400 mm 熱連軋RF-AWC 控制系統(tǒng)

李冠宇，李玉貴，趙曉兵

(太原科技大學 機械工程學院，山西 太原 030024)

0 前言

當今熱軋帶鋼廠的粗軋部分承擔了主要的減寬及控寬任務，粗軋區(qū)采用的自動寬度控制稱為RAWC，其中軋制力反饋自動寬度控制(RFAWC)應用最為廣泛。

通常，在粗軋平輥之前安裝一對大立輥軋機，通過電機驅動旋轉，并采用電動或液壓的方式進行壓下［1］，這項技術在寬帶鋼廠應用較為成熟，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，窄帶鋼廠為了能夠改善其成品寬度精度，提高成材率，降低生產成本，也相繼引入了這項技術?，F根據某窄帶鋼廠新建設備及工藝特點，構建基礎數學模型，并在生產過程中不斷優(yōu)化模型參數［2］。引入寬度自動控制后，帶鋼寬度精度從過去的3～5 mm 減小到現在的1～2 mm，減少了切邊損耗，提高了金屬收得率，帶鋼寬度波動也變得較為平穩(wěn)。窄帶鋼生產線機械設備簡單，電機功率小，運行周期快，初期投入少，短期收益高，生產坯料和成品規(guī)格較為單一，所以在窄帶鋼線投入自動寬度控制系統(tǒng)見效較快［3］。窄帶鋼生產線不同于寬帶鋼采用多臺粗軋機配合軋制的模式，一般采用一架可逆式粗軋機，軋制3～5 個道次;窄帶鋼還具有寬厚比較小的優(yōu)勢，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，往往在粗軋立輥上開凹槽，進一步提高減寬效率。目前適用于窄帶鋼寬度控制方面的研究數據和數學模型較少，往往通過現場經驗進行調整，存在一定的盲目性和偶然性。這條線的成功實踐，對日后窄帶鋼的生產具有指導意義和參考價值。本文就一些實際問題進行數據分析和比較，以期給相關研究人員一定的參考。

1 工藝設備簡介

1.1 連軋工藝

某窄帶鋼廠400 mm 線，帶鋼坯料來自連鑄生產線，尺寸為225 mm ×150 mm ×6000 mm，由推鋼式加熱爐進行加熱，出爐后，熱鋼坯通過輸送輥道進入水除鱗裝置，再經輥道進入粗軋區(qū)，粗軋機前后兩側設有側導板，實現板坯的對中軋制。立軋采用大立輥軋機CL，壓下系統(tǒng)為純液壓壓下;平軋采用二輥可逆軋機CP，純電動壓下。二者形成連軋，往復軋制5 個道次，其中僅奇數道次立輥有側壓量;偶數道次立輥打開，板坯只進行平輥軋制，立輥空過。中間坯進入精軋區(qū)前設有剪切機，用于事故碎斷或者超差頭尾的剪切。精軋區(qū)設有3 架小立輥軋機和9 架平輥軋機，如圖1 所示。立輥全部為精軋小立輥，電動壓下。前4 架平輥軋機為二輥軋機，后5 架為四輥軋機。平輥軋機間設有活套裝置，用來控制張力。全線總共14 架軋機，組成3/4 連續(xù)式布置。精軋出口有傾斜導槽，將帶鋼扭轉90°后送入夾送輥，通過蛇振將帶鋼擺放在運動的鏈板運輸裝置上，最后經過夾送輥和矯直機進入立式卷取機、打捆、堆垛。

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

該線在粗軋出口處放置一臺測寬儀，用于檢測和控制中間坯的寬度精度，精軋出口放置一臺測寬儀，用于檢測和控制成品帶鋼的寬度精度。有些生產線在粗軋入口處也放置一臺測寬儀，用來實施前饋自動寬度控制［4］。在粗軋區(qū)入口和出口分別有高溫計，用來修正模型中的溫度參數對金屬變形的影響。精軋入口和出口同時也設有高溫計，幫助精軋二級系統(tǒng)校正溫度模型。粗軋立輥配有2 個壓頭，安裝在操作側上下缸，用于精確檢測軋制力，實現軋制力反饋調節(jié)。液壓缸均配有磁尺裝置，用于實現位置閉環(huán)控制，精確控制立輥的位置。全線配有多個熱金屬檢測裝置，用于帶鋼的跟蹤和位置檢測。精軋區(qū)末尾配有一臺測厚儀，用于精軋區(qū)的自動厚度控制以及厚度檢測。全線采用西門子PLC 及遠程工作站實現自動化控制。其中自動寬度控制系統(tǒng)通過PLC S-400中的458 模塊主要完成。該線設計年產量40 萬t，產品規(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 立輥軋機設備

在粗軋機前設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裂等缺陷，提高表面質量，最重要的是能夠調節(jié)和控制帶鋼的寬度規(guī)格。

