寬幅鋁合金板帶熱連軋高精度板形控制系統(tǒng)

供稿|盧仲圩，邵健，何安瑞 / LU Zhong-xu, SHAO Jian, HE An-rui

內(nèi)容導(dǎo)讀

高強(qiáng)度、高韌性和大規(guī)格鋁合金板帶是國(guó)防、能源、建筑、交通等行業(yè)的重要結(jié)構(gòu)材料。在世界范圍內(nèi)也僅有為數(shù)不多的鋁加工企業(yè)具有寬幅熱連軋鋁板帶生產(chǎn)線。由于面臨大尺寸、多規(guī)格、復(fù)雜工藝等特點(diǎn)，板形控制是寬幅鋁板帶熱連軋的難點(diǎn)和核心技術(shù)，長(zhǎng)期被國(guó)外所壟斷。文章介紹了我國(guó)自主研發(fā)的寬幅熱連軋鋁合金板帶高精度板形控制系統(tǒng)，包括彎輥設(shè)定計(jì)算模型、軋輥熱輥形和磨損模型、自學(xué)習(xí)模型、分段冷卻模型等。通過(guò)多個(gè)模型的協(xié)同，實(shí)現(xiàn)了寬幅鋁合金板帶的高精度板形控制，在國(guó)內(nèi)某3300 mm+2850 mm寬幅鋁板帶熱連軋的應(yīng)用實(shí)績(jī)表明，該系統(tǒng)具有良好的控制精度和先進(jìn)的控制技術(shù)。

鋁及鋁合金產(chǎn)品具有重量輕、比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能好、耐蝕性高、塑性好、易切削加工、可回收等一系列優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和生活的各個(gè)領(lǐng)域中，特別是高強(qiáng)度、高韌性和大規(guī)格鋁合金板帶已經(jīng)成為國(guó)防、能源、建筑、交通等行業(yè)的重要結(jié)構(gòu)材料。寬幅鋁板帶熱連軋(支持輥輥身長(zhǎng)度2400 mm以上)由于面臨大尺寸、多規(guī)格、復(fù)雜工藝等特點(diǎn)，在持續(xù)、穩(wěn)定的控制和工藝實(shí)現(xiàn)方面均具有較大難度，在世界范圍內(nèi)也僅有為數(shù)不多的鋁加工企業(yè)具有寬幅熱連軋鋁板帶生產(chǎn)線。國(guó)內(nèi)迫切地需要建設(shè)世界一流的寬幅鋁板帶熱連軋生產(chǎn)線來(lái)取代長(zhǎng)期對(duì)寬幅進(jìn)口鋁合金產(chǎn)品的依賴[1-3]。

板形是板帶軋制中一項(xiàng)非常重要的質(zhì)量指標(biāo)[4]，板形的好壞對(duì)板帶材后續(xù)加工和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力有著非常重要的影響。板形控制技術(shù)是寬幅軋機(jī)所面臨的共性技術(shù)，和傳統(tǒng)鋼鐵熱連軋板形控制相比，寬幅鋁板帶熱連軋有其特殊性，主要表現(xiàn)在：(1)寬幅鋁板熱連軋比鋼鐵生產(chǎn)中的寬幅含義更寬，輥系變形更復(fù)雜，軋件變形更易受跑偏的影響，板形控制難度更大；(2)鋼鐵熱連軋生產(chǎn)過(guò)程中軸向移位變凸度工作輥技術(shù)應(yīng)用普遍，可提供強(qiáng)大的板形控制能力，而國(guó)內(nèi)鋁板帶熱連軋很少有使用此技術(shù)，特別是在小批量、多規(guī)格的生產(chǎn)條件下，板形控制能力被嚴(yán)重削弱；(3)鋁板帶熱連軋卷取機(jī)和軋機(jī)距離布置緊密，浪形控制無(wú)明顯可見(jiàn)段，無(wú)浪形檢測(cè)儀表，控制浪形條件和鋼鐵熱連軋生產(chǎn)相比較差；(4)鋁板帶熱連軋中普遍采用軋輥分段冷卻技術(shù)，但這一技術(shù)具有滯后性等。

本文介紹了我國(guó)自主研發(fā)的寬幅鋁板帶全套板形控制系統(tǒng)，包括輥形設(shè)定計(jì)算模型、軋輥熱輥形和磨損模型、自學(xué)習(xí)模型、分段冷卻模型等，通過(guò)多個(gè)模型的協(xié)同，實(shí)現(xiàn)了寬幅鋁合金板帶的高精度板形控制。

