芻議鋼鐵企業(yè)冷軋軋機(jī)特點(diǎn)及控制系統(tǒng)

鍛鋼

（中冶賽迪電氣技術(shù)有限公司，重慶 400013）

概述

厚度自動(dòng)控制是現(xiàn)代板帶生產(chǎn)中不可缺少的重要組成部分。冷連軋機(jī)厚度自動(dòng)控制的基本思想是：把來(lái)料厚度偏差的絕大部分（如95%以上）在第一機(jī)架消除；剩余偏差在以后的各機(jī)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(jīng)第四或第五機(jī)架的控制予以消除。

1 冷軋軋機(jī)特點(diǎn)

重鋼1422冷軋機(jī)組屬于自主集成產(chǎn)品，軋機(jī)本體(包括卷取機(jī))由中國(guó)一重設(shè)計(jì)并制造，控制系統(tǒng)從日立引進(jìn)。機(jī)組采用5機(jī)架6輥冷連軋機(jī)，采用卡羅塞爾式張力卷取機(jī)，軋機(jī)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(jī)的基本結(jié)構(gòu)

以某一機(jī)架為例，其機(jī)械結(jié)構(gòu)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(tái)主傳動(dòng)電機(jī)通過(guò)齒輪箱將電機(jī)輸入的轉(zhuǎn)矩分配給上下工作輥。下面對(duì)各設(shè)備分別進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.2 壓下系統(tǒng)

圖1 一臺(tái)機(jī)架基本機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

壓下系統(tǒng)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(jī)架最大軋制力為17640kN(兩個(gè)缸壓力為23MPa時(shí))，壓下液壓缸的行程為135mm，布置在機(jī)架牌坊的頂部，主要作用是提供軋制壓力，并補(bǔ)償上三輥的磨損量以保證軋制線的穩(wěn)定。帶有位移傳感器的壓下液壓缸由同步控制保證兩側(cè)壓下的平行運(yùn)動(dòng) (兩側(cè)誤差在±1.5mm以內(nèi))，在液壓缸的柱塞桿側(cè)施加背壓使油缸快速提升并防止異物和空氣進(jìn)入液壓回路，背壓壓力為60bar。F1和F5還裝有測(cè)壓頭，安裝在軋制線調(diào)整裝置上用于測(cè)量軋制力，F(xiàn)2～F4機(jī)架通過(guò)壓力傳感器來(lái)?yè)Q算軋制力，作為備用，F(xiàn)1和F5也裝有壓力傳感器。

1.3 軋制線調(diào)節(jié)裝置

為了保證軋制線標(biāo)高1150mm的穩(wěn)定，通過(guò)以下措施來(lái)實(shí)現(xiàn)：當(dāng)上三輥的磨損量達(dá)到75mm時(shí)，通過(guò)推拉墊塊來(lái)補(bǔ)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(jī)的下方，通過(guò)斜鍥來(lái)調(diào)節(jié)軋制線高度，斜鍥有效行程為215mm，斜鍥角為6.250，其機(jī)械結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖

在機(jī)架的傳動(dòng)側(cè)裝有竄輥液壓缸，兩個(gè)中間輥既可同步竄動(dòng)，也可單獨(dú)竄動(dòng)，中間輥軋輥的竄動(dòng)可以在連續(xù)軋制中實(shí)現(xiàn)，以改變軋輥凸度，達(dá)到消除邊浪的目的。軋制中竄動(dòng)速度為2mm/s，其竄動(dòng)行程由內(nèi)置傳感器進(jìn)行檢測(cè)，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(nèi)，在中間輥竄動(dòng)過(guò)程中，中間輥彎輥塊隨中間輥一起做軸向移動(dòng)，中間輥提供正彎輥力，最大為500kN(每個(gè)軸承座)；工作輥彎輥液壓缸用于工作輥正、負(fù)彎輥，彎輥力為+400/-250kN(每個(gè)軸承座)。

除了以上介紹的機(jī)械設(shè)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(jī)架換輥時(shí)間約5.5min。

1.5 冷軋軋機(jī)的特點(diǎn)

