有色金屬板帶箔邊部板形控制及算法

吳瑞蕤,楊雙成,倪海濤

(中色科技股份有限公司,河南 洛陽471039)

有色金屬板帶箔材在航空航天、汽車、食品、醫(yī)藥、新能源等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,市場需求推進(jìn)了寬幅有色金屬板帶箔冷軋?jiān)O(shè)備的研發(fā)和項(xiàng)目建設(shè),市場份額越來越大。有色金屬板帶箔材的板形是很重要的質(zhì)量指標(biāo),其好壞將直接影響軋機(jī)的軋制速度、成品率和生產(chǎn)效率。目前寬幅有色金屬板帶箔冷軋?jiān)O(shè)備控制板形方法包括彎輥、竄輥、輥系傾斜、分段冷卻等技術(shù)手段,但對(duì)于帶材邊部板形質(zhì)量的改善效果不明顯。

軋機(jī)工作輥邊部電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng),針對(duì)寬幅有色金屬板帶箔材邊部板形控制問題,通過改變帶材邊部所在工作輥輥形,能有效解決寬幅鋁帶箔邊部緊的問題,實(shí)現(xiàn)帶材邊部板形有效可控,為冷箔軋機(jī)組高速軋制提供邊部板形技術(shù)保障。

1 帶材邊部板形不良的影響

有色金屬板帶箔生產(chǎn)對(duì)高速軋制、高效板形控制、高成材率都有較高要求,但在實(shí)際生產(chǎn)中,無法有效控制有色金屬板帶箔邊部板形一直是一個(gè)難以解決的問題。因帶材邊部板形質(zhì)量不良,造成軋制速度低、斷帶、火災(zāi)、廢品率高等問題一直制約著很多加工企業(yè)冷箔軋機(jī)組的能效發(fā)揮,影響了企業(yè)綜合效益提升。

在軋制過程中因張力系統(tǒng)原因,帶材邊部板形質(zhì)量不良易產(chǎn)生裂邊,引起帶材斷帶,增加了軋機(jī)發(fā)生火災(zāi)的概率;同時(shí)也制約了軋制速度提升,直接影響生產(chǎn)效率。同時(shí)板形具有遺傳性,邊部板形質(zhì)量不良的板帶箔材進(jìn)入下游工序,會(huì)增加廢邊寬度,直接影響后續(xù)工序的成品率和生產(chǎn)效率,造成更多經(jīng)濟(jì)損失。

帶材邊部板形質(zhì)量不良產(chǎn)生的主要原因是在軋制過程中,軋輥工作溫度不均,軋輥中心區(qū)域溫度高、凸度大,造成帶材邊部溫度變化梯度大。解決帶材邊部板形質(zhì)量不良,實(shí)現(xiàn)帶材邊部板形可控的關(guān)鍵是能夠有效控制工作輥邊部溫度。

2 工作輥電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)

工作輥邊部電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)采用電磁感應(yīng)非接觸加熱方式,在工作輥與帶材接觸的邊部區(qū)域設(shè)置一套電磁感應(yīng)加熱裝置(圖1),對(duì)工作輥相應(yīng)區(qū)域進(jìn)行快速加熱,減小軋輥邊部與中心區(qū)域的溫度梯度,使得工作輥溫度在帶材寬度范圍內(nèi)盡量保持一致。

圖1 邊部加熱系統(tǒng)原理圖

工作輥邊部電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)以PLC控制系統(tǒng)為核心,通過調(diào)節(jié)加熱功率和加熱位置(圖2),實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱器功率和位置調(diào)整裝置位移的控制,并通過與機(jī)組控制系統(tǒng)通訊,實(shí)現(xiàn)軋機(jī)異常情況如斷帶等的連鎖保護(hù)功能。

圖2 邊部加熱系統(tǒng)加熱位置

3 邊部板形控制算法

在工程應(yīng)用中,工作輥邊部電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)能實(shí)時(shí)接收AFC系統(tǒng)所計(jì)算的帶材邊部板形實(shí)際值和設(shè)定值的偏差值。電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)采用PID算法,以帶材邊部板形實(shí)際值和設(shè)定值的偏差值=0為設(shè)定值,AFC系統(tǒng)發(fā)出的偏差值為實(shí)際值,閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率輸出,以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制邊部板形的目標(biāo)。

雖然電磁感應(yīng)加熱技術(shù)在熱效率、功能、高效節(jié)能等方面具有無可比擬的優(yōu)越性,但受制于軋輥材質(zhì)、軋制油、電磁干擾強(qiáng)度等因素的制約,工作輥邊部電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)的功率一般設(shè)置在12kW,不能無限放大。同時(shí)工作輥邊部電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)是通過電磁感應(yīng)加熱改變輥形,間接控制板帶邊部的板形,有一定滯后性。所以帶材邊部板形控制系統(tǒng)不能簡單地采用常規(guī)PID算法,需要加入PID參數(shù)整定模糊控制器。

基于模糊控制的PID參數(shù)自優(yōu)化,是利用模糊控制器對(duì)PID控制器的參數(shù)進(jìn)行在線自優(yōu)化(圖3)。根據(jù)PID三個(gè)控制參數(shù)的關(guān)系,歸納出邊部板形偏差和偏差變化率的模糊關(guān)系,運(yùn)用模糊控制技術(shù)對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改,以滿足在不同板形偏差和偏差變化率時(shí)對(duì)控制器參數(shù)的不同要求,從而使被控對(duì)象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。

圖3 基于模糊控制的PID參數(shù)自優(yōu)化系統(tǒng)框圖

4 工作輥電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)使用效果

某企業(yè)1850mm鋁帶冷軋配置工作輥邊部電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)后,有效改善了帶材邊部不良板形,斷帶次數(shù)下降60%,軋制速度從加裝前的600m/min提升到800m/min,有效提高了生產(chǎn)效率。同時(shí)帶材邊部板形的有效改善,明顯減小后續(xù)分切工序的難度,提升了帶材的成品率。10t卷材的切邊損失,由原來的200kg～300kg(約2%～3%的損失),減小到50kg～70kg(約0.5%～0.7%的損失),提高成品率2%左右。

5 結(jié)束語

結(jié)合電磁感應(yīng)技術(shù)的邊部感應(yīng)加熱系統(tǒng),能夠在軋制過程中對(duì)軋輥邊部區(qū)域進(jìn)行溫度補(bǔ)償,能夠有效減小軋輥橫向溫差,改善帶材邊部質(zhì)量,消除邊緊、邊裂,減輕工作輥邊部磨損,降低冷軋切邊量,提高綜合成材率。近幾年的工程實(shí)踐證明,工作輥邊部電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)可以有效解決寬幅有色金屬板帶箔邊部板形質(zhì)量不良的問題,為冷箔軋機(jī)組高速軋制提供邊部板形技術(shù)保障。