熱軋生產(chǎn)線過程控制模型

【摘 要】詳細(xì)描述了南南鋁1+1熱軋生產(chǎn)線的過程控制模型。深入介紹了生產(chǎn)線的主要設(shè)備以及應(yīng)用在鋁板帶軋機上的過程控制模型。投產(chǎn)結(jié)果表明，設(shè)備及過程模型均具備了較高的工藝水平，確保了生產(chǎn)的高效率和高質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】鋁軋機；工藝設(shè)備；過程模型；板型及平直度控制

0.引言

南南鋁的“1+1熱軋機組” 生產(chǎn)線的工藝模型和電氣自動化引進(jìn)了西馬克（SMS）的X-Pact電氣自動化系統(tǒng)，完備高效的鋁合金工藝模型、先進(jìn)的系統(tǒng)硬件平臺架構(gòu)和控制技術(shù)保證了生產(chǎn)的高質(zhì)量和高效率。

本文對該“1+1熱軋機組”的工藝設(shè)備及過程控制模型進(jìn)行深入全面的分析。

1.工藝設(shè)備介紹

生產(chǎn)線的主要設(shè)備。

按照軋制過程的物流方向，生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備包括（如圖1所示）：加熱爐，鑄錠翻轉(zhuǎn)和橫向運送裝置，立輥軋機入口導(dǎo)尺，立輥軋機，粗軋機入口導(dǎo)尺，帶有蛇形軋制（Snake Rolling）功能的4輥可逆式粗軋機，粗軋機出口導(dǎo)尺，重型剪，堆垛裝置，輕型剪，精軋機入口導(dǎo)尺，精軋機入口卷取機，精軋機入口夾送輥（帶有緊急事故剪），4輥可逆式精軋機，精軋機出口1#夾送輥（帶有緊急事故剪），切邊剪和碎邊剪，精軋機出口2#夾送輥，精軋機出口卷取機，卷材運輸小車。

2.二級自動化系統(tǒng)工藝模型

2.1概述

二級自動化系統(tǒng)要達(dá)到的目標(biāo)是：高產(chǎn)品質(zhì)量，產(chǎn)出比最大化，超出容許范圍的產(chǎn)品最少化，設(shè)備運行磨損最小化，生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化及可復(fù)制性，人工操作最小化，根據(jù)生產(chǎn)線當(dāng)前的狀態(tài)條件優(yōu)化預(yù)設(shè)定值，生產(chǎn)及產(chǎn)品數(shù)據(jù)的自動收集，與一級系統(tǒng)和生產(chǎn)計劃管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，等。

按功能劃分，如圖2所示，二級自動化系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：

（1）工藝過程模型（對粗軋和精軋進(jìn)行設(shè)定計算）。

（2）軋線跟蹤及數(shù)據(jù)服務(wù)（觸發(fā)模型設(shè)定計算和進(jìn)行內(nèi)部數(shù)據(jù)準(zhǔn)備）。

（3）軋制節(jié)奏控制（優(yōu)化生產(chǎn)過程）。

（4）二級人機界面（用于操作、維護及生產(chǎn)監(jiān)測）。

（5）報表系統(tǒng)及性能評估。

（6）與外部系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

基于廣泛的物理建模和智能自適應(yīng)算法的工藝過程模型，保證了軋制過程的高度精確和產(chǎn)品質(zhì)量的最優(yōu)化。即使尺寸和軋制條件變化很大，物理模型也能夠保證軋制過程極大的靈活性，同時保證滿足產(chǎn)品的性能指標(biāo)。工藝過程模型主要包括：軋制道次計算（PSC），板型及平直度計算（PFC），軋輥狀態(tài)模型（RSM）。

2.2軋制道次計算（PSC）

軋制道次的計算包括5個主要模型（如圖3所示）：

（1）策略模型：驅(qū)動所有的計算步驟和迭代循環(huán)，根據(jù)軋制力分布或相對壓下量應(yīng)用迭代計算方法精確計算一級系統(tǒng)所需要的參考值。

（2）物理模型：考慮所有對設(shè)備設(shè)定值有影響的物理關(guān)系，具體包括計算輥道或板材冷卻設(shè)備的能量平衡、輥縫的能量平衡、輥縫的變形性能。

（3）設(shè)備模型：處理所有與設(shè)備有關(guān)的數(shù)據(jù)及極限值。

（4）產(chǎn)品模型，初始化產(chǎn)品實際數(shù)據(jù)（幾何尺寸，溫度曲線，變形狀態(tài)），存儲產(chǎn)皮in相關(guān)的結(jié)果數(shù)據(jù)（厚度，寬度和變形狀態(tài)），為設(shè)定計算實時提供相關(guān)產(chǎn)品數(shù)據(jù)。

