芻議鋼鐵企業冷軋軋機特點及控制系統

鍛鋼

（中冶賽迪電氣技術有限公司，重慶 400013）

概述

厚度自動控制是現代板帶生產中不可缺少的重要組成部分。冷連軋機厚度自動控制的基本思想是：把來料厚度偏差的絕大部分（如95%以上）在第一機架消除；剩余偏差在以后的各機架中按金屬秒流量相等的原理逐步減小；最后，帶鋼厚度偏差經第四或第五機架的控制予以消除。

1 冷軋軋機特點

重鋼1422冷軋機組屬于自主集成產品，軋機本體(包括卷取機)由中國一重設計并制造，控制系統從日立引進。機組采用5機架6輥冷連軋機，采用卡羅塞爾式張力卷取機，軋機入口最大速度為300m/min，出口最大速度為1700m/min，最大軋制力為17640kN。

1.1 冷軋軋機的基本結構

以某一機架為例，其機械結構如圖1所示。從上到下為：上支撐輥——上中間輥——上工作輥——下工作輥——下中間輥——下支撐輥。一臺主傳動電機通過齒輪箱將電機輸入的轉矩分配給上下工作輥。下面對各設備分別進行詳細介紹。

1.2 壓下系統

圖1 一臺機架基本機械結構示意圖

壓下系統由壓下液壓缸、墊塊、伺服閥和SONY磁尺位移傳感器等組成。單機架最大軋制力為17640kN(兩個缸壓力為23MPa時)，壓下液壓缸的行程為135mm，布置在機架牌坊的頂部，主要作用是提供軋制壓力，并補償上三輥的磨損量以保證軋制線的穩定。帶有位移傳感器的壓下液壓缸由同步控制保證兩側壓下的平行運動 (兩側誤差在±1.5mm以內)，在液壓缸的柱塞桿側施加背壓使油缸快速提升并防止異物和空氣進入液壓回路，背壓壓力為60bar。F1和F5還裝有測壓頭，安裝在軋制線調整裝置上用于測量軋制力，F2～F4機架通過壓力傳感器來換算軋制力，作為備用，F1和F5也裝有壓力傳感器。

1.3 軋制線調節裝置

為了保證軋制線標高1150mm的穩定，通過以下措施來實現：當上三輥的磨損量達到75mm時，通過推拉墊塊來補償此磨損量。墊塊位于壓下液壓缸與上支撐輥軸承座之間，在軋機的下方，通過斜鍥來調節軋制線高度，斜鍥有效行程為215mm，斜鍥角為6.250，其機械結構如圖2所示。

1.4 中間輥竄輥和工作輥、中間輥彎輥

圖2 斜鍥基本結構示意圖

在機架的傳動側裝有竄輥液壓缸，兩個中間輥既可同步竄動，也可單獨竄動，中間輥軋輥的竄動可以在連續軋制中實現，以改變軋輥凸度，達到消除邊浪的目的。軋制中竄動速度為2mm/s，其竄動行程由內置傳感器進行檢測，其最大行程為380mm，精度為±0.1mm。

中間輥和工作輥彎輥液壓缸都裝在彎輥塊內，在中間輥竄動過程中，中間輥彎輥塊隨中間輥一起做軸向移動，中間輥提供正彎輥力，最大為500kN(每個軸承座)；工作輥彎輥液壓缸用于工作輥正、負彎輥，彎輥力為+400/-250kN(每個軸承座)。

除了以上介紹的機械設備外，還有軋輥軸向鎖緊裝置，用于軋輥軸承座的軸向鎖緊；為更換舊輥，配置了快速換輥裝置，可選擇更換工作輥或工作輥+中間輥，各機架換輥時間約5.5min。

1.5 冷軋軋機的特點

本冷軋機組軋機具有以下特點：①采用小直徑工作輥，大壓下量，減少了軋制道次或可加大原料帶鋼厚度，采用5機架6輥冷連軋機，比4機架6輥UCM型軋機和常規5機架4輥軋機具備更強的軋制能力；②采用工作輥正、負彎方式，工作輥可做成不帶凸度的輥形，能適應較寬的帶鋼。采用工作輥正負彎輥缸分開設置，實現無死區切換，響應速度快，切換過程比較平滑；③通過中間輥的軸向竄動，提高了工作輥的剛性，減少工作輥的撓度，給工作輥正負彎輥留有充分的裕量。竄輥和彎輥相結合，可以得到高質量的板形。

2 冷軋軋機的控制系統

控制系統核心包括：主傳動控制系統、自動厚度控制系統和板形控制系統。

2.1 主傳動控制系統

5臺軋機全部由交流異步電機傳動，控制調節系統為全數字式矢量控制。每個機架采用一臺交流異步電機單獨傳動，電機由交-直-交變頻裝置供電，主傳動主要性能指標為：調速范圍1%～100%；速度精度為±0.01%，空載條件下，速度響應時間小于50ms，力矩電流控制精度為±1%，電流響應時間小于6.5ms。

