400 mm 热连轧RF-AWC 控制系统

李冠宇，李玉贵，赵晓兵

(太原科技大学 机械工程学院，山西 太原 030024)

0 前言

当今热轧带钢厂的粗轧部分承担了主要的减宽及控宽任务，粗轧区采用的自动宽度控制称为RAWC，其中轧制力反馈自动宽度控制(RFAWC)应用最为广泛。

通常，在粗轧平辊之前安装一对大立辊轧机，通过电机驱动旋转，并采用电动或液压的方式进行压下［1］，这项技术在宽带钢厂应用较为成熟，能够很好控制中间坯精度，上差基本保证在4～8 mm。近些年来，窄带钢厂为了能够改善其成品宽度精度，提高成材率，降低生产成本，也相继引入了这项技术。现根据某窄带钢厂新建设备及工艺特点，构建基础数学模型，并在生产过程中不断优化模型参数［2］。引入宽度自动控制后，带钢宽度精度从过去的3～5 mm 减小到现在的1～2 mm，减少了切边损耗，提高了金属收得率，带钢宽度波动也变得较为平稳。窄带钢生产线机械设备简单，电机功率小，运行周期快，初期投入少，短期收益高，生产坯料和成品规格较为单一，所以在窄带钢线投入自动宽度控制系统见效较快［3］。窄带钢生产线不同于宽带钢采用多台粗轧机配合轧制的模式，一般采用一架可逆式粗轧机，轧制3～5 个道次;窄带钢还具有宽厚比较小的优势，不易形成狗骨形断面，板坯也不容易失去稳定而发生弯曲和扭转，往往在粗轧立辊上开凹槽，进一步提高减宽效率。目前适用于窄带钢宽度控制方面的研究数据和数学模型较少，往往通过现场经验进行调整，存在一定的盲目性和偶然性。这条线的成功实践，对日后窄带钢的生产具有指导意义和参考价值。本文就一些实际问题进行数据分析和比较，以期给相关研究人员一定的参考。

1 工艺设备简介

1.1 连轧工艺

某窄带钢厂400 mm 线，带钢坯料来自连铸生产线，尺寸为225 mm ×150 mm ×6000 mm，由推钢式加热炉进行加热，出炉后，热钢坯通过输送辊道进入水除鳞装置，再经辊道进入粗轧区，粗轧机前后两侧设有侧导板，实现板坯的对中轧制。立轧采用大立辊轧机CL，压下系统为纯液压压下;平轧采用二辊可逆轧机CP，纯电动压下。二者形成连轧，往复轧制5 个道次，其中仅奇数道次立辊有侧压量;偶数道次立辊打开，板坯只进行平辊轧制，立辊空过。中间坯进入精轧区前设有剪切机，用于事故碎断或者超差头尾的剪切。精轧区设有3 架小立辊轧机和9 架平辊轧机，如图1 所示。立辊全部为精轧小立辊，电动压下。前4 架平辊轧机为二辊轧机，后5 架为四辊轧机。平辊轧机间设有活套装置，用来控制张力。全线总共14 架轧机，组成3/4 连续式布置。精轧出口有倾斜导槽，将带钢扭转90°后送入夹送辊，通过蛇振将带钢摆放在运动的链板运输装置上，最后经过夹送辊和矫直机进入立式卷取机、打捆、堆垛。

图1 热连轧工艺流程Fig.1 Hot tandem rolling process

该线在粗轧出口处放置一台测宽仪，用于检测和控制中间坯的宽度精度，精轧出口放置一台测宽仪，用于检测和控制成品带钢的宽度精度。有些生产线在粗轧入口处也放置一台测宽仪，用来实施前馈自动宽度控制［4］。在粗轧区入口和出口分别有高温计，用来修正模型中的温度参数对金属变形的影响。精轧入口和出口同时也设有高温计，帮助精轧二级系统校正温度模型。粗轧立辊配有2 个压头，安装在操作侧上下缸，用于精确检测轧制力，实现轧制力反馈调节。液压缸均配有磁尺装置，用于实现位置闭环控制，精确控制立辊的位置。全线配有多个热金属检测装置，用于带钢的跟踪和位置检测。精轧区末尾配有一台测厚仪，用于精轧区的自动厚度控制以及厚度检测。全线采用西门子PLC 及远程工作站实现自动化控制。其中自动宽度控制系统通过PLC S-400中的458 模块主要完成。该线设计年产量40 万t，产品规格为(1.3～4.0)mm ×(180～220)mm，用于焊管、冷弯成型及冷轧等后续加工。

1.2 立辊轧机设备

在粗轧机前设置大立辊装置可以疏松钢坯表面的氧化铁皮，起到除鳞的作用，还能防止钢坯边部开裂等缺陷，提高表面质量，最重要的是能够调节和控制带钢的宽度规格。

立辊的主传动装置安装在轧机上方，靠立辊的机架承受重量，这样可以使传动装置处在较好的工作环境，方便维护。电机通过减速器带动十字接轴，驱动立辊旋转，传递轧制力矩。

轧辊采用进行过调质处理的锻钢辊，并在辊面上开一个矩形槽，通过槽侧面挤压可以限制狗骨断面的形成，减小了平辊轧制时的狗骨宽展［5］。要注意的是，在标定辊缝时把槽深考虑进去。轴承采用双列圆锥滚子轴承，既要承受轴向载荷，又要承受径向载荷，设备主要参数见表1。

