供稿|葛樹海，趙小龍，羅曉陽，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源于軋機。板形自動控制系統(tǒng)(Automatic Shape Control，簡稱ASC)是在保證帶鋼長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，先進的板形自動控制系統(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。作為冷軋原料的CSP熱軋鋼卷力學(xué)性能分布的均勻性、冷軋軋輥使用規(guī)范、計劃過渡的合理性，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冷連軋機組選用了UCM冷連軋機，配備了先進的板形自動控制系統(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)及末機架分段冷卻技術(shù)等，具有較強的板形控制能力。

酒鋼1800冷連軋機板形控制系統(tǒng)

板形控制系統(tǒng)組成

酒鋼1800冷連軋機組由5個機架組成。該冷連軋機組使用的板形控制手段包括壓下傾斜(F5)、工作輥正負彎輥(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段精細分區(qū)冷卻。為了實現(xiàn)目標板形，在酒鋼1800冷連軋軋機出口側(cè)安裝了接觸式板形儀進行檢測和反饋控制，以實現(xiàn)板形的自動控制，實現(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量系統(tǒng)；用于數(shù)據(jù)評價和軋機執(zhí)行機構(gòu)命令計算的計算機系統(tǒng)；用于軋機執(zhí)行機構(gòu)設(shè)定的板形控制系統(tǒng)。

板形控制特點及基本原理

酒鋼1800冷連軋板形自動控制系統(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)來料板形，中間輥、工作輥進行彎輥預(yù)設(shè)定。根據(jù)來料寬度，中間輥進行竄輥預(yù)設(shè)定。帶鋼頭部進入冷連軋機組之前，軋機的各個板形調(diào)控機構(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。作為閉環(huán)反饋控制的調(diào)控起點，對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)的來料板形狀況相似的特點利用當前帶鋼正常軋制中的實測參數(shù)對預(yù)設(shè)定表格中的設(shè)定值進行優(yōu)化。預(yù)設(shè)定彎輥力在F1～F5機架都有設(shè)定。板形控制系統(tǒng)中，各機架的預(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板形影響最大的因素之一，在軋制過程中，軋制力頻繁波動會對板形造成影響。為了快速消除軋制力波動對板形的干擾，需根據(jù)軋制力的波動調(diào)整F1～F5的工作輥和中間輥彎輥力對帶鋼板形實施快速的前饋控制。

(3) 閉環(huán)反饋控制模塊。

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

圖1 自動板形控制閉環(huán)反饋控制

表2 1800冷連軋機板形控制系統(tǒng)功能和控制對象

在線板形人工調(diào)整只能在F5機架進行。根據(jù)板形儀反饋的軋機實際出口板形情況，F(xiàn)5機架進行分區(qū)冷卻自動控制，同時保留了手動干預(yù)。手動干預(yù)主要是對彎輥和軋機傾輥的處理。當F5機架進行彎輥和傾輥調(diào)整時，分區(qū)冷卻自動板形控制關(guān)閉；當手動干預(yù)結(jié)束，自動板形控制又會自動投入。

板形測量輥

酒鋼1800冷連軋配置ABB分段接觸式壓電板形測量輥，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。在軋制過程中，帶鋼壓在板形測量輥上并形成包角，在板形測量輥上產(chǎn)生帶鋼張力，由此進行板形檢測；將檢測到的板形曲線輸出到HMI上，同時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，從而達到改善板形的目的。酒鋼1800冷連軋F5機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抑制軋輥的膨脹，這樣就可減少偏差。如果是負值，就停止噴淋乳化液直到輥子由于軋制和熱膨脹而再次變熱，這樣就可減少帶鋼板形的偏差。

(2) 控制帶鋼板形偏差隨時間的變化。

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

(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抑制此處的膨脹，從而達到改善板形的目的。

加減速補償

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冷連軋機采用了彎輥補償控制。即在加減速期間，對工作輥和中間輥彎輥力進行補償，減少加減速期間板形的波動。

