冷轧机带钢的形状和规格控制

冷轧带钢的形状和规格控制

金属轧制工艺的经济效益与最终轧制产品的质量水平密切相关。在轧制过程中提高轧制成品质量的最新努力主要集中在自动化控制先进方法的大规模应用和使用上。对于冷轧机来说，高比例的薄带生产变得非常重要。在这种情况下，厚度控制和先进的板形控制对于由带钢厚度和板形变化决定的带钢质量是必要的。

扁钢产品的轧制是一个复杂的过程，产品的质量受来料、机电设备、润滑和控制策略等一系列因素的影响。重要的质量参数是材料厚度、材料形状和表面和应力分布的均匀性。为了优化成本效益和最大限度地利用材料，严格的厚度公差是必不可少的，以使带材能够尽可能接近最小允许厚度。只有将机电仪表设备与控制策略解决方案有机结合，才能有效优化产品质量。

金属带材的冷轧是一种通过一系列工艺将原材料转化为成品的工艺。这是一个变形过程，其中带材的厚度通过两个相对的轧辊（通常为四辊排列）施加的压缩力而减小。辊旋转以拉动并同时挤压它们之间的带材。带钢在可逆式轧机或串列式轧机中分多次轧制。每个工作辊都由一个更大直径的支撑辊支撑。随着带钢在每道次中通过成对的工作辊，其厚度逐渐减小。厚度减小是由工作辊之间的小区域（表示为辊缝或辊咬口）中的非常高的压缩应力引起的。在该区域，金属发生塑性变形，带材和工作辊表面之间存在滑动。必要的压缩力由液压柱塞施加，或者在许多老式磨机中由电动机驱动的螺杆装置施加。

冷轧是为了进一步降低热轧带钢的厚度，并获得适合获得更高厚度精度、合适的平整度轮廓和更高带钢表面质量的轧制产品的材料性能。冷轧带钢减薄主要通过三种工艺实现，在传感器和控制技术方面需要不同的自动化解决方案。

冷轧机中使用的三种工艺类型包括 (i) 单机架冷可逆式轧机，其中扁平金属带材经过多道次（从 3 到 7 道次）加工，卷材由安装在机架，（ii）两机架冷可逆式轧机，其中通过可逆工艺实现厚度的减少，但由于机架数量的增加，道次（从1到3）减少，以及（iii）串联冷轧机或简单的串列式轧机，其中通过多个不可逆机架（通常为 3 到 7 个不可逆机架）实现减薄。在某些情况下，串列式轧机与酸洗工艺相结合，以提高生产率。在这种情况下，该过程被称为连续冷连轧机，因为线圈被焊接在一起，并且该过程预计仅出于维护原因而停止。在这种情况下，即使是一个卷材和下一个卷材之间的焊缝也会受到轧制。

机架输出处的厚度偏差有两个来源。第一个来源是由于材料特性，这可以（i）由进料带的厚度偏差和（ii）由变形阻力产生。这些主要取决于各种道次中的材料硬度，但也取决于带材长度上的板材化学成分。第二个来源由轧机产生。这些偏差的出现，主要是由于林分屈服，取决于林分弹性模块。工作辊与轧制带材摩擦系数的变化也会影响厚度偏差。

在冷轧机（特别是连轧机）中，厚度控制，即自动厚度控制 (AGC) 调节是通过复杂的控制器实现的，这些控制器需要考虑到不存在活套（如带钢热轧机的情况） )，因此要协调所有机架的调节活动，以保证轧制过程的稳定性。此外，基本控制要与外部控制区分开来。基本控制是液压间隙控制 (HGC)、速度控制器 (SC) 和扭矩控制器 (TC)，它们不依赖于轧制过程的类型，而外部控制器可以根据过程结构和轧制的可用性显着改变传感器。

