冷轧厚度控制技术分析--张士杰.doc

冷轧厚度控制技术分析摘要：对薄板冷轧厚度控制技术的发展和方法介绍、分析。厚度控制系统的分类，和轧制过程中厚度变化的原因和特点以及处理方法。通过AGC控制系统减小带钢的厚度偏差。首钢京唐目前使用的厚度自动控制情况。关键词：AGC控制；压下量；张力；前馈引言：随着国民经济的高速发展，科学技术的不断进步，用户对板带钢材的品种、材质、精度提出了更高的要求，尤其在汽车工业、电子工业、高压容器等领域是对各种板带材要求更为苛刻。因而促使板带轧机向自动化、高速化和高精度方向发展，轧机的压下机构要具有高精度、快速性、稳定性、同步性、可靠性等要求。而钢材产品的精度主要指产品的外形尺寸精度，对于板带钢来说，外形尺寸包括厚度、宽度、板形、板凸度、平面形状等等。在所有的尺寸精度指标中，厚度精度是衡量板材及带材的最重要的质量指标之一，己成为国内外冶金行业普遍关注的一个焦点。首钢京唐公司冷轧厂装备了国内数一数二先进的设备，例如三冷轧厂酸轧作业区的日本三菱日立的UCM轧机，采用了厚度自动控制系统。一、厚度控制的概念厚度自动控制（AutomaticGaugeControl简称AGC）是提高带材厚度精度的重要方法，其目的是获得板带材纵向厚度的均匀性，从而生产出合格产品。目前，厚度自动控制己成为现代化板带生产中不可缺少的组成部分。二、薄板冷连轧机AGC系统分类：（1）用测厚仪测厚的反馈式厚度自动控制系统70年代，厚度控制系统大多是这类系统，带钢从轧机出来之后，通过测厚仪测出实际轧出厚度并与设定厚度值相比较，得到厚度偏差，当二者相等时，厚度差运算器输出为零。若实测厚度值与给定厚度值相比较出现厚度偏差时，便将它反馈给厚度自动控制装置，变化为辊缝调节量的控制信号，输出给压下执行机构，以消除此厚度偏差。然而，这种控制方式，因检出的厚度变化量与辊缝的控制量不是在同一时间内发生的，所以实际轧出厚度的波动不能得到及时的反映，结果使整个厚度控制系统的操作有一定的时间滞后。为防止厚度控制过程中的此种时间滞后，往往采用厚度计式的厚度自动控制系统。（2）厚度计式厚度自动控制系统在轧制过程中，任何时刻的轧制压力P，机架刚度Km和空载辊缝S0都可以检测到，根据轧机的弹跳方程hS0P/Km，计算出任何时刻的实际轧出厚度h。这就等于把整个机架作为测量厚度的“厚度计”，这种检测厚度的方法称为厚度计方法。这种方法可以消除反馈式厚度控制的传递时间滞后，但是对于压下机构的电气和机械系统、以及计算机控制时程序运行等的时间滞后仍然不能消除，这种方式从本质上讲仍然是反馈式的。（3）前馈式厚度自动控制系统前两种厚度控制系统，都避免不了控制上的传递上的滞后或过渡过程的滞后，因而限制了精度的进一步提高。特别是当来料的厚度波动较大时，更会影响带钢的实际轧出厚度的精度。为了克服此缺点，在现代化的冷连轧机上都广泛采用前馈式厚度自动控制系统，简称前馈AGC。它用测厚仪或以前一机架作为“厚度计”，在带钢没有进入本机架之前测量出其入口厚度并与给定厚度值进行比较，当有厚度偏差时，便预2第一章绪论先计算出可能产生的轧出厚度偏差，从而确定为消除此偏差值所需的辊缝调节量，然后根据该检测点进入本机架的时间和移动辊缝调节量所需的时间，提前对本机架进行厚度控制，使得厚度控制点正好是厚度偏差的检测点。前馈式厚度控制是属于开环控制系统，一般将前馈式与反馈式厚度控制系统结合使用。（4）张力式厚度自动控制系统张力的变化可以显著改变轧制压力，从而能改变轧出厚度。改变张力与改变压下位置控制厚度相比，其惯性小、反应快、易于稳定，在冷轧机尤其是薄板冷轧机上，由于轧件很薄、轧件的塑性刚度很大，靠调节辊缝进行厚度控制，效果很差，为进一步提高成品钢带的精度，常采用张力AGC进行厚度微调。