鋁板帶熱軋機(jī)板帶平直控制原理與方法

任 濤

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

鋁板帶熱軋機(jī)生產(chǎn)的產(chǎn)品規(guī)格多，材質(zhì)性能差異大，用戶對生產(chǎn)成品率和產(chǎn)品外觀要求越來越高。另一方面，熱軋機(jī)組受設(shè)備結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)環(huán)境影響，在板材軋制時很難做到板型監(jiān)控的閉環(huán)控制，只能通過保持設(shè)備穩(wěn)定以及補償輥縫解決跑偏問題。熱軋機(jī)機(jī)架屬于彈性體系統(tǒng)，研究其變形規(guī)律有助于采用對應(yīng)的控制和補償手段。隨著厚控系統(tǒng)功能不斷完善，全自動的靠零程序、剛度測試程序、過程記錄程序為分析和解決問題提供了便利條件?？偨Y(jié)多個現(xiàn)場經(jīng)驗，解決板材厚差和頭尾跑偏需要耐心排查設(shè)備狀態(tài)，細(xì)化各種補償參數(shù)，有針對性的編制軋制道次，最終可以達(dá)到理想的效果。

1 熱軋機(jī)輥縫控制系統(tǒng)組成

鋁板帶熱軋輥縫控制系統(tǒng)由電動壓下、軋輥系統(tǒng)、液壓缸微調(diào)缸及電控系統(tǒng)等部分組成。電動壓下部分由電機(jī)、齒輪箱、蝸輪蝸桿減速機(jī)、壓下絲杠、壓下螺母、推力軸承箱等組成。

電動壓下驅(qū)動采用起重類電機(jī)，啟動力矩大、過載能力強。熱軋機(jī)需要驅(qū)動電機(jī)提供更快的輥縫調(diào)整速度，通常要求30mm/s以上，一些特殊場合已經(jīng)達(dá)到50mm/s。壓下電機(jī)通常設(shè)置兩臺，在傳統(tǒng)的單純電動壓下系統(tǒng)中，兩臺電機(jī)間設(shè)有機(jī)械式或電磁式離合器用于空載兩側(cè)輥縫傾斜調(diào)平。需要說明的是，該結(jié)構(gòu)并不用于軋制時帶料調(diào)偏，調(diào)偏需要另外的機(jī)構(gòu)實現(xiàn)。電動與液壓微調(diào)結(jié)合的輥縫系統(tǒng)，取消了離合器，完全靠微調(diào)缸對機(jī)械偏差進(jìn)行補償。電動壓下系統(tǒng)通過蝸輪蝸桿減速箱減速并轉(zhuǎn)化為升降運動，傳動力矩大、傳動精度高。整個箱體采用稀油循環(huán)潤滑，并需要充分考慮回油通暢，否則漏油進(jìn)入乳液系統(tǒng)將對板材質(zhì)量造成較大影響。

壓下絲杠及螺母承受全部軋制力，需要有較大抗沖擊能力。壓下絲杠通常選用梯形螺紋，受力方向為平面3°牙型。螺紋的潤滑非常關(guān)鍵，傳統(tǒng)的油脂潤滑已基本被淘汰，采用稀油循環(huán)可充分潤滑螺紋面同時可帶出銅螺母研磨出的銅粉。在壓下螺絲中心內(nèi)置位置傳感器，能夠直接測量絲桿位置，同時測量出兩側(cè)絲桿的位置差，可通過液壓缸補償。推力軸承內(nèi)置在壓下絲杠與上支承輥軸承座間的軸承箱間，采用專用的密排錐形輥子軸承。為提高熱軋機(jī)的厚度控制精度，在軸承底部可選裝壓磁式壓力傳感器。與液壓壓力傳感器結(jié)合使用，可有效排除微調(diào)缸及彎輥缸摩擦力對軋制力測量的影響。

熱軋液壓微調(diào)缸多采用下置式(壓上缸)，安裝方便并且替代了軋制線調(diào)整裝置。微調(diào)缸多采用雙外置位置傳感器，檢修方便并且可監(jiān)控液壓缸傾斜情況，傳感器加裝有保護(hù)殼體防止乳液滲入。微調(diào)缸密封采用低摩擦的組合密封結(jié)構(gòu)，摩擦阻力應(yīng)控制在工作壓力的1%以內(nèi)。