单机架冷可逆轧机

单机架冷可逆轧机的典型厚度控制器和最常见的传感器配置如图 1 所示。在这里，测厚仪传感器基于 X 射线技术，旨在测量中心线的厚度（很少厚度剖面）。测速传感器基于激光技术或仅仅是编码器。一般来说，如果在快速加速/声明周期的情况下也需要确保所需的测量精度，也就是说，当编码器可能与材料失去接触时，首选使用激光技术（更昂贵）。称重传感器通常安装在每个机架间，以便直接测量机架间张力。如图1所示，单机架冷可逆式轧机在轧机两侧都装有厚度和速度传感器（可能是编码器）是很正常的。

图1单机架冷可逆轧机的厚度控制

对于单机架冷可逆式轧机，外部控制器是 (i) 扭矩张力控制 (TCT)，其中入口/出口张力通过 TC 调节的扭矩保持恒定，进而利用应用于卷取机/开卷机卷取机，(ii) 厚度控制，通过间隙 (GBG) 反馈，其中控制器根据厚度测量“H x 射线输出”为 HGC 参考生成修整，并可在下游使用机架，(iii) 厚度控制，通过间隙前馈 (GFG)，其中控制器为 HGC 参考生成修整，以便通过安装在入口侧并产生测量“H x 射线输入”，以及 (iv) 仪表控制，通过间隙 (GMC) 的质量流量，其中控制器旨在通过利用补偿“H x 射线输出”的厚度偏差质量流原理以及带材在 e 处的速度测量ntry 侧和 exit 侧（'V in' 和'V out' ）。

更准确地说，由于条带宽度的变化可以忽略不计，因此预计会满足质量流量平衡方程（“H x 射线输入”x“V 输入”=“H x 射线输出”x“V 输出”）。根据这个等式，可以跟踪支架入口侧的“H x-ray in”测量值，然后在所考虑支架的出口处获得另一个厚度测量值“H MF out”=（'H X 射线输入' x 'V 输入'/V 输出'）。 GMC 通过控制信号 'H MF out' 而不是信号 'H x-ray out' 确保比 GBC 更宽的稳定性裕度和更好的性能，因为没有传输延迟影响由 'H MF 表示的测量值出来”。

两机架冷可逆式轧机

在两机架冷可逆式轧机中，应用于1号机架（图2）的HGC并非旨在直接调节1号机架出口厚度。实际上，在两机架冷可逆式轧机案例中引入了一些调节器，以尽可能保持 0 号机架和 1 号机架之间的机架间张力恒定，以避免对 GMC / 产生干扰。 GBC作用于0号展台。

图2两机架冷可逆轧机的厚度控制

此外，1 号展台出口处的厚度由 GBS 调节（量规控制，通过速度反馈）。该调节器作用于应用在 1 号机架上的 SC 使用的速度参考，并且可能还作用于应用在 0 号机架上的 SC 使用的速度参考。机架间张力确实由两个相互排斥的控制器控制，即（i ) TCS（通过速度进行张力控制）控制器，通过改变施加在 0 号机架上的 SC 的速度参考值来调节机架间张力，以及 TCG（通过间隙进行张力控制）控制器，它作用于间隙参考值HGC应用于1号展台。

选择保持激活 TCG 还是 TCS 取决于轧机速度。事实上，在低速时，TCS 的结果在一个更迅速的控制器中，但当然，它会干扰负责确保最终厚度的 GBS。因此，为了在速度达到阈值时尽快从TCS切换到TCG，实施了合适的逻辑。当然，在两机架冷换向轧机中，当轧制方向反转时，0号机架和1号机架的作用也相反，外部控制器采用对称逻辑。

冷连轧机

在冷连轧机中，进一步扩展了应用于两机架冷可逆轧机的控制逻辑，以考虑更多机架的贡献（图 3）和传感器的相应可用性。典型的冷连轧机安装配备有传感器，例如（i）在 0 号机架入口侧和 0 号机架出口处的厚度 X 射线，（ii）在最后一个出口处的厚度 X 射线(iii) 激光测速仪一般仅安装在 0 号机位的入口/出口处，(iv) 所有机台间速度和卷取速度均通过编码器测量，以及 (v) 所有机台间张力由称重传感器测量。

