。作為閉環(huán)反饋控制的調(diào)控起點(diǎn)，對(duì)反饋控制效果有一定的影響。預(yù)設(shè)定控制模型采用表格設(shè)定法，同時(shí)帶有設(shè)定值自適應(yīng)模塊，能根據(jù)同種規(guī)格和材質(zhì)的來(lái)料板形狀況相似的特點(diǎn)利用當(dāng)前帶鋼正常軋制中的實(shí)測(cè)參數(shù)對(duì)預(yù)設(shè)定表格中的設(shè)定值進(jìn)行優(yōu)化。預(yù)設(shè)定彎輥力在F1～F5機(jī)架都有設(shè)定。板形控制系統(tǒng)中，各機(jī)架的預(yù)設(shè)定和在線板形調(diào)整見表1所示。

表1 1800冷連軋機(jī)板形控制預(yù)設(shè)定與在線調(diào)整

(2) 軋制力-彎輥力前饋控制模式。

軋制力及其分布是對(duì)板形影響最大的因素之一，在軋制過(guò)程中，軋制力頻繁波動(dòng)會(huì)對(duì)板形造成影響。為了快速消除軋制力波動(dòng)對(duì)板形的干擾，需根據(jù)軋制力的波動(dòng)調(diào)整F1～F5的工作輥和中間輥彎輥力對(duì)帶鋼板形實(shí)施快速的前饋控制。

(3) 閉環(huán)反饋控制模塊。

自動(dòng)板形控制使用安裝在軋機(jī)出口側(cè)的板形儀進(jìn)行檢測(cè)和反饋控制，使所軋的鋼板板形更接近于目標(biāo)板形，見圖1。在自動(dòng)板形控制系統(tǒng)中，按照?qǐng)D解的方法近似的把所軋制的帶鋼以帶鋼中心點(diǎn)為界點(diǎn)，分為對(duì)稱部分和非對(duì)稱部分，然后用數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行分析。對(duì)稱部分使用工作輥和中間輥彎輥來(lái)調(diào)整，而非對(duì)稱部分是用液壓壓上缸來(lái)進(jìn)行傾輥調(diào)整。復(fù)雜板形在末機(jī)架進(jìn)行乳化液分區(qū)控制，板形控制系統(tǒng)功能和控制對(duì)象如表2 所示。

圖1 自動(dòng)板形控制閉環(huán)反饋控制

表2 1800冷連軋機(jī)板形控制系統(tǒng)功能和控制對(duì)象

在線板形人工調(diào)整只能在F5機(jī)架進(jìn)行。根據(jù)板形儀反饋的軋機(jī)實(shí)際出口板形情況，F(xiàn)5機(jī)架進(jìn)行分區(qū)冷卻自動(dòng)控制，同時(shí)保留了手動(dòng)干預(yù)。手動(dòng)干預(yù)主要是對(duì)彎輥和軋機(jī)傾輥的處理。當(dāng)F5機(jī)架進(jìn)行彎輥和傾輥調(diào)整時(shí)，分區(qū)冷卻自動(dòng)板形控制關(guān)閉；當(dāng)手動(dòng)干預(yù)結(jié)束，自動(dòng)板形控制又會(huì)自動(dòng)投入。

板形測(cè)量輥

酒鋼1800冷連軋配置ABB分段接觸式壓電板形測(cè)量輥，其結(jié)構(gòu)內(nèi)層為鋼質(zhì)芯軸，芯軸沿圓周方向有凹槽，裝有壓力傳感器；外層是經(jīng)硬化處理的熱壓鋼環(huán)，鋼環(huán)的分段寬度是52 mm，邊部為26 mm。在軋制過(guò)程中，帶鋼壓在板形測(cè)量輥上并形成包角，在板形測(cè)量輥上產(chǎn)生帶鋼張力，由此進(jìn)行板形檢測(cè)；將檢測(cè)到的板形曲線輸出到HMI上，同時(shí)參與乳化液模糊控制。

乳化液分區(qū)冷卻控制

乳化液分區(qū)冷卻控制技術(shù)就是通過(guò)調(diào)整乳化液的分段流量，改變軋輥的局部熱膨脹變形，是軋制薄板最有效的板形控制手段[3]。在末機(jī)架(F5)軋制速度較高，軋輥的溫度較高，必然出現(xiàn)熱凸度，由于軋輥輥身的溫度分布十分不均勻，因此輥身的熱凸度也必然出現(xiàn)不均現(xiàn)象，從而造成帶鋼的復(fù)合波、二次諧波等利用彎輥較難解決的局部板形缺陷。帶鋼進(jìn)入輥縫之前，在帶鋼表面噴淋乳化液可起到減輕熱凸度的作用，從而達(dá)到改善板形的目的。酒鋼1800冷連軋F(tuán)5機(jī)架配置了乳化液分區(qū)冷卻控制，其控制原理遵照模糊控制原理，具體控制思路：

