韓 慶， 荊豐偉， 李立剛

(北京科技大學(xué) 高效軋制國家工程研究中心，北京 100083)

鋁合金中厚板在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的航天航空、交通運(yùn)輸和國防工業(yè)等許多領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用[1]。同時(shí)高精度鋁板產(chǎn)品性能及精度要求嚴(yán)格、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、技術(shù)含量高[2]。由于軋機(jī)輥縫中的軋件厚度至今尚無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)直接測量，所以在熱連軋或冷軋鋁帶的軋制過程中，一種最常見的厚度控制方法是通過安裝在軋機(jī)出口的測厚儀對板帶厚度進(jìn)行測量，以此作為反饋信號來調(diào)節(jié)軋機(jī)輥縫，實(shí)現(xiàn)對厚度的實(shí)時(shí)控制。而對單機(jī)架的鋁板熱軋機(jī)而言，一方面有的沒有安裝測厚儀，另一方面有的雖然安裝了測厚儀，但由于軋機(jī)出口機(jī)械設(shè)備的限制，使得測厚儀距離軋機(jī)較遠(yuǎn)，同時(shí)又因?yàn)閱螜C(jī)架熱軋機(jī)的軋制速度較慢，使得厚度反饋信號延遲較大，無法用來實(shí)時(shí)控制厚度，所以基于軋機(jī)彈跳方程，利用軋制力反饋信號及輥縫反饋信號間接測量厚度的壓力AGC(軋制力AGC)系統(tǒng)在這一類軋機(jī)上得以被廣泛應(yīng)用[3]。

目前，不少學(xué)者對壓力AGC厚度控制方法和策略進(jìn)行了大量的研究[3-9]，但常規(guī)壓力AGC由于軋機(jī)剛度系數(shù)C和軋件塑性系數(shù)Q無法準(zhǔn)確獲得，壓力AGC存在正反饋區(qū)域，無法做到精確控制厚度。另外，軋制過程中軋機(jī)的特性也是不斷變化的，比如軋輥熱膨脹和軋輥磨損會(huì)引起軋機(jī)剛度和實(shí)際輥縫的變化。而且，AGC控制采用純比例方法，無法做到快速消除厚差，輥縫調(diào)節(jié)精度很難滿足鋁合金中厚板的質(zhì)量要求。

本文針對某鋁廠3300mm粗軋機(jī)生產(chǎn)線在熱軋鋁板時(shí)厚度控制精度差的問題，對采用電動(dòng)和液壓壓下的單機(jī)架4輥可逆式軋機(jī)厚度控制方法進(jìn)行了研究，提出了利用末兩道次軋制力相等時(shí)軋機(jī)彈跳相同的原理，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際提出了一種新型的鋁合金中厚板厚度控制方法，所述方法能夠在不依賴測厚儀的情況下，進(jìn)行精確的厚度控制，以保證鋁板厚度公差落在允許范圍內(nèi)的目的。

1 鋁板厚度超差原因

鋁合金中厚板厚度超差[10-12]或全長厚度不均勻的原因是多方面的，主要有以下幾個(gè)：

(1)軋制節(jié)奏不穩(wěn)定，造成溫度模型預(yù)報(bào)精度降低；

(2)板材頭部溫度比中部低，造成頭部軋制力偏大，在當(dāng)前道次輥縫不變情況下，頭部厚度比本體大，且經(jīng)過多道次累加，在末道次時(shí)，易造成頭部厚度與目標(biāo)值偏差過大；

(3)咬入時(shí)產(chǎn)生較大沖擊，軋制力波動(dòng)較大，壓下螺絲和軋機(jī)牌坊的間隙，液壓缸內(nèi)油柱產(chǎn)生彈性回縮，都將引起軋輥輥縫波動(dòng)；

(4)鋁板軋制在粗軋機(jī)進(jìn)行，但粗軋機(jī)一般都缺少測厚儀，或者由于設(shè)備布置原因測厚儀離軋機(jī)較遠(yuǎn)造成控制上的滯后，導(dǎo)致監(jiān)控AGC無法使用。