（5）材料模型：合金的流變應(yīng)力，摩擦力，熱物理常數(shù)等。

2.3板型及平直度控制（PFC）

PFC的組成部分及其功能：

（1）考慮了所有影響輥縫的因素的設(shè)定模型：模型的高精確度保證在一個軋制周期內(nèi)軋制出不同的目標(biāo)板型。

（2）在線板型控制：確保頭部到尾部整個長度范圍內(nèi)的板型恒定。

（3）短期和長期自適應(yīng)。

精軋機配備了CVC（連續(xù)可變凸度）軋輥，PFC的最終執(zhí)行機構(gòu)是工作輥彎輥及竄輥。

基于物理及數(shù)學(xué)方程式的PFC模型結(jié)合所有相關(guān)過程參數(shù)實時計算輥縫形狀，PFC的工藝模型包括設(shè)定模型，輥系彈跳模型，平直度模型，輥縫模型，板型在線控制模型，軋輥狀態(tài)模型。

2.3.1設(shè)定模型

以軋制道次表計算結(jié)果（如軋制力、厚度、寬度和軋制速度）為基礎(chǔ)，同時考慮工作輥的熱膨脹性能以及輥系在負(fù)載下的彈跳性能，計算每道次材料橫斷面的板型及平整度，也會計算出CVC工作輥竄輥位置和彎輥力的設(shè)定值，在不影響材料流量的情況下獲取合適的平直度。

如果工作輥竄輥或彎輥系統(tǒng)達(dá)到極限值，設(shè)定模型會在剩余道次中自動改變板型和平直度控制策略。

2.3.2輥系彈跳模型

針對特定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（如輥徑、單位軋制力、彎輥力），輥縫形狀作為帶材寬度的函數(shù)被計算并作為“輥縫基本特性”被離線存儲在設(shè)定模型計算機中。

2.3.3材料流量及平直度模型

根據(jù)相對板型的變化和材料流量特性計算其所帶來的不平直度，中浪和邊浪各有一條取決于厚度、硬度和寬度的材料流量曲線。

2.3.4輥縫模型

輥縫形狀可由工作輥在帶材中部和邊部的變形差值來表示，它是多個變量的函數(shù)。這些變量包括：輥系的幾何形狀，軋輥彈跳模量，帶材寬度，軋制力，軋輥的凸度和直徑，彎輥力，熱凸度，輥縫處的負(fù)荷分配等。

這些變量對輥縫的影響可通過參數(shù)研究來建立，以特征值的形式存在并允許預(yù)設(shè)定模型進(jìn)行訪問和調(diào)用。

2.3.5板型在線控制

凸度儀PGM。

板帶在軋制過程中軋制力會存在波動，原因可能是第一道次軋制時板坯頭部到尾部溫度逐漸下降，離開加熱爐時板坯的頭部和溫度溫度較低，或者板坯滑印部分進(jìn)入輥縫等。

基于工藝知識建立起的凸度儀PGM控制回路，產(chǎn)生作用于工作輥彎輥系統(tǒng)中的補償值，保證當(dāng)軋制力變化時輥縫的幾何形狀不變。

PGM有兩種模式：絕對式和相對式。在絕對模式下，每個道次的目標(biāo)板型在板坯頭部已經(jīng)設(shè)定完成并且在當(dāng)?shù)来握麄€軋制過程中保持恒定。期望軋制力作為參考值，如果期望軋制力與測量值存在偏差，PGM將補償軋制力偏差所產(chǎn)生的板型變化。在相對模式下，材料咬入軋機后一定時間測得的軋制力的平均值作為參考值，用于當(dāng)?shù)来问Ｓ嚅L度的PGM補償。

PGM補償原理如圖9所示，其中dFB/dFR為系數(shù)（單位軋制力偏差對應(yīng)的彎輥力補償量），dFB指彎輥力補償值。

2.3.6軋輥狀態(tài)模型

軋輥熱膨脹。

工作輥在軋制過程中受熱負(fù)荷影響較大，產(chǎn)生的熱膨脹會影響輥縫的形狀。當(dāng)軋制參數(shù)持續(xù)變化并且熱凸度的影響足夠大時，有必要使用在線模型精確地確定熱凸度的輪廓。

軋輥熱凸度主要受以下參數(shù)的影響：輥縫處的熱負(fù)荷（接觸弧面，軋制速度），輥身長度方向上的冷卻強度和冷卻時間，軋制時間和非軋制時間，軋制計劃（寬度，寬度變化），軋輥分離力，產(chǎn)品溫度等。

由于軋制過程中不可能測量工作輥的表面溫度，因此該溫度以及由此產(chǎn)生的工作輥凸度由在線模型進(jìn)行計算。

軋輥磨損。

在線模型計算工作輥中心線處的磨損深度和輥面長度上的磨損輪廓。軋輥磨損計算的原理如圖所示。影響軋輥磨損計算的因素包括（把輥身長度等分為n份）：

·軋輥接觸負(fù)載分布q（i）。

·接觸面積處的相對速度分布vrel（i）。

·軋輥表面的粗糙度Ra。

·已軋制材料的長度。

·設(shè)備的狀態(tài)（輥縫潤滑，軋輥冷卻等）。

3.結(jié)論

南南鋁的“1+1熱軋機組”采用了先進(jìn)的控制模型。從實際的使用效果看，通過采用先進(jìn)的控制模型很好的保證了產(chǎn)品的厚度公差及獲得了良好的板型，生產(chǎn)線設(shè)備具有較高的工藝水平，過程控制模型具有高精度高效率的特點。它們是生產(chǎn)線進(jìn)行生高效率和高質(zhì)量生產(chǎn)的保證。

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