本冷軋機(jī)組軋機(jī)具有以下特點(diǎn)：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(jī)架6輥冷連軋機(jī)，比4機(jī)架6輥UCM型軋機(jī)和常規(guī)5機(jī)架4輥軋機(jī)具備更強(qiáng)的軋制能力；②采用工作輥正、負(fù)彎方式，工作輥可做成不帶凸度的輥形，能適應(yīng)較寬的帶鋼。采用工作輥正負(fù)彎輥缸分開(kāi)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)無(wú)死區(qū)切換，響應(yīng)速度快，切換過(guò)程比較平滑；③通過(guò)中間輥的軸向竄動(dòng)，提高了工作輥的剛性，減少工作輥的撓度，給工作輥正負(fù)彎輥留有充分的裕量。竄輥和彎輥相結(jié)合，可以得到高質(zhì)量的板形。

2 冷軋軋機(jī)的控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)核心包括：主傳動(dòng)控制系統(tǒng)、自動(dòng)厚度控制系統(tǒng)和板形控制系統(tǒng)。

2.1 主傳動(dòng)控制系統(tǒng)

5臺(tái)軋機(jī)全部由交流異步電機(jī)傳動(dòng)，控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)為全數(shù)字式矢量控制。每個(gè)機(jī)架采用一臺(tái)交流異步電機(jī)單獨(dú)傳動(dòng)，電機(jī)由交-直-交變頻裝置供電，主傳動(dòng)主要性能指標(biāo)為：調(diào)速范圍1%～100%；速度精度為±0.01%，空載條件下，速度響應(yīng)時(shí)間小于50ms，力矩電流控制精度為±1%，電流響應(yīng)時(shí)間小于6.5ms。

圖3 F1 AGC控制框圖

主傳動(dòng)控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：①主傳動(dòng)控制系統(tǒng)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(shù)控制以及消振、慣性補(bǔ)償和負(fù)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(shí)無(wú)功電流小，有利于電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)控制。③整流側(cè)IGBT采用無(wú)功電流為零調(diào)制，使得電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近于1，電網(wǎng)側(cè)無(wú)需設(shè)置動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置和濾波裝置。

2.2 自動(dòng)厚度控制系統(tǒng)(AGC)

AGC主要依據(jù)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(yīng)時(shí)間為15ms，位置控制精度為±2μm。

2.2.1 AGC壓下控制

當(dāng)軋機(jī)施加一定軋制力時(shí)，軋機(jī)本身要發(fā)生彈性形變，彈性曲線的表達(dá)式為：

其中H-帶鋼厚度；P-軋制力；K-軋機(jī)模數(shù)；S-輥縫。

軋制力與帶鋼壓下量的關(guān)系稱為塑性形變，這兩條曲線的交點(diǎn)就是軋制點(diǎn)，根據(jù)彈性曲線和塑性曲線可進(jìn)行壓下控制。

F1控制的好壞直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，采取的主要控制措施有：

前饋控制#1FF-根據(jù)F1入口測(cè)厚儀檢測(cè)出的來(lái)料厚差來(lái)控制F1的壓下，達(dá)到消除來(lái)料厚差的目的。

BISRA控制-根據(jù)機(jī)架的測(cè)壓頭和SONY磁尺所檢測(cè)的反饋信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)來(lái)料厚差的控制，保證當(dāng)實(shí)際軋制力變化時(shí)調(diào)節(jié)壓下量，維持來(lái)料在出口的厚度不變。

厚度計(jì)法GM-Smith-一方面根據(jù)軋制力來(lái)間接測(cè)量厚度并調(diào)節(jié)輥縫，另一方面為了克服軋輥的熱膨脹等漂移對(duì)厚度計(jì)算的影響，還需根據(jù)彈跳方程所計(jì)算的厚度與實(shí)際檢測(cè)厚度進(jìn)行比較，得出一個(gè)偏差值，再根據(jù)這個(gè)偏差值來(lái)修正輥縫。

反饋控制#1FB-根據(jù)機(jī)架出口側(cè)的測(cè)厚儀測(cè)得的厚差來(lái)控制壓下量，以維持機(jī)架出口厚度與目標(biāo)厚度一致。