寬幅鋁板帶熱連軋板形控制系統(tǒng)概述

板形控制系統(tǒng)包括在過(guò)程控制級(jí)(L2)實(shí)現(xiàn)的板形設(shè)定計(jì)算功能以及在基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)(L1)實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)板形控制功能。圖1為寬幅鋁板帶熱連軋板形控制系統(tǒng)功能框圖。

板形設(shè)定計(jì)算功能的主要任務(wù)是根據(jù)粗軋和精軋各道次或各機(jī)架初始輥形、粗軋精軋?jiān)O(shè)定計(jì)算結(jié)果、軋輥磨損及熱脹計(jì)算等結(jié)果，設(shè)定計(jì)算各道次或各機(jī)架工作輥的彎輥力、分段冷卻初始噴射模式。同時(shí)，根據(jù)多功能儀或操作工的反饋數(shù)據(jù)，對(duì)板形設(shè)定計(jì)算結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)修正，保證后續(xù)鋁板帶的頭部板形質(zhì)量良好。

圖1 寬幅鋁板帶熱連軋板形控制系統(tǒng)功能框圖

動(dòng)態(tài)板形控制功能主要依據(jù)軋制過(guò)程中狀態(tài)量的變化(如軋制力、儀表檢測(cè)值)，實(shí)時(shí)對(duì)彎輥和分段冷卻模式進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證鋁板帶全長(zhǎng)的板形質(zhì)量。其主要包括以下功能：

(1) 板形保持控制模型：彎輥力隨軋制力的波動(dòng)和軋制時(shí)間以一定周期做出相應(yīng)的補(bǔ)償性調(diào)整，以穩(wěn)定承載輥縫的形狀，使軋制生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定，保持鋁板帶全長(zhǎng)板形一致性；

(2) 凸度反饋控制模型：根據(jù)凸度儀檢測(cè)鋁板帶實(shí)際凸度值，與目標(biāo)凸度值進(jìn)行比較，得出凸度反饋控制偏差，依次通過(guò)調(diào)整精軋機(jī)組上游機(jī)架的彎輥力，以消除凸度偏差，改善鋁板帶全長(zhǎng)的凸度精度；

(3) 分段冷卻動(dòng)態(tài)設(shè)定模型：主要是根據(jù)多功能儀檢測(cè)到得鋁板帶橫向斷面形狀與目標(biāo)斷面形狀的偏差，周期調(diào)節(jié)工作輥噴射梁分段冷卻噴射等級(jí)，保證鋁板帶全長(zhǎng)橫斷面的板形目標(biāo)值。

板形參數(shù)設(shè)定計(jì)算模型

板形參數(shù)設(shè)定計(jì)算模型是板形控制模型的核心模塊，主要功能包括[5]：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備；工作輥綜合輥形計(jì)算；支持輥綜合輥形計(jì)算；彎輥力模型系數(shù)計(jì)算；機(jī)架間凸度分配計(jì)算；各機(jī)架工作輥彎輥計(jì)算。

其中工作輥與支持輥綜合輥形主要包括初始輥形、磨損輥形、軋輥熱輥形，為后序凸度分配、彎輥系數(shù)計(jì)算與彎輥力計(jì)算提供輥形數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。彎輥力模型系數(shù)則主要是選取一些影響承載輥縫凸度的主要因素，如軋制力、彎輥力、工作輥綜合輥形、支持輥綜合輥形、鋁板寬度等，運(yùn)用有限元手段對(duì)工況組合計(jì)算，在有限元計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上通過(guò)多元非線性回歸方法得出模型系數(shù)，在保證計(jì)算精度的基礎(chǔ)上保證了運(yùn)行速度，滿足在線使用的需求。對(duì)于常規(guī)凸度工作輥，彎輥力計(jì)算即為最終結(jié)果，而對(duì)于特殊曲線工作輥，計(jì)算結(jié)果包括彎輥力和工作輥的竄輥量。對(duì)于沒(méi)有配備竄輥系統(tǒng)的鋁板帶熱連軋，只進(jìn)行彎輥力的計(jì)算。在已知目標(biāo)凸度的情況下合理分配各機(jī)架的出口凸度，一旦凸度分配確定，彎輥力值也被確定。