表1 立辊设备主要参数Tab.1 Main parameters of vertical rolling mill

在传动侧和操作侧各有两个AWC 液压缸和一个平衡缸，AWC 缸用于精准调整辊缝并在轧制过程中快速响应RF-AWC 模型算出的调整信号;平衡缸则是为了消除立辊与轴承及其他的机械间隙，图2为立辊轧机设备的示意图。

图2 立辊轧机设备示意图Fig.2 Schematic of vertical rolling mill

2 RF-AWC 控制模型

RF-AWC 控制系统是基于厚度计型自动厚度控制(GM-AGC)提出的。厚度计型的提出是由于当时负荷辊缝无法实时测量，需要间接测量并通过计算得到实时辊缝值。轧机弹跳方程使得轧机辊缝和轧制力之间建立起联系，通过测量轧制力而得到轧机辊缝，这样就把未知问题转化成了已知问题。RF-AWC 根据轧制力的变化计算出立辊的弹跳值，再算出辊缝的调节量，将调节量叠加到系统中，从而确保了板坯的宽度均等，对水印或黑印起到补偿控制作用，但由于该控制属于反馈控制，有延迟性，对系统的实时性和快速响应要求较高。其数学模型为

式中，M为立辊轧机的刚度，Q为轧件宽度方向上的塑性系数［6-7］。

之后又在这个公式的基础上发展出了液压变刚度控制，引入了变刚度系数α，推导出等效压下效率补偿系数为－(M+Q)/M+(1－α)Q，其数学模型为

由于立辊轧机的刚度不容易测量，存在复杂性、多样性和准确度不高等特点，而RF-AWC控制系统的可行性在很大程度上又依赖轧机工作刚度M 及轧件塑性系数Q，所以现场调试中可以通过调节α 值得到合适的取值范围。改变α的值，相当于在相同轧制力增量的情况下，得到不同的弹跳量增加量，这也相当于改变了轧机刚度。变刚度系数α 的值越小，轧制力扰动对出口厚度的影响越小，这意味轧机的当量刚度变大;变刚度系数α 的值越大，轧制力扰动对出口厚度的影响越大，意味轧机的当量刚度变小［8-9］。

图3为RF-AWC 控制框图，ΔB0为立辊入口处板带宽度偏差;ΔS为立辊实际变化量;ΔS*为辊缝调节量;ΔP为轧制力增量;G为增益系数。电控系统根据设定，在结束头尾SSC 或进入带钢稳定段后，开始连续采样10 个点，记录位置和压力信号并取平均值，从而得到锁存值SL 和PL［10］。

图3 RF-AWC 控制框图Fig.3 RF-AWC block diagram

3 应用效果分析

在轧制稳定阶段，分别在投入与切除RFAWC 时，从测宽仪中随机抽取了50组第五道次采样数据，中间坯宽度尺寸设定为275 mm，其除去头尾段算得的宽度平均值偏差，如图4 所示。可以看出宽度指标有明显改善，基本满足宽度上差在1.5 mm 的工程要求。同样，在投入RF-AWC 后，宽度偏差的上下限较之前减小，偏差波动范围也减弱，有效控制了宽度精度，如图5 所示为截取了两幅较有代表性的测宽仪画面，投入RF-AWC 后，轧制过程较为稳定。

4 结论

窄带钢的宽度指标较少得到关注，但随着对产品质量要求的日益提高以及缩减成本的迫切要求，控宽技术越来越受到重视。宽度控制系统在窄带钢轧机上的应用较少，这次在窄带钢粗轧机上的成功投产，证明自动宽度控制系统在窄带钢领域的可行性，一定程度上降低了窄带钢的宽度上偏差，减少了切边率，提高了生产效率及成材率，满足了厂方的宽度要求。

图4 RF-AWC 效果对比图Fig.4 RF-AWC effect comparison

图5 RF-AWC 使用前后比较Fig.5 Comparison between width deviations before and after RF-AWC application

RF-AWC 的工作原理类似于厚度计型AGC，以机架本身为测量仪，通过磁尺检测辊缝的变化量，压头检测轧制力的变化量，根据弹跳方程推算出辊缝的实际调节量，将这个调节量叠加到位置闭环中，完成宽度自动控制。

在现场调试的过程中，通过调整数学模型中的变刚度系数a 以及轧制力反馈增益系数G 来调节立辊轧机的控宽特性，减小立辊辊缝的波动量，提高轧机的响应速度。还可以在计算机中通过仿真研究轧机的响应特性，以及参数对宽度精度的影响。实践证明RF-AWC 在窄带钢中的实用价值，可以在今后的工程中不断改进和推广。

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