（5）液压厚度自动控制系统20世纪下半叶以来，流体传动与控制技术得到了长足的发展，由于其功率大。惯性小、响应速度快等优点，在各工程领域中得到了广泛的应用。轧机的压下系统也逐步采用电液伺服技术，对提高成品带钢的精度有很大的现实意义。借助液压压下系统还可以实现轧机的刚度可调，做到在轧制过程中的实际辊缝固定不变，即“恒辊缝控制”，从而保证了实际轧出厚度不变，还可根据生产实际情况的变化，相应地控制轧机刚度，获得所需要的轧出厚度。（6）冷连轧机流量AGC系统20世纪90年代由于激光测速仪的推出使得有可能直接精确测量到带钢的速度，因而不仅可精确获得各机架前滑值，而且通过变形区秒流量恒定法则有可能精确地计算出变形区的出口厚度。这一技术解决了长期困扰冷连轧机AGC系统设计的问题，即用入口测厚仪信号进行前馈，由于开环控制不能保证出口厚度偏差为零。如果用出口测厚仪信号进行反馈，由于大滞后不稳定，为了保持稳定裕度，不得不减小反馈量。如果用轧制力通过弹跳方程计算变形区出口厚度虽然不存在滞后但弹跳方程测厚精度太低。由于激光测厚仪的采用，使这一问题迎刃而解，既可高精度地获得变形区出口厚度又可以没有滞后地进行反馈控制向厚度控制，其目的是为了获得带钢纵向厚度的均匀性。同其它各种技术的发展一样，板带轧机板厚控制技术及其理论的发展也经历了由粗到精、由低到高的发展过程。20世纪三十年代以前，近代轧制理论处于孕育萌芽期。三、板带轧制中的厚度控制（1）P-h图的建立与运用板带轧制过程既是轧件产生塑性变形的过程，又是轧机产生弹性变形（即所谓弹跳）的过程，二者同时发生。由于轧机的弹跳，使轧出的带材厚度（h）等于轧辊的理论空载辊缝（S1）再加上轧机的弹跳值。按照虎克定律，轧机弹性变形与应力成正比，则弹跳值应为P/K，则：h=S0+P/K（11）式中：P轧制力，t； K-轧机的刚度（t/mm）,即弹跳1毫米所需轧制力的大小（吨数）。（11）式为轧机的弹跳方程，据此绘成的曲线A称为轧机弹性变形线，它近似一条直线，其斜率就是轧机的刚度。但实际上在压力小时弹跳和压力的关系并非线性，且压力愈小，所引起的变形也愈难精确确定，亦即辊缝的实际零位很难确定。为了消除这一非线性区段的影响，实际操作中可将轧辊预先压靠到一定程度，即压到一定的压力P0，然后将此时的辊缝指示定为零位，这就是所谓“零位调整”。以后即以此零位为基础进行压下调整。由下图可以看出：h=S0+(P-P0)/K（12）式中：S0考虑预压变形的相当空载辊缝（mm）。7图1P-h图另一方面，给轧件以一定的压下量（h0h），就产生一定的压力（P），当料厚（h0）一定，h愈小即是压下量愈大，通过实测或计算可以求出对应于一定h值（即h值）的P值，在上图绘成曲线B，称为轧件塑性变形线。B线与A线交点的纵坐标即为轧制压力P，横坐标即为板带实际厚度h，塑性变形线B实际是条曲线，为便于研究，其主体部分可近似简化成直线。由Ph图可以看出，如果B线发生变化（变为B）,则为了保持厚度h不变，就必须移动压下螺丝，使A线移至A，使A与B的交点的横坐标不变，亦即须使A线与B线的交点始终落在一条垂直线C上，这条垂线C称为等厚轧制线。因此，板带厚度控制实质就是不管轧制条件如何变化，总要是A线与B线交到C线上，这样就可得到恒定厚度（高精度）的板带材。由此可见，Ph图的应用实是板带厚度控制的基础。(2)板带厚度变化的原因和特点由上面的P-h图可知，影响带材实际轧出厚度的主要是S0、K和P三大因素。其中轧机刚度K在既定轧机上轧制一定宽度的产品时，一般可认为是不变的。影响S0变化的因素主要由轧辊的偏心运转、轧辊的磨损与热膨胀及轧辊轴承油膜厚度的变化。它们都是在压下螺丝位置不变的情况下使实际辊缝发生变化，从而使轧出的板带厚度发生波动。