基于上述原因，熱軋鋁板多采用人工卡量厚度，操作工憑經(jīng)驗(yàn)實(shí)時(shí)調(diào)整輥縫的方法，往往導(dǎo)致同板差較大，成材率低。

2 控制方法研究

基于軋機(jī)彈跳方程，利用相鄰道次在軋制力相等情況下軋機(jī)彈跳相同的原理，對軋件咬入前熱軋數(shù)學(xué)模型的輥縫設(shè)定和軋件咬入后輥縫在自動(dòng)厚度控制系統(tǒng)即壓力AGC作用下的控制方法進(jìn)行了研究。

2.1 咬入前輥縫設(shè)定

根據(jù)軋機(jī)彈跳原理，倒數(shù)第2道次和末道次的彈跳方程分別如式(1)和式(2)：

(1)

(2)

式中，hi為目標(biāo)出口厚度，Si為道次輥縫，Pi為道次軋制力，C為軋機(jī)剛度系數(shù)。則有如下推導(dǎo)：

(3)

那么，當(dāng)P1=P2時(shí)，有h1-S1=h2-S2。由此可知，在末兩道次軋制力相等的條件下，倒數(shù)第2道次與末道次的彈跳量是相等的，這樣，在已知倒數(shù)第2道次實(shí)際輥縫和實(shí)際厚度的基礎(chǔ)上，即可計(jì)算出末道次次輥縫，即：

(4)

2.2 電動(dòng)壓下定位偏差補(bǔ)償

粗軋機(jī)輥縫的調(diào)節(jié)需要通過軋機(jī)自動(dòng)位置控制(APC，Automatic Position Control)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。APC是板帶生產(chǎn)過程中自動(dòng)厚度控制AGC的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從軋制力的來源上分為全電動(dòng)、全液壓、電動(dòng)+液壓3種，鋁熱粗軋機(jī)為電液混合。如圖1所示，縱坐標(biāo)S表示軋機(jī)輥縫，橫坐標(biāo)t表示時(shí)間，Sa表示板坯在軋制過程中的平均輥縫；Sr表示設(shè)定輥縫；Sb表示板坯進(jìn)入軋機(jī)前的實(shí)際空載平均輥縫；ΔSab表示電動(dòng)壓下的彈跳量；ΔSrb表示電動(dòng)壓下定位偏差；tin表示板坯進(jìn)入軋機(jī)時(shí)刻。對于需要大行程調(diào)節(jié)輥縫的軋機(jī)，一般采用電動(dòng)和液壓組合壓下，電動(dòng)壓下用于無負(fù)載情況下大范圍粗調(diào)軋機(jī)輥縫，液壓壓下用于小范圍精調(diào)軋機(jī)輥縫。由于電動(dòng)壓下的壓下絲桿與螺母之間存在間隙，在板坯進(jìn)入軋機(jī)后，電動(dòng)輥縫會(huì)產(chǎn)生一個(gè)彈跳量，該彈跳量一般為0.3mm～0.5mm，即電動(dòng)壓下的定位偏差ΔSrb。由于電動(dòng)輥縫反饋容易受安裝精度、軋機(jī)振動(dòng)的影響，因此很多情況下液壓壓下無法實(shí)時(shí)補(bǔ)償計(jì)算的電動(dòng)輥縫偏差，否則軋機(jī)輥縫容易產(chǎn)生較大波動(dòng)甚至引起振蕩。電動(dòng)壓下只能在空載情況下動(dòng)作，且液壓壓下僅在空載情況下補(bǔ)償電動(dòng)輥縫。

圖1 軋機(jī)咬入前后輥縫變化示意圖Fig.1 Schematic diagram of roll gap change before and after rolling mill bite

基于軋機(jī)彈跳方程，在末兩道次軋制力相等的情況下，倒數(shù)第2道次咬入前后電動(dòng)壓下的定位偏差與末道次咬入前后電動(dòng)壓下的定位偏差近似相等。則在倒數(shù)第2道次軋制完成后，通過計(jì)算倒數(shù)第2道次板坯咬入前的實(shí)際空載輥縫S2b和倒數(shù)第2道次板坯咬入前的設(shè)定輥縫S2r，得出倒數(shù)第2道次板坯咬入前電動(dòng)壓下的定位偏差ΔSrb2=S2r-S2b，并以此作為末道次輥縫設(shè)定中參與計(jì)算的電動(dòng)壓下定位偏差補(bǔ)償量。

