熱軋生產線過程控制模型

【摘 要】詳細描述了南南鋁1+1熱軋生產線的過程控制模型。深入介紹了生產線的主要設備以及應用在鋁板帶軋機上的過程控制模型。投產結果表明，設備及過程模型均具備了較高的工藝水平，確保了生產的高效率和高質量。

【關鍵詞】鋁軋機；工藝設備；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” 生產線的工藝模型和電氣自動化引進了西馬克（SMS）的X-Pact電氣自動化系統，完備高效的鋁合金工藝模型、先進的系統硬件平臺架構和控制技術保證了生產的高質量和高效率。

本文對該“1+1熱軋機組”的工藝設備及過程控制模型進行深入全面的分析。

1.工藝設備介紹

生產線的主要設備。

按照軋制過程的物流方向，生產線的關鍵設備包括（如圖1所示）：加熱爐，鑄錠翻轉和橫向運送裝置，立輥軋機入口導尺，立輥軋機，粗軋機入口導尺，帶有蛇形軋制（Snake Rolling）功能的4輥可逆式粗軋機，粗軋機出口導尺，重型剪，堆垛裝置，輕型剪，精軋機入口導尺，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。

2.二級自動化系統工藝模型

2.1概述

二級自動化系統要達到的目標是：高產品質量，產出比最大化，超出容許范圍的產品最少化，設備運行磨損最小化，生產的標準化及可復制性，人工操作最小化，根據生產線當前的狀態條件優化預設定值，生產及產品數據的自動收集，與一級系統和生產計劃管理系統進行數據交換，等。

按功能劃分，如圖2所示，二級自動化系統主要包括以下幾個部分：

（1）工藝過程模型（對粗軋和精軋進行設定計算）。

（2）軋線跟蹤及數據服務（觸發模型設定計算和進行內部數據準備）。

（3）軋制節奏控制（優化生產過程）。

（4）二級人機界面（用于操作、維護及生產監測）。

（5）報表系統及性能評估。

（6）與外部系統進行數據交換。

基于廣泛的物理建模和智能自適應算法的工藝過程模型，保證了軋制過程的高度精確和產品質量的最優化。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，同時保證滿足產品的性能指標。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：驅動所有的計算步驟和迭代循環，根據軋制力分布或相對壓下量應用迭代計算方法精確計算一級系統所需要的參考值。

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

（3）設備模型：處理所有與設備有關的數據及極限值。

（4）產品模型，初始化產品實際數據（幾何尺寸，溫度曲線，變形狀態），存儲產皮in相關的結果數據（厚度，寬度和變形狀態），為設定計算實時提供相關產品數據。

（5）材料模型：合金的流變應力，摩擦力，熱物理常數等。

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定模型：模型的高精確度保證在一個軋制周期內軋制出不同的目標板型。

（2）在線板型控制：確保頭部到尾部整個長度范圍內的板型恒定。

（3）短期和長期自適應。

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

基于物理及數學方程式的PFC模型結合所有相關過程參數實時計算輥縫形狀，PFC的工藝模型包括設定模型，輥系彈跳模型，平直度模型，輥縫模型，板型在線控制模型，軋輥狀態模型。

2.3.1設定模型

以軋制道次表計算結果（如軋制力、厚度、寬度和軋制速度）為基礎，同時考慮工作輥的熱膨脹性能以及輥系在負載下的彈跳性能，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達到極限值，設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

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

2.3.3材料流量及平直度模型

根據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。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，輥縫處的負荷分配等。

這些變量對輥縫的影響可通過參數研究來建立，以特征值的形式存在并允許預設定模型進行訪問和調用。

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入輥縫等。

基于工藝知識建立起的凸度儀PGM控制回路，產生作用于工作輥彎輥系統中的補償值，保證當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，每個道次的目標板型在板坯頭部已經設定完成并且在當道次整個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，用于當道次剩余長度的PGM補償。

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

2.3.6軋輥狀態模型

軋輥熱膨脹。

工作輥在軋制過程中受熱負荷影響較大，產生的熱膨脹會影響輥縫的形狀。當軋制參數持續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的影響：輥縫處的熱負荷（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生的工作輥凸度由在線模型進行計算。

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。

·設備的狀態（輥縫潤滑，軋輥冷卻等）。

3.結論

南南鋁的“1+1熱軋機組”采用了先進的控制模型。從實際的使用效果看，通過采用先進的控制模型很好的保證了產品的厚度公差及獲得了良好的板型，生產線設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。它們是生產線進行生高效率和高質量生產的保證。

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