冷轧过程中，凡是影响到轧制压力、原始辊缝、张力和油膜厚度等的因素都将对实际带钢轧出厚度产生影响。轧制力P的波动是影响板带轧出厚度的主要因素。因而所有影响轧制力变化的因素都必将影响到板带厚度精度。这些因素主要有：1、轧件温度、成分和组织性能的不均对热轧板带最重要的是轧件温度的波动；对冷轧则主要是成分和组织性能的不均。这里应该指出，温度的影响具有重发性，即虽然在前道消除了厚度差，在后一道还会由于温度差而重新出现。故热轧时只有精轧道次对厚度控制才有意义。2、坯料原始厚度的不均来料厚度有波动实际就是改变了Ph图中B线的位置和斜率，使压下量产生变化，自然要引起压力和弹跳的变化。厚度不均虽可通过轧制得到减轻，但终难完全消除，且轧机刚性愈低愈难消除。故为使产品精度提高，必须选择高精度的原料。3、张力的变化它是通过影响应力状态及变形抗力而起作用的。连轧板带时头、尾部在穿带和抛钢时由于所受张力分别是逐渐加大和缩小的，故其厚度也分别逐渐减小和增大。此外，张力还会引起宽度的改变，故在热连轧板带钢时应采用不大的恒张力。冷连轧板带时采用的张力则较大，并且还经常利用调节张力作为厚度控制的重要手段。4、轧制速度的变化它主要是通过影响摩擦系数和变形抗力，乃至影响轴承油膜厚度来改变轧制压力而起作用的。速度变化一般对冷轧变形抗力影响不大，而显著影响热轧时的抗力；对冷轧时摩擦系数的影响十分显著，而对热轧则影响较小。故对冷轧生产速度变化的影响特别重要。此外速度增大则油膜增厚，因而压下量增大并使带钢变薄。上述各个因素的变化和板厚的关系绘成P-h图。表1各种因素对板厚的影响变化原因金属变形抗力变化板坯原始厚度变化软件与轧辊间摩擦系数变化轧制时张力变化轧辊原始辊缝变化变化特性轧出厚度变化金属变形抗力减少时板厚变薄板坯原始厚度h0减少时板厚变薄摩擦系数f减少时板厚变薄轧制时张力q增加时板厚变薄轧辊原始辊缝S0减少时板厚变薄（3）厚度控制方法实际生产中为了提高板带厚度精度，采用了各种厚度控制方法。1、调压下（改变原始辊缝）调压下是厚度控制最主要的方式，常用以消除由于影响轧制压力的因素所造成的厚度差。图2为板坯厚度发生变化，从h0到h0-h0，轧件塑性变形线的位置从B1到B2，与轧机弹性变形线相交于C点，此时轧出的板厚为h1，与要求的板厚h有一定厚度偏差h，为消除此偏差，相应地调整压下，使辊缝从S0变到S0+S0，亦即使轧机弹性线从A1平移到A2，并与B2重新交到等厚轧制线上的E点，使板厚恢复到h。a ba板坯厚度变化时b张力、速度及摩擦系数变化时图2调整压下改变辊缝控制板厚原理图图2（b）是由于张力、轧制速度、轧制温度及摩擦系数等的变化而引起轧件塑性线斜率发生改变，同样用调整压下的办法使两条曲线重新交到等厚轧制线上，保持板厚不变。由图2（a）可以看出，压下的调整量S0与来料厚度的变化量h0并不相等，由图可以看出：S0=h0tan=h0M/K（13）其中，M=tan，为轧件塑性线的斜率，称为轧件塑性刚度。上式说明，当坯料厚度波动h0时，压下必须调到h0M/K的压下量才能消除产品的厚度偏差。这种调厚原理主要用于前馈即预控AGC，即在入口处预测料厚的波动，据以调整压下，消除其影响。由图2(b)可以看出，当轧件变形抗力发生变化时，压下量S0与轧出板厚变化量h也不相等，由图可求出：h/S0=K/(K+M)（14）h/S0是决定板厚控制性能好坏的一个重要参数，称为压下有效系数或辊缝传递函数，它常小于1，轧机刚度K愈大，其值愈大。近代较新的厚度自动控制系统，主要不是靠测厚仪测出厚度进行反馈控制，而是把轧辊本身当作间接测厚装置，通过所测得的轧制力计算出板带厚度来进行厚度控制，这就是所谓的轧制力AGC或厚度计AGC。其原理就是为了厚度的自动调节，必须在轧制力P发生变化时，能自动快速调整压下（辊缝）。