2.3 咬入后輥縫調(diào)整

末道次頭部咬入后，還需避開頭部咬入沖擊段，然后將末道次實(shí)時(shí)反饋軋制力與倒數(shù)第2道次平均軋制力做比較，再次實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)末道次輥縫，從而使同板差減小。其算法原理如圖2。

圖2 輥縫調(diào)整原理圖Fig.2 Schematic diagram roll gap adjustment

AB=ΔP

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

3 與傳統(tǒng)AGC系統(tǒng)對比

單機(jī)架熱軋板材軋制具有來料短、道次變化頻繁、空載壓下速度快、咬料沖擊大、扭振大以及產(chǎn)品品種規(guī)格多等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)決定了其AGC系統(tǒng)以壓力AGC為主體手段。

雖然壓力AGC的表現(xiàn)形式多樣，但都是基于軋機(jī)彈跳方程。軋機(jī)彈跳方程形式如下：

h=S+(P-P0)/C

(10)

式中，h為板帶厚度，S和P分別為軋機(jī)輥縫和軋制力，P0為預(yù)壓靠力，C為軋機(jī)剛度系數(shù)。軋機(jī)剛度系數(shù)C是一個(gè)與軋制力P、軋件寬度等密切相關(guān)的變量，在同一塊板材軋制過程中，如果忽略軋輥磨損和熱膨脹的變化，可以認(rèn)為當(dāng)軋制力P在小范圍變化時(shí)，軋機(jī)剛度系數(shù)C近似為常數(shù)。

從彈跳公式可知，同一塊板坯在軋制過程中，兩個(gè)不同位置的厚度、輥縫、軋制力存在如下關(guān)系：

h1-h2=S1-S2+(P1-P2)/C

(11)

公式(11)為相對厚度計(jì)算公式，而式(10)為絕對厚度計(jì)算公式。很顯然，根據(jù)相對厚度計(jì)算公式，假如輥縫不變，即S1=S2=S0，則h1=h2+(P1-P2)/C；而根據(jù)絕對厚度計(jì)算公式，假如輥縫不變，即為S0，則h1=S0+(P1-P0)/C。當(dāng)P1和P2比較接近，下面來看當(dāng)剛度系數(shù)C存在一定誤差的情況下，兩種厚度計(jì)算公式的準(zhǔn)確程度。

圖3為軋制力P1和P2接近時(shí)厚度計(jì)算示意圖，其中，縱坐標(biāo)P和h表示軋制力和出口厚度，橫坐標(biāo)t表示時(shí)間，通過調(diào)整坐標(biāo)系可使得P0和h0所對應(yīng)的曲線重合，P2和h2所對應(yīng)的曲線重合，進(jìn)而P1和h10所對應(yīng)的曲線重合。假定計(jì)算剛度系數(shù)為實(shí)際剛度系數(shù)的2倍時(shí)，h11所對應(yīng)的曲線表示用相對厚度計(jì)算公式得出的厚度，h12所對應(yīng)的曲線表示用絕對厚度計(jì)算公式得出的厚度，如圖3所示。在輥縫不變的情況下，如果軋制力為P2時(shí)厚度為h2，軋制力為P0時(shí)厚度為h0，基于彈跳公式，可以通過平移和縮放坐標(biāo)系，使得P2和h2、P0和h0分別重合，如果剛度系數(shù)C計(jì)算準(zhǔn)確，那么軋制力曲線P1與其對應(yīng)的厚度曲線h10也會(huì)重合。假定剛度系數(shù)C計(jì)算不準(zhǔn)確，變?yōu)閷?shí)際的2倍，那么采用相對厚度計(jì)算公式得出的厚度曲線則為h11，采用絕對厚度計(jì)算公式得出的厚度曲線則為h12，h11落在h10和h2的中間位置，而h12落在h10和h0的中間位置。由于一般情況下，P0遠(yuǎn)小于軋制力P1和P2，因此h11比h12更接近真實(shí)厚度h10，相對厚度計(jì)算方式計(jì)算的厚度更準(zhǔn)。