与两机架冷可逆式轧机的情况一样，GMC / GBC / GFC 应用于 0 号串联机架的第一个机架（图 3），而负责调节最终厚度的 GBS 可以作用于速度参考对于所有的看台。此外，与两机架冷可逆式轧机一样，所有机架间张力均由TCG或TCS调节。

机架和卷取机和开卷机的速度应协调，以确保轧机的稳定性。这种前馈控制器被称为“速度主控器”。将实施“速度主控制器”以协调轧机中各个实体的速度。这在两机架冷可逆式轧机/冷连轧机中尤为重要，TCG/TCS 实现的机架间张力调节不如 TCT 实现的快。

图3冷连轧机的厚度控制

冷轧机平面度控制

冷轧机的板形控制是通过自动板形控制（AFC）进行的。冷轧机Level 1闭环控制要完成的控制任务不仅涉及板厚（AGC），还涉及板厚（AFC）。

对于冷轧带钢，平面度定义为沿材料宽度方向的内应力差异量。卷取过程中带钢内应力（所谓的形状）的测量可以通过合适的平面度传感器进行，称为形状计或应力计，到目前为止，这些传感器是一项重大投资。由于这些传感器的成本，很少有工厂配备一个以上的平整度传感器，即安装在磨机出口的形状计。

平面度传感器是AFC系统中最重要的部分。考虑到输出的稳定性和响应性，本系统采用接触辊式传感器（应力计）。此前，接触辊式平直度传感器因传感器与钢带之间的划伤而未用于六机架冷连轧机等高速、超薄规格冷轧机。在这个系统中，一个更复杂的传感器辊辅助驱动系统，允许传感器速度和带钢速度同步，防止划伤。

AFC 任务通常通过仅在闭环中利用最后一个支架的平整度执行器来执行，因为它最接近形状计，并且它对线圈最终平整度具有最直接和可预测的影响。用于进行冷轧的轧机机架通常具有先进的平整度执行器。一般在冷连轧机/两机架冷可逆轧机中，机架可以是4辊型或6辊型（即6辊机架）。单机架冷可逆式轧机工艺（尤其是不锈钢）可以用20辊的机架也称为簇式轧机或森吉米尔轧机来实现。

条形测量系统

带材形状，也称为带材平整度，正成为轧机行业所有相关人员更加关注的问题。条形不良会增加废品率，因为由形状不良的条形制成的产品可能有缺陷。随着生产线速度的提高和复杂性的提高，形状不佳的原料会损坏机器或减慢生产速度。

随着宽度与厚度比的增加以及材料变得更硬，条形变得越来越难以控制。通常认为，带材形状缺陷是由带材宽度上的不同百分比减小引起的。这会导致带材相邻部分的不同伸长率，从而产生内应力，从而导致屈曲。有四种主要的条形缺陷是差异减少产生的。这些被称为（i）松散（波浪）边缘，（ii）四分之一扣，（iii）中心丰满度和（iv）人字形（波纹）。

引入了新的轧机，例如连续可变凸度 (CVC) 和对交叉 (PC) 以及工作辊交叉和移动 (RCS)，以改善带钢形状和轮廓，因为轧机有能力作为移动辊、交叉辊和弯曲辊使用。

特定类型轧机的形状控制能力对带钢质量具有决定性影响。根据产品定位，分析比较各种轧机型号对冷轧带钢性能的板形控制控制，选择合适的轧机型号至关重要。

合理设计轧制工艺参数是保证形状质量的基础。通过优化轧制工艺来改善带钢形状是一种传统的工艺方法。然而，已经建立了这种方法的许多新应用。通过优化工艺冷却和多区冷却的乳液通量来提高形状质量。通过优化轧弯力，避免了因带钢头部形状不良而引起的粘钢现象。

