冷軋機組厚度控制實現方式分析及應用

楊雪松

【摘 要】板厚是衡量板帶材質量的主要指標之一，它直接關系著產品的經濟效益及質量。目前公司主導板材有高級建筑板、高級家電板、汽車用板等。厚度自動控制是通過傳感器或測厚儀對鋼板實際軋出的厚度連續地進行測量，并得出實測值與給定值的偏差信號。

【關鍵詞】冷軋機組；火毒控制；應用；分析

1導言

厚度精度是現代冷軋板帶產品最重要的質量指標之一，直接關系著產品成材率和生產效率。厚度控制精度在一定程度上體現了冷軋機組的裝備和控制水平。目前冷軋板帶軋機主要有單機架可逆軋機和冷連軋機2種機型，這2種機型的厚度控制系統均可分為2個層次進行分析和設計：一是基于厚度測量值（直接測量值或通過帶鋼速度、軋制力等獲得的間接測量值）構建的控制網絡。在此控制網絡中，為消除不同因素引起的厚度超差，采用多種不同的控制方法，如壓力AGC，基于測厚儀測厚的前饋控制、反饋控制，基于秒流量進行厚度計算的前饋控制、反饋控制等。二是第1層控制網絡的實現。前述各種控制方法的控制輸出綜合作用于設備級的執行單元，由此實現板帶的厚度控制。

2壓下厚度控制方式應用及分析

2.1單機架可逆軋機

在單機架可逆軋機中，軋機前后的開卷和卷取張力常采用基于轉矩控制的恒張力控制策略，以開卷機為例，常見的控制結構如圖1所示。在這種張力控制方式下，開卷機及卷取機通過速度飽和以及轉矩限幅的方式實現轉矩控制，以保證軋機入口及出口張力與設定值的一致。開卷機、卷取機采用轉矩控制而非速度控制的原因主要在于：一是要保持帶鋼張力穩定，需要使開卷、卷取的帶鋼線速度與機架入、出口帶鋼速度嚴格匹配，否則會出現張力波動甚至引發斷帶，而速度嚴格匹配很難實現。二是軋制過程中開卷、卷取的帶卷卷徑在實時變化，受多種因素影響，其計算精度難以滿足鋼卷旋轉線速度和帶鋼速度的實時匹配。三是帶鋼速度因軋輥速度以及前滑值的動態變化而波動，依靠傳動裝置速度閉環的響應難以匹配其中的高頻分量。四是轉矩與張力直接對應，且轉矩閉環響應快（目前交流傳動裝置轉矩調節響應時間一般小于10 ms，而速度調節響應時間一般為50～150 ms）。在上述張力控制策略下，實際張力取決于轉矩設定，不受軋機機架狀態（如速度、輥縫調整等）的影響，即從穩態角度分析，張力控制與厚度控制是相互獨立的。可以采用壓下厚度控制方式，通過調節輥縫控制帶鋼厚度。各種控制方法（厚度反饋控制FB、厚度前饋控制FF、秒流量厚度控制MFC）的閉環控制輸出最終作用至液壓輥縫控制單元HGC執行，即構建了“厚度-壓下”內外環控制結構。

2.2冷連軋機組

冷連軋機架間張力控制包括3種方式：一是基于輥縫的恒張力控制，即通過調節下游機架輥縫保持機架間張力恒定；二是基于轉速的恒張力控制，即通過調節上游機架速度保持機架間張力恒定；三是張力極限控制，即張力在一定范圍內波動時不控制，當張力變化超出極限允許范圍后方進行張力控制，正常軋制過程中一般以調節下游機架輥縫作為張力極限控制的調節手段。

采用張力極限控制方式既利用了機架間張力自動縮減帶鋼厚度變化，又降低了軋制力波動及其波動帶來的其他影響（如板形變化），同時又可避免張力發生過大波動，從而保證軋制的穩定性。因此一般選擇張力極限控制作為冷連軋機組穩態軋制時的機架間張力控制方式。當第1機架入口采用恒張力控制，機架間采用張力極限控制方式時，調節輥縫對機架間張力及出口厚度的影響為：增大第1機架輥縫會使所有機架間的張力減小；增大第2機架輥縫將增大第1與第2機架間的張力，其他張力幾乎不變；第3至第5機架具有和第2機架相同的趨勢，即輥縫變化將造成機架入口張力的變化；第1機架輥縫調整對出口厚度影響最大，其他機架的輥縫變化對出口厚度基本無影響。當第1機架入口采用恒張力控制時，為保持入口張力恒定，第1機架入口張力輥常采用類似于單機架開卷機的轉矩控制方式，此時第1機架需采用壓下厚度控制方式。當第1機架入口張力采用張力極限控制方式（入口張力輥采用速度控制）時，調節第1機架的輥縫將引起機架入口張力的變化，對出口厚度基本不發生影響（將在第3節中分析），因此不能采用壓下厚度控制方式。