(1) 控制帶鋼板形偏差量的數(shù)量。

如果帶鋼板形偏差量是正值，那么就可以噴淋乳化液和冷卻軋輥來(lái)抑制軋輥的膨脹，這樣就可減少偏差。如果是負(fù)值，就停止噴淋乳化液直到輥?zhàn)佑捎谲堉坪蜔崤蛎浂俅巫儫?，這樣就可減少帶鋼板形的偏差。

(2) 控制帶鋼板形偏差隨時(shí)間的變化。

如果帶鋼板形隨時(shí)間的偏差增大，這就意味著可以通過(guò)噴淋乳化液來(lái)進(jìn)行板形調(diào)整。因此，系統(tǒng)可以使用乳化液噴淋來(lái)修正帶鋼板形。另一方面，如果帶鋼板形隨時(shí)間的偏差減少，這表示可以關(guān)閉噴淋嘴來(lái)進(jìn)行帶鋼板形的修正，即應(yīng)當(dāng)停止噴淋乳化液。

(3) 控制帶鋼板形偏差的特殊變化。

如果在帶鋼板形局部地方出現(xiàn)偏差，可以在出現(xiàn)偏差部位噴淋乳化液來(lái)抑制此處的膨脹，從而達(dá)到改善板形的目的。

加減速補(bǔ)償

加速階段，工作輥彎輥力小于零，板形的偏差Δε從帶鋼中心到邊部先增加后減少呈對(duì)稱分布；而在減速階段，板形的偏差Δε從帶鋼中心到邊部先減少后增加，見表3。為了消除在加減速期間由于軋制力的變化所引起的帶鋼板形的偏差，酒鋼1800冷連軋機(jī)采用了彎輥補(bǔ)償控制。即在加減速期間，對(duì)工作輥和中間輥彎輥力進(jìn)行補(bǔ)償，減少加減速期間板形的波動(dòng)。

表3 加減速階段實(shí)際板形偏差和工作輥彎輥力

彎輥力飽和處理

酒鋼1800冷連軋?jiān)O(shè)置了彎輥力飽和處理程序。如果工作輥和中間輥的彎曲達(dá)到飽和并且達(dá)到上限或者下限，那么彎曲部分就會(huì)發(fā)生移動(dòng)，從而破壞工作輥和中間輥。因此，如果控制了一側(cè)的彎曲飽和，那么就可以通過(guò)識(shí)別軋制帶鋼寬度方向上的板形數(shù)據(jù)來(lái)控制另一側(cè)的輸出值。在這種情況下，中間輥彎輥飽和(已經(jīng)達(dá)到了上限)，如果這時(shí)通過(guò)工作輥彎輥的識(shí)別量來(lái)控制工作輥彎輥，那么帶鋼板形將會(huì)出現(xiàn)很大的邊浪。因此，工作輥彎輥的控制值是由所有帶鋼寬度方向上板形數(shù)據(jù)來(lái)識(shí)別的。

板形控制系統(tǒng)原理圖

酒鋼1800冷連軋板形控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)的控制系統(tǒng)，如圖1所示，實(shí)際生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)了在線實(shí)時(shí)檢測(cè)與分析控制。板形儀檢測(cè)出帶鋼的板形信號(hào)，發(fā)送到HMI用于人工監(jiān)視的同時(shí)發(fā)給PLC，由PLC進(jìn)行處理。系統(tǒng)獲得板形分量的實(shí)測(cè)值與目標(biāo)曲線值的偏差后，經(jīng)PLC輸出調(diào)整值給軋機(jī)調(diào)整機(jī)構(gòu)如彎輥、傾斜、分區(qū)冷卻以及通過(guò)調(diào)整軋制力、張力控制板形，形成一套閉環(huán)的板形控制系統(tǒng)。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際板形控制策略

板形在線調(diào)整及控制

對(duì)于崗位操作而言其板形的在線調(diào)整主要包括兩方面的內(nèi)容：板形曲線的選取和手動(dòng)調(diào)整；末機(jī)架調(diào)整手段的應(yīng)用(工作輥、中間輥的彎輥、傾斜、F5機(jī)架乳化液分區(qū)冷卻)。在實(shí)際生產(chǎn)中板形缺陷通常比較復(fù)雜，以復(fù)合浪的形式出現(xiàn)，所以各種手段要配合使用，以達(dá)到板形控制目標(biāo)。

◆ 目標(biāo)板形曲線選取和設(shè)定

在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)HMI修改系數(shù)，對(duì)目標(biāo)板形曲線進(jìn)行設(shè)定。板形曲線的形成、設(shè)定和完善要經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的調(diào)試和修改。板形曲線的設(shè)定與許多因素有關(guān)，包括原料的凸度和平直度、軋后板形的狀況、后部工序的要求、軋輥的輥形及軋制過(guò)程中的熱凸度、張力、板寬等。