冷轧机轧制的带材的形状质量、力学性能和表面粗糙度是通过优化轧制力和张力来实现的。还可以通过优化轧制力、带钢延伸率和张力来实现带钢形状和表面质量的全面改善。在确保良好的带材形状的逻辑下，优化乳液的通量、浓度和温度，以防止带材和轧辊之间的滑动和热刮伤。从而提高了带钢表面的清洁度，降低了乳化液用量。

局部形状控制很困难，因为它的范围很小。 “凸肋”是典型的局部形状缺陷。成为近年来冷轧带钢生产单位的重点。凸筋是由于沿带材宽度存在局部高点，形成与局部高点位置相对应的明显凸起。该缺陷导致卷材开卷后局部出现纵向凸筋，严重影响产品质量。大量的工业数据表明，冷轧带钢凸筋主要是热轧带钢局部高点的遗传造成的，这指出了防止凸筋的由来。

落边控制技术可以减少切削损失，提高产量。近年来，边缘跌落控制技术在硅钢上的应用越来越受到关注。落边控制技术的成果主要体现在自动控制系统的研制和辊型的设计上。

优化轧制工艺参数是提高表面质量的普遍有效的技术措施。表面质量控制经常与形状控制相结合。通过优化轧制力和张力等工艺参数，实现对两机架冷轧可逆式轧机表面粗糙度和形状的综合控制。优化轧制力、带钢延伸率、轧机张力，实现带钢表面质量和形状的综合控制。此外，通过优化乳液的通量、浓度和温度，提高了带材的表面清洁度和形状。目前综合控制技术的应用还比较少。

形状检测是实现形状闭环控制的基础，是提高形状质量的关键。条形仪是在线检测的“眼睛”。是轧制过程的高端测量仪器。条形仪由形状检测辊和形状信号传输处理器两部分组成。形状计的开发难度很大，长期被少数几家公司垄断。在过去的10年里，形状计取得了重大突破。自主研发并成功应用无缝形状检测辊和无线形状信号传输处理器。

冷轧中使用的传统形状计由一系列沿带钢宽度分布的称重传感器组成。每个称重传感器都会产生一个信号，该信号表示与其接触的条带所施加的压力。结果，形状计产生一系列张力信号，其尺寸是传感器上放置的称重传感器的数量[Shape =(T1 ... Tn)]。最近，可以使用基于超声波的非接触式传感器，并提供非常相似的信号阵列。值得指出的是，与两个不同的带状切片相关的特定张力梯度的存在意味着这两个切片呈现不同的伸长率值。反过来，条带之间的伸长率差异过大可能意味着明显的平整度缺陷，需要纠正。

国际流行的断面形状检测辊为断面形状检测辊（图4）。该滚子由芯轴、外圈和压电传感器组成。条带围绕形状检测辊形成一定角度。带材张力T作用在形状检测辊上，产生压力N。一系列外圈和传感器沿形状检测辊的轴向布置，传递和检测压力N。通过信号处理计算机将轴向压力分布转换为张力分布，从而可以计算出带材的形状。这种形状检测辊会压碎和划伤带钢表面，原因有二。首先，外圈之间存在间隙。二是形状检测辊的轴向温度不同。计量辊中间和边缘的温差在几十摄氏度左右，导致不同外圈径向热膨胀差异。

为克服断面形状检测辊的不足，研制了镶嵌块状检测辊（图4）。检测辊本体上加工有两个矩形槽，每个矩形槽内装有一组带传感器的弹性块。该结构有效地避免了分段检测辊热膨胀不均匀造成的带钢表面划伤。但是，电流的“趋肤效应”很容易导致矩形槽边缘和辊体其他部位在热处理时硬度不均。断条很容易损坏辊身的柔软部分，损坏的辊面会在进一步生产中划伤带材表面。