表3 加減速階段實際板形偏差和工作輥彎輥力

彎輥力飽和處理

酒鋼1800冷連軋設(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到飽和并且達到上限或者下限，那么彎曲部分就會發(fā)生移動，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，那么就可以通過識別軋制帶鋼寬度方向上的板形數(shù)據(jù)來控制另一側(cè)的輸出值。在這種情況下，中間輥彎輥飽和(已經(jīng)達到了上限)，如果這時通過工作輥彎輥的識別量來控制工作輥彎輥，那么帶鋼板形將會出現(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)來識別的。

板形控制系統(tǒng)原理圖

酒鋼1800冷連軋板形控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)，如圖1所示，實際生產(chǎn)中實現(xiàn)了在線實時檢測與分析控制。板形儀檢測出帶鋼的板形信號，發(fā)送到HMI用于人工監(jiān)視的同時發(fā)給PLC，由PLC進行處理。系統(tǒng)獲得板形分量的實測值與目標曲線值的偏差后，經(jīng)PLC輸出調(diào)整值給軋機調(diào)整機構(gòu)如彎輥、傾斜、分區(qū)冷卻以及通過調(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)場實際板形控制策略

板形在線調(diào)整及控制

對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調(diào)整；末機架調(diào)整手段的應(yīng)用(工作輥、中間輥的彎輥、傾斜、F5機架乳化液分區(qū)冷卻)。在實際生產(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，以達到板形控制目標。

◆ 目標板形曲線選取和設(shè)定

在實際應(yīng)用中，可以通過HMI修改系數(shù)，對目標板形曲線進行設(shè)定。板形曲線的形成、設(shè)定和完善要經(jīng)過無數(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程中的熱凸度、張力、板寬等。

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

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

(2) 傾輥控制。

軋輥的傾斜控制主要針對單邊浪或三次非對稱浪形缺陷。主要是通過F5機架液壓AGC缸對軋機實現(xiàn)傾斜控制，以消除不良的板形缺陷。

(3) F5機架的多區(qū)冷卻控制。

依據(jù)板形輥的閉環(huán)控制反饋信號自動調(diào)整流量和噴射壓力以控制軋輥的熱凸度來控制板形，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。

對原料板形要求

冷軋過程中，板形具有一定遺傳性，即熱軋板形不良缺陷會按照冷軋相對壓下率而遺傳到冷軋。為了控制帶鋼板形，必須對原料板形做出要求。要求熱軋原料力學(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，應(yīng)嚴格按照規(guī)定的軋制公里數(shù)進行更換軋輥，特殊情況下軋機操作者可根據(jù)現(xiàn)場軋制帶鋼的板形情況進行控制，但不可超過輥役量的15%。

軋制計劃合理過渡

在編排生產(chǎn)計劃時，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重導(dǎo)致板形不良缺陷。寬度跳躍規(guī)定不能超過200 mm，為了保證動態(tài)變規(guī)格期間中間輥竄輥順利，必須保證窄帶鋼為軟鋼。

彎輥力預(yù)設(shè)定優(yōu)化

對F1～F4機架彎輥力進行優(yōu)化，適度增加F1～F4機架彎輥力，減少了F5機架彎輥力負荷，調(diào)整并確保F5機架的實際彎輥力與設(shè)定值相差在15%以內(nèi)，減少在動態(tài)變規(guī)格期間F5機架因過大的彎輥力導(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)場板形控制效果

針對1800冷連軋機組下線的冷硬卷帶鋼的實際板形數(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。

結(jié)束語

酒鋼1800冷連軋機組，采用六輥五機架UCM連軋機，同時配備了彎輥、竄輥、傾輥和分區(qū)冷卻等先進的控制手段，搭配在線ABB板形測量儀構(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. 軋制過程自動化控制. 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，2005(12)：11