可由Ph图求出压力P的变化量（P）与压下调整量S0之间的关系式为：S0/P=-(1/K)(1+M/K)（15）由于P增加，S0减小，即P为正时，S0为负，故符号相反。由图2及（64）式可以看出，如果轧件变形抗力很大即很大，而轧机刚度又不大时，则通常调压下来调厚的效率就很低。因此，对于冷连轧薄带钢的最后几架，为了消除厚差，调压下就不如调张力效率大，响应快。此外调压下对于轧辊偏心等高频变化量也无能为力。2、调张力即利用前后张力来改变轧件塑性变形线的斜率以控制厚度。图3例如，当来料有厚差而产生H时，便可以通过加大张力，使B2斜率改变（变为B2），从而可以在S0不变的情况下，使保持不变。这种方法在冷轧薄板时用的较多。热轧中由于张力变化范围有限，张力稍大即易产生拉窄、拉薄，使控制效果受到限制。故热轧一般不采用张力调厚。但有时在末架也采用张力微调来控制厚度。采用张力厚控法的优点是响应性快，因此可以控制得更为有效和精确；缺点是对轧制热轧带钢和冷轧薄板的某些品种时，为防止拉窄和拉断，张力的变化不能过大。因此，目前即使在冷轧时的厚度控制上往往也并不倾向于单独应用此法，而采用调压下与调张力互相配合的联合方法。当厚度波动较小，可以在张力允许变化范围内能调整过来时则采用张力微调，而当厚度波动较大时则改用调压下的方法进行控制。这就是说，在冷连轧中，张力厚控也只适用于后几架的精调AGC。3、调轧制速度轧制速度的变化影响到张力、温度和摩擦系数等因素的变化。故可以通过调速来调张力和温度，从而改变厚度。例如，近年来新建的热连轧机，都采用了“加速轧制”与AGC相互配合的方法。加速轧制的目的，是为了减小带坯进入精轧机组的首尾温度差，保证终轧温度的一致，从而就减少了因首尾温差所造成的厚度差。依实际轧制情况的不同，可采用各种不同的厚度控制方案。在实际生产中，为了达到精确控制厚度的目的，往往是将多种厚控方法有机地结合起来使用，才能取得更好的效果。其中最主要、最基本、最常用的还是调压下的厚度控制方法。特别是采用液压压下，大大提高响应性，具有很多优点。近年来广泛地应用带有“随动系统”（采用伺服阀系统）的轧辊位置可控的新液压压下装置，利用反馈控制的原理实现液压自动调厚。值得指出的是近年发展的电气反馈液压压下系统，除具有上述定位和调厚的功能外，还可以通过电气控制系统常数的调整来达到任意“改变轧机刚度”的目的，从而实现“恒辊缝控制”，即在轧制中保持实际辊缝值S不变，也就保证了实际轧出厚度不变。这种厚度控制方法目前在热轧中还用得不多，但在冷轧带钢中，由于轧辊偏心运转对厚度差影响较大，不能忽视。因此为了消除这种高频变化的厚度波动，必须采用这种液压厚控系统。前面提到得用厚度计的方法测量厚度，虽然可以避免了时滞，提高了灵敏度，但它对某些因素，例如，油膜轴承的浮动效应、轧辊偏心、轧辊的热膨胀和磨损等，却难以检测出来，从而会使结果产生误差。因此，在实际生产中都是两种方法同时并用，亦即还必须采用射线测厚仪来对轧制力AGC不断进行标定或“监控”。换句话说，为了提高测厚精度，在弹跳方程中还需要增加几个补偿量，这主要是轧辊热膨胀与磨损的补偿和轴承油膜的补偿。由轧辊热膨胀与磨损所带来的辊缝变化以G表示之，这可以利用成品射线测厚仪所测得的成品厚度，以及利用由此实测成品厚度按秒流量相等原则所推算出来的前面各架的厚度，把它们和用厚度仪方法所测算出的各架厚度进行比较，从而求得各架的G值。因此，可以将这种功能称之为“用射线测厚仪对各架轧机的AGC系统进行标定和监视”。油膜补偿即是由于轧制速度的变化使支撑辊油膜轴承的油膜厚度发生变化，最终影响到辊缝值。设其影响量为，则最终轧出厚度应为：h=S0+(P-P0)/K-G（16） 在轧机速度变化时，AGC系统应根据此式对所测厚度进行修正。