◆ F5機(jī)架在線調(diào)整手段應(yīng)用(1) 工作輥和中間輥的彎輥。

彎輥調(diào)整分為正彎和負(fù)彎，原理是通過(guò)改變軋輥輥系的凸度來(lái)以改變輥縫的形狀和軋后帶鋼的延伸橫向分布，達(dá)到板形控制的目的。雙邊浪、中浪要通過(guò)F5機(jī)架工作輥彎輥力調(diào)整；雙肋浪要配合中間輥彎輥進(jìn)行調(diào)整。

(2) 傾輥控制。

軋輥的傾斜控制主要針對(duì)單邊浪或三次非對(duì)稱浪形缺陷。主要是通過(guò)F5機(jī)架液壓AGC缸對(duì)軋機(jī)實(shí)現(xiàn)傾斜控制，以消除不良的板形缺陷。

(3) F5機(jī)架的多區(qū)冷卻控制。

依據(jù)板形輥的閉環(huán)控制反饋信號(hào)自動(dòng)調(diào)整流量和噴射壓力以控制軋輥的熱凸度來(lái)控制板形，此方法可以調(diào)整比較復(fù)雜的浪形缺陷，噴射角度的調(diào)整依靠人工調(diào)整。

對(duì)原料板形要求

冷軋過(guò)程中，板形具有一定遺傳性，即熱軋板形不良缺陷會(huì)按照冷軋相對(duì)壓下率而遺傳到冷軋。為了控制帶鋼板形，必須對(duì)原料板形做出要求。要求熱軋?jiān)狭W(xué)性能均勻，原料平直度≤150 I，原料楔形小于40 μm，鐮刀彎＜25 mm/10 m，原料板凸度≤50 μm(C40)。

換輥制度優(yōu)化控制板形

優(yōu)化軋輥輥役，保證軋輥輥形以提高板形控制的精度。因此，要制定合理的支承輥輥役和工作輥輥役，建立比較完善的換輥制度。正常軋制時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)定的軋制公里數(shù)進(jìn)行更換軋輥，特殊情況下軋機(jī)操作者可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)軋制帶鋼的板形情況進(jìn)行控制，但不可超過(guò)輥役量的15%。

軋制計(jì)劃合理過(guò)渡

在編排生產(chǎn)計(jì)劃時(shí)，將板形比較難控制的薄規(guī)格安排在輥役的前中期，防止后期軋輥磨損嚴(yán)重導(dǎo)致板形不良缺陷。寬度跳躍規(guī)定不能超過(guò)200 mm，為了保證動(dòng)態(tài)變規(guī)格期間中間輥竄輥?lái)樌?，必須保證窄帶鋼為軟鋼。

彎輥力預(yù)設(shè)定優(yōu)化

對(duì)F1～F4機(jī)架彎輥力進(jìn)行優(yōu)化，適度增加F1～F4機(jī)架彎輥力，減少了F5機(jī)架彎輥力負(fù)荷，調(diào)整并確保F5機(jī)架的實(shí)際彎輥力與設(shè)定值相差在15%以內(nèi)，減少在動(dòng)態(tài)變規(guī)格期間F5機(jī)架因過(guò)大的彎輥力導(dǎo)致帶鋼頭部出現(xiàn)較大的雙邊浪，滿足帶鋼板形控制的要求。

現(xiàn)場(chǎng)板形控制效果

針對(duì)1800冷連軋機(jī)組下線的冷硬卷帶鋼的實(shí)際板形數(shù)據(jù)，不同厚度規(guī)格帶鋼板形在±1.3 I單位以內(nèi)，板形控制良好。1800冷連軋機(jī)組下線冷硬卷產(chǎn)品，下游工序板形投訴率低于0.5‰，板形控制能力較強(qiáng)。

結(jié)束語(yǔ)

酒鋼1800冷連軋機(jī)組，采用六輥五機(jī)架UCM連軋機(jī)，同時(shí)配備了彎輥、竄輥、傾輥和分區(qū)冷卻等先進(jìn)的控制手段，搭配在線ABB板形測(cè)量?jī)x構(gòu)成了優(yōu)良的板形控制系統(tǒng)。生產(chǎn)的冷硬卷帶鋼板形優(yōu)良，尺寸精度良好，較好滿足了下游工序?qū)︿摪灏逍蔚囊蟆?/p>

[1] 鄭申白，曾慶亮，李子林. 軋制過(guò)程自動(dòng)化控制. 北京：冶金工業(yè)出版社，2002

[2] 孫一康. 帶鋼熱連軋的模型與控制. 北京：冶金工業(yè)出版社，2005

[3] 張小平，張少琴，張進(jìn)之，等. 板形理論與板形控制技術(shù)的發(fā)展.塑性工程學(xué)報(bào)，2005(12)：11