軋輥綜合輥形計(jì)算模型

軋輥綜合輥形計(jì)算模型主要包括軋輥磨損和溫度場(chǎng)計(jì)算，軋輥的磨損與溫度場(chǎng)計(jì)算的準(zhǔn)確性直接決定了板形模型的準(zhǔn)確性。由于鋁板帶品種規(guī)格眾多，為了提高計(jì)算的速度，同時(shí)保證計(jì)算精度，在對(duì)邊界條件進(jìn)行合理處理的基礎(chǔ)上，采用二維交替差分法計(jì)算軋制過(guò)程中任意時(shí)刻的熱輥形。工作輥磨損模型則采用半理論、半試驗(yàn)化方法，引入工作輥磨損的關(guān)鍵變量以及相應(yīng)參數(shù)，通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行回歸。

軋輥溫度場(chǎng)計(jì)算

工作輥在軋制過(guò)程中的熱交換行為是相當(dāng)復(fù)雜的，但總體上仍是熱量傳入與傳出的平衡過(guò)程。熱量傳入主要包括：高溫軋件與工作輥的接觸熱傳導(dǎo)；高溫軋件對(duì)工作輥的熱輻射；軋件與軋輥間的摩擦熱；工作輥軸承發(fā)熱向軋輥傳導(dǎo)。其熱量傳出主要包括：冷卻液與軋輥發(fā)生對(duì)流換熱；軋輥與空氣的熱交換；工作輥與支持輥的接觸熱傳導(dǎo)。

要精確定量地描述每一種熱傳導(dǎo)幾乎是不可能的。但所有的熱交換行為最終結(jié)果都表現(xiàn)為使軋輥溫度場(chǎng)發(fā)生改變。因而在工程處理中可以人為地強(qiáng)化或弱化某些熱行為，并同時(shí)保證計(jì)算具有最終的等效結(jié)果(比如可以忽略軋輥的熱輻射行為而加強(qiáng)熱傳導(dǎo)，忽略軋件與軋輥間的摩擦熱，忽略工作輥與支持輥的接觸熱傳導(dǎo)等)，從而簡(jiǎn)化模型的計(jì)算。計(jì)算工作輥的熱輥形分兩步進(jìn)行，第一步計(jì)算工作輥的溫度場(chǎng)，第二步根據(jù)得到的溫度場(chǎng)分布計(jì)算工作輥的熱輥形。在軋制過(guò)程中由于工作輥的轉(zhuǎn)速高，在垂直于軸的截面內(nèi)，溫度沿周向僅限于工作輥極薄的表層內(nèi)有顯著波動(dòng)，在內(nèi)部幾乎無(wú)波動(dòng)。因此，可以忽略溫度場(chǎng)沿周向的變化，將工作輥溫度場(chǎng)問(wèn)題簡(jiǎn)化為二維問(wèn)題[6]。這樣，工作輥的導(dǎo)熱方程簡(jiǎn)化為公式(1)：

式中，ρ是材料的密度，cp是材料的質(zhì)量比熱容，k是材料的導(dǎo)熱系數(shù)，T是溫度，r為徑向坐標(biāo)，x是軸向坐標(biāo)。

有限差分法是用離散點(diǎn)上的計(jì)算值作為待求量的解，因此首先要將求解區(qū)域離散化。具體到求解工作輥的溫度場(chǎng)，首先將工作輥溫度場(chǎng)所對(duì)應(yīng)的區(qū)域離散化，如圖2所示。

圖2 工作輥網(wǎng)格劃分示意圖

用平行于軸線的一組線和平行于半徑的一組線將工作輥分成網(wǎng)格，線的交點(diǎn)為格點(diǎn)，即在立體空間里，將工作輥劃分為許多以軸線為公共軸的圓環(huán)體。由于越靠近工作輥表面溫度變化越劇烈，所以靠近表面的網(wǎng)格劃分的稠密，工作輥內(nèi)部網(wǎng)格劃分的稀疏。

求出工作輥的溫度場(chǎng)之后，可以根據(jù)圓柱體熱膨脹公式求得工作輥的熱輥形。圓柱體熱膨脹公式如下：

式中，u為直徑熱膨脹量；ν為泊松比；β為工作輥材質(zhì)的線性熱膨脹系數(shù)；R為工作輥半徑；T0為原始溫度。由公式可求得沿軸向不同位置的直徑熱膨脹量。而工作輥熱凸度可通過(guò)工作輥中點(diǎn)熱脹量減去工作輥邊部標(biāo)志點(diǎn)熱脹量得到。