4、压力AGC控制（GMTR）这种控制也被称为液压轧机的可变刚性。压力AGC控制可以有效地增加轧机刚性，使轧机的等效刚性远大于轧机的自然刚性。在轧制过程中，控制系统分别检测轧机操作侧和传动侧的轧制压力，根据轧机的刚性曲线，计算出轧制力所引起的机架拉伸，相对于预计机架拉伸的任何变化被送入辊缝控制环进行动态补偿。如果上述变化被完全补偿，即100补偿，则轧机将呈现一无限大刚性，轧辊辊缝将不受来料厚度和硬度的影响，可以产生恒定的出口厚度。但是，100轧机刚性补偿会使支承辊偏心完全反映在带材上，同时系统极不稳定，影响轧制精度，实际工作中，补偿的百分比需要调整以获得最佳的轧机性能。5、支承辊偏心补偿在轧制0.10.2mm以上带材，使用；辊缝控制时有效。采用快速傅立叶变换寻找上、下支承辊偏心的分布情况，在实际控制时对偏心进行补偿。6、厚度监控通过出口侧测厚仪检测轧机出口侧带材的厚度偏差，控制轧辊辊缝或轧制压力，使厚度偏差趋于零。厚度监控可以消除因热膨胀、轧制速度等对出口厚度的影响，消除入口厚度变化和入口带材硬度变化的影响。7、厚度预控通过入口侧测厚仪检测轧机入口侧带材厚度，存入一先入先出的厚度链表中，经过延时，根据所存厚度值控制轧辊辊缝或轧制压力，使轧机出口侧带材的厚度偏差减小。延时的时间决定于入口测厚仪至轧辊中心线的距离和轧材的线速度。8、秒流量控制根据流量恒定原理，单位时间内进入轧机的带材体积应等于轧机出口带材的体积，因此，可通过测量轧机入口、出口速度和入口厚度计算出轧机出口厚度，这一计算厚度与设定厚度的偏差用于控制轧辊辊缝或轧制压力，同时，用出口测厚仪测得的带材实际厚度偏差对上述控制进行校正。（1）前馈AGC原理前馈AGC不是根据本机架的实际轧出厚度的偏差来控制厚度，而是在轧制过程尚未进行之前，预先测定出来料厚度偏差H，并往前馈送给轧机，在预定时间内提前调整压下机构，以便保证获得所需要的轧出厚度h。正是由于它是往前馈送信号，来实现厚度自动控制，所以称为前馈AGC，或称为预控AGC。图4（2）反馈AGC原理板带从轧件中轧出之后，利用测厚仪测出实际厚度h实，并与设定值h设相比较，得到厚度偏差hh设h实，当二者数值相等时，厚度差运算器的输出为零，即h0。若实测厚度值与使得厚度值比较出现厚度偏差h时，便将该值反馈给厚度自动控制装置，变换为辊缝调节的控制信号，输出给执行机构，由压下电动机带动压下螺丝作相应的调节，以消除此厚度偏差。图5（3）各种厚度控制方式的分析比较 压力AGC由于受压力测量设备以及轧机刚度非线性等条件的限制，不能进一步提高其控制精度，并且压力AGC也不能消除由轧机本身原因引起的厚度变化。反馈AGC、张力AGC和监控AGC是纯滞后的反馈型AGC系统。前馈AGC的主要用途就是消除来料的厚度波动,对于出口厚度偏差的修正却不能起到很好的调节作用，同时也不能很好地消除由轧机本身原因引起的厚度变化。控制精度更高的流量AGC系统被称之为微米级厚度自动控制系统( m AGC)。为达到精确的厚度公差，将采取下述功能和工艺：四、首钢京唐厚度三冷轧厂自动控制系统1、功能和配置压上缸内配有磁尺高响应、可靠的电动压力阀No.1和 No.5机架采用测压头No.1机架入口、 No.5机架出口以及机架间配置张力计X射线测厚仪：No.1机架出入口各一台；No.5机架入口1台，出口1台多普勒激光测速仪：No.2-No.5机架出口各1台No.1机架利用接近开关检测支撑辊旋转时的偏心进行偏心补偿控制2、带钢厚度控制工艺（1）No.1机架采用如下控制BISRA AGC通过轧制力反馈信号控制No.1机架压下位置，该反馈信号来源于测压头，No.1机架压下位置通过磁尺测量，这样可以消除热轧卷厚度和硬度偏差造成的影响。前馈AGC通过No.1机架入口测厚仪测量的来料带钢厚度信号控制No