1 引言
目前,随着电子、电器、食品、汽车等工业越来越多地采用高速自动化生产线,他们对轧材厚度与外观形状提出了更高的要求。在过去近百年里,随着板带测厚一测宽一液压以及过程计算机控制技术日益成熟,厚度控制和宽度控制技术让板带的质量发生了质的改变,但是冷轧薄板生产过程中却不能有效地改善板带的断面形状及平直度。最近几年,由于客户对板型特别是平直度的要求愈来愈高,促使冷轧薄板的带材生产企业想尽各种控制办法来改善板型。
过去,在冷轧生产过程中,由于影响板型的因素相对复杂且板型检测和控制技术的不完善,导致产品质量达不到客户要求。莱钢冷轧薄板采用的是瑞典ABB公司的板型仪控制系统,该套板型仪在控制板型方面有着自己独到之处。
2 板型控制描述[3]
从实现控制冷轧板板型的原理看,目前各种板型控制技术基本上都遵循着两种控制思路:一是增大有载辊缝凸度的可调控范围,即所谓柔性辊缝控制;二是增大有载辊缝的横向刚度,减小轧制力变化时辊缝凸度的变化,即所谓刚性辊缝控制。就当今应用最广泛的UC、CVC和PC技术而言,UC技术通过轧辊轴向移位消除辊间有害接触区,提高了辊缝横向刚度,属于刚性辊缝型。CVC和PC分别以轧辊轴向移位和成对交叉提供变化的轧辊变位辊形,使有载辊缝的凸度在一定范围内可调,属于柔性辊缝型。板带轧机的板形控制性能可用有载辊缝凸度进行调节,从而得到最为理想的板带钢板型。
在ABB板型仪控制系统中主要分为测量部分、控制部分和通讯部分等。测量部分包括测量辊、信号处理、图像显示和操作界面。控制部分包括控制功能、过程控制接口和操作控制。通讯部分包括与上位机的通讯、打印机和数字量、模拟量的传输。
ABB板型仪的测量系统安装在单机架出口处,通过接触式分段测量辊检测出带钢经过轧制后的张应力分布,能够及时反映出带钢的实际板型与设定板型的目标曲线的偏差。实际与目标的偏差数据通过板型控制系统中的运算和处理,控制系统最终会给出各种控制量的参数,用来控制机架的液压弯辊、倾斜、张力、工作辊温度等执行机构,来达到消除偏差,实现目标板型控制的目的。
3 ABB板型自动控制系统
板型自动控制原理[1]图如图1所示。
单条带钢应力
3.1 板型检测[4]
通过测量辊(即板型辊)每个测量区域测出带钢张力作用在板型辊传感器区域上的径向力与设定的带钢平均张力比较,能够对比出带钢的平直度。良好带钢平的平直度一定具有相同的轧制延伸,但在一般情况下,横向上很难达到全部相同的延伸,延伸差值越大,则带钢平直度就越差。虽然在轧制过程中,带钢承受足够大的张力,并且用肉眼看去带钢已经是平直的,但实质上带钢沿横向的应力分布不均,一旦带钢张力减少或消失,带钢即出现浪形或瓢曲。
可以利用微积分方法,把带钢沿宽度均分成若干个窄带钢条,那么:
带钢设定的平均应力:
单条带钢应力
单条带钢应力差
其中:Li为带钢沿宽度方向被分成单条后的长度,Ls为拉直后的长度;T为给定的卷取张力;Lo为带钢的额定长度;B为带钢宽度;h为带钢厚度,E为弹性模量。测量辊测出的应力结果与相应的测量区应力分布图可通过ABB板型仪的HMI上显示出来。
3.2 STU单元[1]
STU单元(Signal transmission unit)即信号好传输单元。
冷轧单机架所用板型仪的板型辊为实心钢辊,分44个测量区,为混合型即:中部测量区之间宽度为52mm,两侧测量区之间宽度为26mm。每个区有四个传感器,沿截面正交分布,它们之间是串联关系,(如图2)信号采集侧碳刷式传输信号到STU信号模块,最终把信号传递到板型仪中央控制柜。
3.3 励磁单元
励磁单元是采用三个碳刷供电,(根据现场实际使用和维护经验来看碳刷是比较容易损坏的)并在一次侧产生磁场,通过卷取机设定张力,那么板带就会对测量辊有压力,致使传感器产生形变,在形变的过程时切割了二次侧线圈从而产生电压,该电压值是通过模块的A/D转换功能来进行测量的。
3.4 板型闭环控制方式[2]
(1) 工作辊的弯辊控制
通过调整工作辊的正负弯来改变工作辊的挠度,以达到消除带钢中间浪和两边浪缺陷的目的。
在ABB控制系统中,还把与带材厚度、宽度和材质有关的适应系数纳入控制计算内。对不同材质、不同的轧制规格,通过对该三个适应系数的优化调整使弯辊调节量输出接近理想状态,调节效果达到最佳化。控制原理如图3所示。
(2) 支撑辊倾斜压下控制
如图4所示通过控制支撑辊单侧压下的摆动,实际上就是为了消除或减小边浪而进行支撑辊单侧液压压下量的调整,同样在系统控制程序中,考虑了与带钢规格和材质等有关的适应系数的调整。
(3) 乳化液冷却喷射控制
板型测量辊所测得的板型偏差减去支撑辊倾斜、弯辊压下所能消除的偏差后,得到板型剩余偏差,再由乳化液喷射工作辊进行冷却来消除。计算机按程序设定的采样周期进行取用剩余偏差,并确定与之对应区域的冷却喷嘴的开、关状态。图5为精细冷却时工作乳化液喷射工作辊的示意图,目的是达到板型的精确控制。
4 结束语
ABB板型控制系统是利用压磁原理来检测带材的板型,检测精度高,工作系统稳定,并且它不受板带材质的影响,适应比较恶劣的工作环境,日常维护较容易,因此它被许多板带企业所使用。
参考文献:
[1] ABB.AB．Flatness Measurement and Control System[Z].2005．
[2] 孙一康.冷热轧板带轧机的模型与控制[M].北京:冶金工业出版社,2010．
[3] 徐乐江.板带冷轧机板形控制与机型选择[M].北京:冶金工业出版社,2007．
[4] 周善坤.板形控制的基本原理[J].轻合金加工技术,1998,26,12.
作者简介:李成锋(1978-),男,学士,工程师,研究方向:自动化技术控制。