GM-Smith和#1FB交替使用，在低速時(shí)使用GM-Smith；在高速時(shí)，由于計(jì)算時(shí)間較短，故采用#1FB。

軋輥偏心控制REC-根據(jù)機(jī)架出口側(cè)測(cè)厚儀測(cè)得的支撐輥在轉(zhuǎn)一圈內(nèi)來(lái)料厚差的分布情況，從中算出支撐輥的偏心量，通過(guò)調(diào)節(jié)壓下量來(lái)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(xù)機(jī)架則不能體現(xiàn)出此控制策略的優(yōu)越性。

加減速補(bǔ)償AC/DC-防止在加減速時(shí)由于摩擦系數(shù)的變化而引起厚度變化，用前饋壓下來(lái)調(diào)節(jié)軋制力。

2.2.2 AGC速度控制

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

其中Vi-第i臺(tái)機(jī)架的線速度；Hi-第i臺(tái)機(jī)架下的帶鋼厚度。

上式表明當(dāng)對(duì)某一機(jī)架的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，也要相應(yīng)地調(diào)節(jié)壓下量。

機(jī)架速度調(diào)節(jié)主要有秒流量平衡的前饋控制和反饋控制。F1速度的調(diào)節(jié)是通過(guò)F2秒流量平衡控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它是根據(jù)F2前的測(cè)厚儀測(cè)得的實(shí)際厚差，來(lái)調(diào)節(jié)F1和S輥的速度，從而通過(guò)F2的解耦控制來(lái)消除F2入口和出口的帶鋼厚差，其它機(jī)架同理可得。

另外，測(cè)速儀是AGC重要部件，當(dāng)測(cè)速儀發(fā)生故障時(shí)，F(xiàn)1～F4根據(jù)F5后的測(cè)厚儀(一用一備)檢測(cè)的厚差進(jìn)行厚差反饋控制，去修正F1～F4的速度，從而保持各機(jī)架的秒流量相等。這樣既可增加系統(tǒng)的容錯(cuò)能力，也可保持生產(chǎn)的連續(xù)性。

表1 板形修正

2.3 自動(dòng)降速(ASD)和動(dòng)態(tài)變規(guī)格(FGC)

ASD是指在FGC前自動(dòng)把速度降至剪切速度(150m/min)，減速起始時(shí)間由實(shí)際軋制速度、減速率及焊縫到F1的距離決定。當(dāng)焊縫過(guò)F1時(shí)，要從一種規(guī)格的軋制轉(zhuǎn)換到另一種規(guī)格的軋制，這個(gè)變化過(guò)程就是FGC。在此過(guò)程中，一個(gè)機(jī)架跟著一個(gè)機(jī)架，通過(guò)輥縫調(diào)節(jié)和軋制速度變化的協(xié)調(diào)完成，以保持軋機(jī)間帶鋼張力恒定。

2.4 自動(dòng)板形控制系統(tǒng)(ASC)

ASC目標(biāo)是保證帶鋼板形獲得令人滿意的期望值，減少操作者的負(fù)擔(dān)，保證軋制平穩(wěn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。在ASC中，通過(guò)板形測(cè)量輥和板形測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)到帶鋼的實(shí)際板形值，根據(jù)目標(biāo)板形和實(shí)際板形的偏差，計(jì)算出執(zhí)行機(jī)架的設(shè)定值。自動(dòng)板形控制器中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(dòng)控制和精細(xì)冷卻控制等。板形控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)不同板形分布的修正如表1所示。

結(jié)論

冷連軋機(jī)是鋼鐵工業(yè)技術(shù)發(fā)展和裝備水平提高的結(jié)晶，它具有高效率、高質(zhì)量、連續(xù)化和自動(dòng)化的特點(diǎn)。

本文從基本結(jié)構(gòu)入手，淺析了其控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和功能，為國(guó)內(nèi)發(fā)展新型軋機(jī)技術(shù)提供技術(shù)參考。對(duì)于更深入的知識(shí)和技術(shù)，如模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)在精細(xì)冷卻中的運(yùn)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(xù)生產(chǎn)裝置，2009.