軋輥磨損計(jì)算

磨損模型是在對(duì)磨損主要影響因素分析的基礎(chǔ)上建立的。本文提出的磨損模型，包含了軋制力影響項(xiàng)、軋制長(zhǎng)度影響項(xiàng)、接觸弧長(zhǎng)影響項(xiàng)、乳化液影響項(xiàng)、軋輥橫向不均勻磨損項(xiàng)和一些次要因素影響項(xiàng)，模型結(jié)構(gòu)能正確反映熱軋過(guò)程中軋輥磨損機(jī)理[7-8]。圖3是工作輥磨損形狀。

圖3 工作輥磨損形狀

采用切片法，沿工作輥輥身均勻切成一定數(shù)量的小片，計(jì)算各片的磨損量。基于以上分析，認(rèn)為軋第i塊鋼時(shí)，工作輥第 j片的磨損量為：

式中，P為軋制壓力，Bw為帶鋼寬度，lc為壓扁接觸弧長(zhǎng)，Lz為軋制長(zhǎng)度，Dw為工作輥直徑，α為咬入角，K為帶鋼的變形抗力，wb為潤(rùn)滑油濃度，V為軋制速度，k1為模型系數(shù)(和工作輥材質(zhì)、氧化鐵皮、機(jī)架間冷卻等狀況有關(guān))，k2為負(fù)荷影響系數(shù)，k3為潤(rùn)滑影響系數(shù)，Sg為潤(rùn)滑標(biāo)識(shí)(取值為0或1，分別表示不使用潤(rùn)滑和使用潤(rùn)滑)。其中δ(x)描述軋輥橫向磨損不均勻程度的函數(shù)。

板形自學(xué)習(xí)系統(tǒng)

實(shí)際生產(chǎn)條件千變?nèi)f化，不可知因素很多，一些可知因素的變化規(guī)律也難以把握，包括來(lái)料板形、軋輥磨削誤差、軋輥溫度場(chǎng)計(jì)算誤差、軋輥磨損計(jì)算誤差、物理模型本身誤差等。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化處理的在線設(shè)定模型不可能包含所有這些因素的變化，這就導(dǎo)致設(shè)定計(jì)算結(jié)果與實(shí)際軋制過(guò)程有時(shí)不能完全相符。為了提高彎輥力計(jì)算模型的精度，運(yùn)用生產(chǎn)中多功能儀和操作人員干預(yù)的實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)板形模型中的一些系數(shù)進(jìn)行修正。短期自學(xué)習(xí)、長(zhǎng)期自學(xué)習(xí)、繼承性自學(xué)習(xí)相結(jié)合的模型系數(shù)修正方法可以有效解決以上問(wèn)題。

不同規(guī)格的鋁板帶模型誤差對(duì)板形的影響不相同，特別是相鄰鋁板帶寬度、合金、厚度區(qū)別較大時(shí)候，學(xué)習(xí)值一般不能進(jìn)行直接復(fù)制。如圖4所示為相鄰鋁板帶的板形自學(xué)習(xí)關(guān)系圖，N和M之間存在什么樣的關(guān)系決定了自學(xué)習(xí)的有效性，通過(guò)采用短期自學(xué)習(xí)、長(zhǎng)期自學(xué)習(xí)、繼承性自學(xué)習(xí)相結(jié)合的方法可以提高交叉軋制、大批量軋制、換規(guī)格軋制板形學(xué)習(xí)的有效性。

軋輥分段冷卻控制系統(tǒng)

工作輥分段冷卻是寬幅鋁板帶熱連軋生產(chǎn)中的重要裝備。通過(guò)設(shè)置冷卻液沿輥身軸向的流量分布，使工作輥熱輥形發(fā)生改變，從而調(diào)節(jié)承載輥縫，達(dá)到控制軋件斷面形狀的目的，如圖5所示為分段冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖4 相鄰鋁板帶的板形自學(xué)習(xí)關(guān)系圖

圖5 分段冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分段冷卻設(shè)定結(jié)果作用范圍從鋁帶到達(dá)精軋機(jī)組首機(jī)架開(kāi)始，到斷面儀檢測(cè)到鋁帶數(shù)據(jù)結(jié)束。在這期間，分段冷卻保持設(shè)定值不變。由于這段時(shí)間內(nèi)熱輥形變化的時(shí)間常數(shù)大，合理的分段冷卻預(yù)設(shè)定就是要在進(jìn)入反饋控制之前使熱輥形朝著減小斷面偏差的方向快速發(fā)展，為反饋控制提供良好的起點(diǎn)，減少總的調(diào)節(jié)時(shí)間。