3冷軋機組控制方式

冷軋機組的控制方式總共有3種，一是在輥縫的基礎上進行恒張力控制，調解下游的機架輥縫，與機架間的張力保持恒定。二是張力極限控制，顧名思義，就是將張力控制在一定范圍內，在張力超出了限定的值之后，才進行張力控制。一般情況下，通過調節下游機架的輥縫，實現對厚度的控制。

4流量厚度控制的實現方式

從流量厚度控制角度去分析，以便更好的理解流量厚度控制方式。在1號機架的入口的張力輥位置，采取轉矩控制方式，以此保證入口張力的恒定性。接著調整1號機架輥，促使1號機架的入口張力輥按照相同的比例發生變化，此段的金屬流量也會發生相同比例的金屬變化。由于2號機架到5號機架的速度不會發生改變，因此前期的潤滑速度變化相對較小，先對2號機架、5號機架進行輥縫調整，其中2號機架的輥縫調整為-0.1m，5號機架的輥縫調整為0.1mm，在此基礎上進行實驗對比，最終結果顯示，采用流量厚度控制地方時2號—5號機架，其出口厚度的控制可以借助調節上游機架、機架速度實現。

5流量厚度控制方式的應用

典型的五機架冷連軋機組控制系統結構如圖5所示。該控制系統基于相鄰下游機架輥縫進行機架間張力極限控制，第1機架入口張力輥通過轉矩控制保證入口張力恒定，第1機架各種厚度控制方法（厚度反饋控制FB、厚度前饋控制FF、秒流量厚度控制MFC）的閉環控制輸出最終作用至液壓輥縫控制單元HGC，構建了“厚度-壓下”內外環控制結構。在此控制結構中，以第5機架出口帶鋼厚度為目標進行流量調整，包括2種途徑：一是在保持軋機出口帶鋼速度的基礎上調節進入軋機的金屬流量，即調節第1機架速度（第2機架的前饋控制通過調節第1機架的速度實現）或第1機架輥縫（通過壓下效率轉換為第1機架的出口厚度）；二是在保持流入軋機金屬流量不變的基礎上調節軋機出口的帶鋼速度，一般通過調節第5機架的速度實現，但是在以第5機架為中心機架（即速度保持不變）的控制系統中，則通過調節第1～4機架的速度實現。

6結論

目前，圍繞冷軋厚度控制已開發了多種控制方法，并構建了不同結構的控制系統，但從控制輸出的實現方式看，可歸結為壓下厚度控制和流量厚度控制2種實現方式，在應用其進行厚度控制系統設計時應遵循以下原則：一是確定張力控制方式是設計厚度控制系統和選擇厚度控制方式的前提；二是對張力與輥縫控制相互獨立的機架（輥縫調整對穩態張力無影響），厚度控制應采用壓下厚度控制方式；三是在冷連軋控制系統中，考慮到機架間張力對厚度的自動修正功能，一般在正常軋制過程中采用張力極限控制方式；四是在張力極限控制下，輥縫修正對進入機架的金屬流量基本不發生影響，由于對機架出口前滑影響很小，因此對出口厚度基本不發生影響，此時厚度控制應選擇流量厚度控制方式；

參考文獻：

[1]崔亞亞，李小峰，劉亞星，錢承，崔熙穎，白振華.二次冷軋過程乳化液流量密度橫向分布模型[J].塑性工程學報，2019，26（03）：300-307.

[2]李貴賓.二次冷軋機組下切水橡皮綜合優化技術[J].機械工程與自動化，2018（02）：135-136+139.

[3]楊薇，于目奎，毛尚偉.冷軋機組厚度控制實現方式分析及應用[J].冶金自動化，2015，39（04）：25-31+51.

[4]李輝.寶鋼1220雙機架二次冷軋機組的自動厚度控制系統分析[J].寶鋼技術，2006（S1）：68-71.

[5]溫江.萊鋼1500單機架冷軋機組厚度自動控制[J].一重技術，2006（04）：27-28.

[6]孫立三.軋制圓鋼絲的五聯式冷軋機組[J].紡織器材，1989（04）：59.

（作者單位：河鋼集團邯鋼公司冷軋廠）