研制了一种新型无缝形状检测辊（图4），彻底解决了上述问题。滚轮体中靠近滚轮表面的圆周方向加工有2-4个精密通孔。孔与滚筒外表面之间的壁厚在6毫米到8毫米之间。壁厚既要利于压力传递，又要为辊磨保留足够的厚度。在每个通孔内都布置了一系列传感器。滚子材质为高碳铬锰钢，淬火后滚子表面硬度超过60HRC。硬化层厚度为4mm以上。该形状检测辊具有表面无缝、硬度高、硬化层深等优点，彻底解决了压伤、划伤带材表面的技术难题。

通过过盈配合的方式对传感器施加一定的预压力，使传感器保持在线性范围内工作。事实上，在轧制过程中，检测辊外表面与内部传感器之间存在一定的温差和热变形差异，这些差异可以减弱或减小传感器与内壁之间的干扰和预压大小。通孔，导致检测信号失真。因此，传感器的组件应具有足够的干扰量和预压力。针对该问题，利用有限元软件模拟了轧制过程中检测辊和传感器的温度场、热变形和压力传递。优化了滚子的结构尺寸和过盈量。

碳刷和滑环是信号传输和供电的常用结构。一系列铜滑环固定在检测辊颈部的旋转端，一系列碳刷固定在与轴承座连接的盖上。检测辊的信号通过电线传输到滑环。然后旋转滑环将信号传输到固定碳刷。此外，信号通过长距离电线传输到远程终端。供电原理与信号传输原理类似。由于碳刷和滑环之间的摩擦，会发生磨损、振动和严重的信号失真。碳刷和滑环需要经常维护，并配备冷却和清洁装置。模拟信号的远距离传输容易受到电磁、振动、温度等因素的干扰，从而增加误差。

图4检测滚轮类型及无线信号处理系统

为了解决上述问题，开发了一种无线和集成信号传输处理器（图 4）。信号处理器由旋转头和固定盖组成。旋转头与检测辊连接并同步旋转。旋转头上设有励磁电源板、模拟采集板、数字处理板、无线传输板和内磁环。盖板固定在轴承座上，盖板上安装有无线接收板、外磁环和稳压电路板。

工作原理是通过电缆和稳压电路板为无线接收板和盖板上的外磁环供电。旋转内磁环通过无线感应传输接收稳压信号，检测辊内的所有传感器和旋转头上的所有电路板均由励磁电源板供电。传感器的输出信号由模拟采集板采集，数字处理板实现模数转换。在磁耦合隔离和光电隔离的条件下进行数字处理和编码。然后将信号传送到无线传输板。无线传输板将信号转换为高频无线信号，并将无线信号传输至无线接收板。无线接收板将无线信号转换为有线信号。最后，信号通过屏蔽电缆传输到远程信号处理计算机。

形状检测受振动、电磁、温差、检测辊安装误差、变形、线圈形状变化等因素的影响，因此形状检测信号需要噪声消除和误差补偿以保证精度。应用离散时间跟踪微分器消除形状检测信号的噪声。

形状控制系统按控制顺序可分为预置控制系统和闭环控制系统，形状控制系统建模包括机构模型和智能模型。预置控制是一种预测控制，闭环控制是一种监控控制。两个控制系统相辅相成，保证了带材的形状质量。形状预置控制是闭环控制的基础。闭环控制精度、速度和稳定性直接受预置控制精度的影响。

形状闭环控制的核心和关键是控制模型，包括控制策略和模型算法。当检测到板形信号时，控制模型快速计算出控制手段的调整量（如轧辊倾斜量、轧辊弯曲力、多区冷却喷淋等），实现基于二次优化的板形及时准确调整和滞后补偿。

轧辊倾斜和弯曲是最灵活和快速的形状控制手段。基于模糊理论和神经网络两种智能方法的协调，建立了轧辊倾斜和弯曲调节的模糊神经PID（比例积分微分）模型。传统的PID控制算法不能直接适应复杂多变的轧制过程，因此将擅长处理未知模型的模糊理论与自学习能力强的神经网络相结合，提高形状控制效果.