圖3 F1 AGC控制框圖

主傳動控制系統具有以下特點：①主傳動控制系統采用日立公司矢量變頻系列裝置，32位中央處理器，可完成速度、電壓、電流、功率因數控制以及消振、慣性補償和負荷平衡控制等。②整流變壓器采用△/△連接、高阻抗變壓器，使得諧波分量限制在較小值，同時無功電流小，有利于電網側的功率因數控制。③整流側IGBT采用無功電流為零調制，使得電網側功率因數接近于1，電網側無需設置動態無功補償裝置和濾波裝置。

2.2 自動厚度控制系統(AGC)

AGC主要依據彈性和塑性曲線、秒流量平衡原理，以F1為例，其AGC控制框圖如圖3所示。階躍幅值為10μm的條件下，其階躍響應時間為15ms，位置控制精度為±2μm。

2.2.1 AGC壓下控制

當軋機施加一定軋制力時，軋機本身要發生彈性形變，彈性曲線的表達式為：

其中H-帶鋼厚度；P-軋制力；K-軋機模數；S-輥縫。

軋制力與帶鋼壓下量的關系稱為塑性形變，這兩條曲線的交點就是軋制點，根據彈性曲線和塑性曲線可進行壓下控制。

F1控制的好壞直接影響產品質量，采取的主要控制措施有：

前饋控制#1FF-根據F1入口測厚儀檢測出的來料厚差來控制F1的壓下，達到消除來料厚差的目的。

BISRA控制-根據機架的測壓頭和SONY磁尺所檢測的反饋信號來實現對來料厚差的控制，保證當實際軋制力變化時調節壓下量，維持來料在出口的厚度不變。

厚度計法GM-Smith-一方面根據軋制力來間接測量厚度并調節輥縫，另一方面為了克服軋輥的熱膨脹等漂移對厚度計算的影響，還需根據彈跳方程所計算的厚度與實際檢測厚度進行比較，得出一個偏差值，再根據這個偏差值來修正輥縫。

反饋控制#1FB-根據機架出口側的測厚儀測得的厚差來控制壓下量，以維持機架出口厚度與目標厚度一致。

GM-Smith和#1FB交替使用，在低速時使用GM-Smith；在高速時，由于計算時間較短，故采用#1FB。

軋輥偏心控制REC-根據機架出口側測厚儀測得的支撐輥在轉一圈內來料厚差的分布情況，從中算出支撐輥的偏心量，通過調節壓下量來減少軋輥偏心引起的厚度變化。此控制策略只在F1使用，隨著帶鋼硬度的增加，后續機架則不能體現出此控制策略的優越性。

加減速補償AC/DC-防止在加減速時由于摩擦系數的變化而引起厚度變化，用前饋壓下來調節軋制力。

2.2.2 AGC速度控制

秒流量平衡原理，即每一機架在單位時間內的入口體積等于出口體積。由于帶鋼寬度方向幾乎沒有延伸，故可表示為：

其中Vi-第i臺機架的線速度；Hi-第i臺機架下的帶鋼厚度。

上式表明當對某一機架的速度進行調節時，也要相應地調節壓下量。

機架速度調節主要有秒流量平衡的前饋控制和反饋控制。F1速度的調節是通過F2秒流量平衡控制來實現的，它是根據F2前的測厚儀測得的實際厚差，來調節F1和S輥的速度，從而通過F2的解耦控制來消除F2入口和出口的帶鋼厚差，其它機架同理可得。

另外，測速儀是AGC重要部件，當測速儀發生故障時，F1～F4根據F5后的測厚儀(一用一備)檢測的厚差進行厚差反饋控制，去修正F1～F4的速度，從而保持各機架的秒流量相等。這樣既可增加系統的容錯能力，也可保持生產的連續性。

表1 板形修正

2.3 自動降速(ASD)和動態變規格(FGC)

ASD是指在FGC前自動把速度降至剪切速度(150m/min)，減速起始時間由實際軋制速度、減速率及焊縫到F1的距離決定。當焊縫過F1時，要從一種規格的軋制轉換到另一種規格的軋制，這個變化過程就是FGC。在此過程中，一個機架跟著一個機架，通過輥縫調節和軋制速度變化的協調完成，以保持軋機間帶鋼張力恒定。

2.4 自動板形控制系統(ASC)

ASC目標是保證帶鋼板形獲得令人滿意的期望值，減少操作者的負擔，保證軋制平穩，提高產品質量。在ASC中，通過板形測量輥和板形測量系統檢測到帶鋼的實際板形值，根據目標板形和實際板形的偏差，計算出執行機架的設定值。自動板形控制器中的執行機構控制單元有：F5傾斜控制、工作輥和中間輥的彎輥控制、中間輥竄動控制和精細冷卻控制等。板形控制執行機構對不同板形分布的修正如表1所示。

結論

冷連軋機是鋼鐵工業技術發展和裝備水平提高的結晶，它具有高效率、高質量、連續化和自動化的特點。

本文從基本結構入手，淺析了其控制系統的特點和功能，為國內發展新型軋機技術提供技術參考。對于更深入的知識和技術，如模糊控制、神經元網絡在精細冷卻中的運用、張力控制等有待深入探討。

[1]梁偉平.一種不銹鋼冷軋板處理工藝，2010.

[2]翟文，翟武.冷軋帶肋鋼筋連續生產裝置，2009.