軋輥系統(tǒng)由上支承輥、上支承輥平衡、工作輥、工作輥平衡及正彎、負(fù)彎、傳動接軸及平衡裝置等組成。上支承輥平衡力用于確保在高速抬升輥縫時軸承座始終接觸推力軸承。上工作輥平衡力用于克服上工作輥組件加支承輥光輥重量，以防止輥間擦傷。輥縫控制電控部分通常稱為厚控系統(tǒng)，基于軋制剛度理論和軋件塑性理論對輥縫動態(tài)控制，其系統(tǒng)包含的自動剛度測量、自動“靠零”、過程記錄等功能，可以有效幫助查找板帶平直度問題。

2 平直度控制理論及應(yīng)用

2.1 軋機(jī)剛度定義

圖1 軋機(jī)的彈性曲線Fig.1 Elastic curve of rolling mill

2.2 熱軋機(jī)“靠零”過程

通過分析軋機(jī)剛度理論可知，控制輥縫需要避開非線性段，在生產(chǎn)中是采用“靠零”方式實現(xiàn)。首先熱軋機(jī)電動壓下低速上升留出空間，兩側(cè)壓上缸充油將下輥系抬升至軋制線位置停止；然后電動壓下低速下壓，當(dāng)壓上缸測量出油壓變化到一定值后停止，一般取值80t～100t稱為一次靠零力。其后進(jìn)入二次靠零，軋輥轉(zhuǎn)動，壓上缸逐漸加壓至二次靠零力(預(yù)壓靠力P0)，通常取20%～30%軋制力，此時兩側(cè)輥縫采用壓力閉環(huán)控制模式，將軋輥兩側(cè)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值，壓力穩(wěn)定后位置傳感器清零，該點作為輥縫零位。輥縫打開準(zhǔn)備軋制。通常熱軋生產(chǎn)時，靠零后會進(jìn)行多塊料的軋制。

2.3 熱軋機(jī)剛度測量

在熱軋厚調(diào)系統(tǒng)中集成專用的剛度測量程序，可自動完成軋輥壓靠法測定軋機(jī)剛度。利用輥縫控制機(jī)構(gòu)，讓上下軋輥直接接觸壓靠，軋輥作低速運轉(zhuǎn)，不斷增加定值軋制力，同時記錄液壓缸位移值和與其相對應(yīng)的壓力值，到達(dá)最大軋制力約80%停止，并以相同的步長減壓，直至為零。根據(jù)這些不同點的壓下位移(即軋機(jī)彈性變形)值與對應(yīng)的壓力值，做出軋機(jī)彈性變形曲線，求得軋機(jī)剛度K值。即使在剛度線性段，所測量剛度值也不是完全一致，尤其是上升段和下降段不是重合的直線，稱為“滯環(huán)”，是由壓上缸密封為主的阻力方向變化造成的，滯環(huán)體現(xiàn)了軋機(jī)制造精度水平。軋機(jī)操作側(cè)和傳動側(cè)剛度也不完全一致，在軋機(jī)軋制時，輥縫采用動態(tài)補償，所使用的剛度值為曲線，可以有效提高板帶材厚差和楔形的控制精度。

3 典型問題對應(yīng)策略

在生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到板材鐮刀彎或卷材料頭料尾跑偏的問題，通過對軋制參數(shù)過程記錄進(jìn)行分析，結(jié)合軋制剛度理論，逐一排查合理驗證，最終能夠找到影響因素并徹底解決。

3.1 案例1—由于傳感器結(jié)構(gòu)問題造成鐮刀彎

在軋機(jī)生產(chǎn)前，首先要反復(fù)進(jìn)行剛度曲線測試，滯環(huán)差控制在1%～2%，對于形成較明顯滯環(huán)的原因需要找到。影響因素包括微調(diào)缸摩擦阻力、彎輥缸摩擦阻力、位置傳感器可靠性、軸承座間隙、軸向鎖緊板間隙等因素。通過分析靠零過程，任何影響兩側(cè)壓力變化的因素都將會造成輥縫不平，包括傳感器失靈、液壓缸摩擦不均勻、傳動軸偏重、軋輥兩側(cè)卡阻、接軸轉(zhuǎn)動不均勻等。由于軋機(jī)制造、裝配精度等影響，軋輥兩側(cè)的剛度會有差別，對板材跑偏的影響無法直接計算。但這些影響往往是穩(wěn)定的，可通過調(diào)整兩側(cè)的設(shè)定靠零力來糾正。