圖3 軋制力接近時(shí)厚度計(jì)算示意圖Fig.3 Thickness calculation diagram when rolling force approaches

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 控制流程

過程控制系統(tǒng)在軋板時(shí)自動(dòng)將壓下規(guī)程的最后兩道次調(diào)整為等軋制力的負(fù)荷分配模式。在倒數(shù)第2道次軋制完成后，人工卡量尾部實(shí)際厚度，即末道次頭部咬入厚度。過程控制系統(tǒng)結(jié)合倒數(shù)第2道次尾部實(shí)測輥縫和末道次咬入沖擊補(bǔ)償按(4)式計(jì)算末道次修正輥縫。末道次頭部咬入后AGC系統(tǒng)按(9)式根據(jù)實(shí)際軋制力與倒數(shù)第2道次平均軋制力的偏差變化對輥縫進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。其中，軋機(jī)剛度系數(shù)C 和軋件塑性系數(shù)Q由過程控制系統(tǒng)下發(fā)至AGC。控制流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)控制功能圖Fig.4 Diagram of system control function

輥縫在線調(diào)節(jié)過程如圖5所示。采集倒數(shù)第2道次本體軋制力平均值約為900t；末道次咬入前輥縫設(shè)定為51.77mm，咬入后由于咬入沖擊作用導(dǎo)致輥縫變?yōu)?2.05mm；避開咬入沖擊段后，采集2.5s實(shí)測軋制力均值約850t，比倒數(shù)第2道次小，可以預(yù)見的是頭部偏薄，故AGC系統(tǒng)抬輥縫至52.25mm，保證了頭部厚度精度。AGC系統(tǒng)鎖定此時(shí)的軋制力，后續(xù)軋制過程中，以該鎖定軋制為基準(zhǔn)實(shí)時(shí)計(jì)算出口厚度，然后根據(jù)計(jì)算厚度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輥縫，從而保證了同板差。

圖5 輥縫調(diào)節(jié)圖Fig.5 Diagram of roll gap adjustment

4.2 控制精度驗(yàn)證

為驗(yàn)證在線計(jì)算精度，在國內(nèi)某熱軋廠現(xiàn)場隨機(jī)抽取了一些板材的產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)，見表1。可見，目標(biāo)值與卡量值最大偏差為-0.08mm，其目標(biāo)值與卡量值的偏差可控制在±0.1mm內(nèi)，板材全長厚度控制精度較高。總結(jié)了現(xiàn)場近7d生產(chǎn)的74塊板坯數(shù)據(jù)，按公差±0.1mm統(tǒng)計(jì)，厚度命中率可達(dá)到97.3%，完全能夠滿足生產(chǎn)需求。

表1 實(shí)測值與目標(biāo)值比較

5 結(jié)論

(1)鋁合金中厚板在軋制過程中受到軋制節(jié)奏不穩(wěn)定、頭部溫度偏低、咬入輥縫沖擊、無測厚儀等客觀因素影響導(dǎo)致厚度控制精度較低，這些不利因素是鋁板軋制中的普遍現(xiàn)象，難以從根本上消除；

(2)結(jié)合熱軋鋁板實(shí)際生產(chǎn)的特點(diǎn)，采用將壓下規(guī)程的最后兩道次負(fù)荷分配調(diào)整為軋制力相等的模式，通過倒數(shù)第2道次卡量厚度、實(shí)測輥縫及電動(dòng)輥縫定位偏差補(bǔ)償來修正末道次設(shè)定輥縫，在咬入后再根據(jù)實(shí)測軋制力與倒數(shù)第2道次平均軋制力偏差來動(dòng)態(tài)調(diào)整輥縫值，從而建立了新型的鋁板材厚度控制方法；

(3)實(shí)際應(yīng)用表明，等軋制力法在不依賴測厚儀的情況下，使鋁板厚度控制偏差基本穩(wěn)定在±0.1 mm 以內(nèi)，減小了后續(xù)切損量，可以顯著提高產(chǎn)品的成材率和生產(chǎn)效率。