立輥的主傳動裝置安裝在軋機上方，靠立輥的機架承受重量，這樣可以使傳動裝置處在較好的工作環(huán)境，方便維護。電機通過減速器帶動十字接軸，驅動立輥旋轉，傳遞軋制力矩。

軋輥采用進行過調質處理的鍛鋼輥，并在輥面上開一個矩形槽，通過槽側面擠壓可以限制狗骨斷面的形成，減小了平輥軋制時的狗骨寬展［5］。要注意的是，在標定輥縫時把槽深考慮進去。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，設備主要參數見表1。

表1 立輥設備主要參數Tab.1 Main parameters of vertical rolling mill

在傳動側和操作側各有兩個AWC 液壓缸和一個平衡缸，AWC 缸用于精準調整輥縫并在軋制過程中快速響應RF-AWC 模型算出的調整信號;平衡缸則是為了消除立輥與軸承及其他的機械間隙，圖2為立輥軋機設備的示意圖。

圖2 立輥軋機設備示意圖Fig.2 Schematic of vertical rolling mill

2 RF-AWC 控制模型

RF-AWC 控制系統(tǒng)是基于厚度計型自動厚度控制(GM-AGC)提出的。厚度計型的提出是由于當時負荷輥縫無法實時測量，需要間接測量并通過計算得到實時輥縫值。軋機彈跳方程使得軋機輥縫和軋制力之間建立起聯(lián)系，通過測量軋制力而得到軋機輥縫，這樣就把未知問題轉化成了已知問題。RF-AWC 根據軋制力的變化計算出立輥的彈跳值，再算出輥縫的調節(jié)量，將調節(jié)量疊加到系統(tǒng)中，從而確保了板坯的寬度均等，對水印或黑印起到補償控制作用，但由于該控制屬于反饋控制，有延遲性，對系統(tǒng)的實時性和快速響應要求較高。其數學模型為

式中，M為立輥軋機的剛度，Q為軋件寬度方向上的塑性系數［6-7］。

之后又在這個公式的基礎上發(fā)展出了液壓變剛度控制，引入了變剛度系數α，推導出等效壓下效率補償系數為－(M+Q)/M+(1－α)Q，其數學模型為

由于立輥軋機的剛度不容易測量，存在復雜性、多樣性和準確度不高等特點，而RF-AWC控制系統(tǒng)的可行性在很大程度上又依賴軋機工作剛度M 及軋件塑性系數Q，所以現場調試中可以通過調節(jié)α 值得到合適的取值范圍。改變α的值，相當于在相同軋制力增量的情況下，得到不同的彈跳量增加量，這也相當于改變了軋機剛度。變剛度系數α 的值越小，軋制力擾動對出口厚度的影響越小，這意味軋機的當量剛度變大;變剛度系數α 的值越大，軋制力擾動對出口厚度的影響越大，意味軋機的當量剛度變?。?-9］。

圖3為RF-AWC 控制框圖，ΔB0為立輥入口處板帶寬度偏差;ΔS為立輥實際變化量;ΔS*為輥縫調節(jié)量;ΔP為軋制力增量;G為增益系數。電控系統(tǒng)根據設定，在結束頭尾SSC 或進入帶鋼穩(wěn)定段后，開始連續(xù)采樣10 個點，記錄位置和壓力信號并取平均值，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 應用效果分析

在軋制穩(wěn)定階段，分別在投入與切除RFAWC 時，從測寬儀中隨機抽取了50組第五道次采樣數據，中間坯寬度尺寸設定為275 mm，其除去頭尾段算得的寬度平均值偏差，如圖4 所示。可以看出寬度指標有明顯改善，基本滿足寬度上差在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寬儀畫面，投入RF-AWC 后，軋制過程較為穩(wěn)定。

4 結論

窄帶鋼的寬度指標較少得到關注，但隨著對產品質量要求的日益提高以及縮減成本的迫切要求，控寬技術越來越受到重視。寬度控制系統(tǒng)在窄帶鋼軋機上的應用較少，這次在窄帶鋼粗軋機上的成功投產，證明自動寬度控制系統(tǒng)在窄帶鋼領域的可行性，一定程度上降低了窄帶鋼的寬度上偏差，減少了切邊率，提高了生產效率及成材率，滿足了廠方的寬度要求。

圖4 RF-AWC 效果對比圖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 的工作原理類似于厚度計型AGC，以機架本身為測量儀，通過磁尺檢測輥縫的變化量，壓頭檢測軋制力的變化量，根據彈跳方程推算出輥縫的實際調節(jié)量，將這個調節(jié)量疊加到位置閉環(huán)中，完成寬度自動控制。

在現場調試的過程中，通過調整數學模型中的變剛度系數a 以及軋制力反饋增益系數G 來調節(jié)立輥軋機的控寬特性，減小立輥輥縫的波動量，提高軋機的響應速度。還可以在計算機中通過仿真研究軋機的響應特性，以及參數對寬度精度的影響。實踐證明RF-AWC 在窄帶鋼中的實用價值，可以在今后的工程中不斷改進和推廣。

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