在某臺熱軋機(jī)生產(chǎn)現(xiàn)場，軋制過程中鐮刀彎頻繁出現(xiàn)，經(jīng)過多次測量剛度曲線，其滯環(huán)差始終不穩(wěn)定，大的時候甚至達(dá)到了8%，判斷一定是測量元件存在問題。經(jīng)過多次測量和調(diào)換位置傳感器，直到將液壓缸解體，找到了裝配干涉點，最終解決問題。

3.2 案例2—由于傳動軸的干擾造成鐮刀彎

在某熱軋機(jī)調(diào)試現(xiàn)場，板材也出現(xiàn)明顯鐮刀彎。首先進(jìn)行了規(guī)律驗證，同一塊料在每個道次偏向同一側(cè)，同一次靠零不同料偏的方向也一樣，但是如重新靠零再軋制，其偏斜方向又有所變化。檢查位置傳感器以及壓力傳感器并做了調(diào)換比較，還是找不到問題原因。調(diào)取了整個軋制靠零過程中各參數(shù)波動曲線，發(fā)現(xiàn)在二次靠零壓力環(huán)調(diào)整過程中，傳動側(cè)壓力有一定波動，比較緩慢很難注意到。為了確認(rèn)該現(xiàn)象，將軋輥始終保持在二次靠零力觀察壓力曲線。長期測試發(fā)現(xiàn)，傳動側(cè)軋制力以工作輥周長為周期有約±30t的波動，會造成靠零過程中兩側(cè)壓力環(huán)緩慢波動，系統(tǒng)瞬間取值后有很大偶然性。當(dāng)該值為0時，生產(chǎn)順利，當(dāng)偏差較大就會出現(xiàn)鐮刀彎，且方向不定。針對這個情況，暫時采用了二次靠零不轉(zhuǎn)輥方案，軋制時鐮刀彎明顯消失，證明問題已找到。最終更換合格的傳動軸將該問題徹底解決。

3.3 案例3—卷取機(jī)動態(tài)補嘗造成卷材甩尾

隨著市場對產(chǎn)品外觀的要求越來越高，熱軋鋁卷的頭尾控制水平也在不斷進(jìn)步。單機(jī)架熱軋機(jī)軋制軟合金鋁卷材，成品道次厚度約4mm～7mm，軋制力小于400t，已經(jīng)遠(yuǎn)小于二次靠零力，接近軋機(jī)剛度非線性段，輥縫控制困難，料頭的偏斜概率加大。除了確保各系統(tǒng)穩(wěn)定，操作人員的調(diào)偏習(xí)慣成為主要干預(yù)手段，同一批料找到規(guī)律進(jìn)行預(yù)控，可以獲得較好的一致性外觀。

某熱軋卷取帶尾嚴(yán)重跑偏，約150mm且方向不定。排查輥縫各參數(shù)無果。后調(diào)取卷取張力曲線觀察，在卷材接近尾部會降速過程，曲線顯示在降速點處明顯有張力波動，分析認(rèn)為會引起軋制力波動且兩側(cè)響應(yīng)速度不一致，導(dǎo)致帶尾跑偏。應(yīng)對方案是微調(diào)卷取機(jī)動態(tài)補償系數(shù)，找到降速最穩(wěn)定值，問題徹底解決。

4 結(jié)語

鋁板帶熱軋機(jī)中，單機(jī)架雙卷取熱軋機(jī)和“1+1”熱軋機(jī)有多個穿帶過程，卷材頭尾整齊度控制還需要依靠操作手的經(jīng)驗，目前厚調(diào)補償功能無法完全替代人工干預(yù)。另外，在條件許可情況下，增加凸度儀、軋制壓力傳感器、張力計等高精儀器，能夠有效提高厚控系統(tǒng)的控制精度。