如圖6所示，分段冷卻設(shè)定系統(tǒng)包括工作輥溫度場(chǎng)模型以及鋁帶斷面預(yù)測(cè)模型。通過(guò)溫度場(chǎng)模型預(yù)測(cè)不同冷卻分布作用下軋輥熱輥形的變化情況，迭代計(jì)算得到一個(gè)使現(xiàn)有熱輥形在穿帶階段保持穩(wěn)定的冷卻分布值作為預(yù)設(shè)定的基礎(chǔ)分布LB，其對(duì)應(yīng)斷面偏差預(yù)測(cè)值為0的理想情況。然后將軋件品種規(guī)格、主要軋制參數(shù)以及實(shí)時(shí)綜合輥形等參數(shù)輸入基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的斷面預(yù)測(cè)模型，得到鋁帶頭部二次和四次凸度的預(yù)測(cè)值，預(yù)測(cè)值與目標(biāo)斷面曲線比較得到斷面偏差。利用具有非線性特點(diǎn)的模糊規(guī)則，將凸度偏差轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)分布調(diào)節(jié)量ΔL，得到最終的預(yù)設(shè)定分布。對(duì)于明顯的斷面偏差，在時(shí)間相對(duì)較短的穿帶階段，盡量增大對(duì)應(yīng)的分段冷卻調(diào)節(jié)量，以加速熱輥形的改變；再利用基于PI控制器或模糊控制器的動(dòng)態(tài)反饋系統(tǒng)，在偏差減小時(shí)對(duì)預(yù)設(shè)定分布進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整[9]。

圖6 分段冷卻設(shè)定思路

項(xiàng)目示范應(yīng)用

柳州銀海鋁業(yè)3300 mm+2850 mm寬幅鋁板熱連軋機(jī)全套工藝、機(jī)械、控制由國(guó)內(nèi)自主研發(fā)。機(jī)械、流體設(shè)備總集成商為中國(guó)二重；電氣自動(dòng)化系統(tǒng)由北京科技大學(xué)負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和實(shí)施，采用“1+4”配置，生產(chǎn)線主機(jī)由單機(jī)架3300 mm可逆式熱粗軋機(jī)和4機(jī)架2850 mm(實(shí)際2950 mm)熱精軋機(jī)組成。L0、L1、L2控制系統(tǒng)及傳動(dòng)系統(tǒng)投入使用實(shí)現(xiàn)了工藝所要求的順軋、橫軋、角軋、中斷軋制等軋制模式。圖7為廣西銀海鋁業(yè)“1+4”超寬幅熱軋生產(chǎn)線的現(xiàn)場(chǎng)照片，自主開(kāi)發(fā)的寬幅鋁合金板帶高精度板形控制系統(tǒng)在此生產(chǎn)線得到示范應(yīng)用。

圖8為示范線生產(chǎn)出來(lái)的高質(zhì)量精度的寬幅鋁板和鋁卷。本項(xiàng)目已成功生產(chǎn)出1系、3系、5系、6系、8系共20余種合金，數(shù)百個(gè)規(guī)格的產(chǎn)品，其中2200～2700 mm寬幅產(chǎn)品30余項(xiàng)。板帶凸度、楔形控制精度分別達(dá)到97.5%、98.4%，均超過(guò)項(xiàng)目要求的95.4%。根據(jù)下游用戶反映，煤車板、罐車板、集裝箱、船用板等寬幅產(chǎn)品已經(jīng)可以取代進(jìn)口材料。

圖7 柳州銀海鋁業(yè)“1+4”超寬幅熱軋生產(chǎn)線

圖8 示范線生產(chǎn)出的寬幅成品卷板與鋁卷

結(jié)束語(yǔ)

高強(qiáng)度、高韌性和大規(guī)格鋁合金板帶作為國(guó)防、能源、建筑、交通等行業(yè)的重要結(jié)構(gòu)材料，其生產(chǎn)技術(shù)的自主化具有積極的意義。板形控制技術(shù)是寬幅軋機(jī)所面臨的共性技術(shù)，和傳統(tǒng)鋼鐵熱連軋板形控制相比，寬幅鋁板帶熱連軋有其特殊性，通過(guò)多個(gè)板形控制模塊的協(xié)同控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高精度的板形控制精度。