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立辊轧机宽度自动控制设计与应用

发表时间：2020/11/4 来源：《基层建设》2020年第21期作者：李培元

[导读] 摘要：国内宽度控制技术的发展及现状。近年来，随着中国基础建设行业和高精端汽车行业的快速发展，国内对于热轧板带的需求，无论从数量上还是产品质量精度上都有了飞跃式的提高。

        天津市中重科技工程有限公司 300409
        摘要：国内宽度控制技术的发展及现状。近年来，随着中国基础建设行业和高精端汽车行业的快速发展，国内对于热轧板带的需求，无论从数量上还是产品质量精度上都有了飞跃式的提高。板坯的宽度精度作为衡量产品质量的一项核心指标，成为推动国内热轧宽度控制技术研发的强大动力。大批量连铸板坯的使用，使得生产组织和生产流程更加规范化、标准化，也加速了粗轧宽度控制技术的快速应用。
        关键词：立辊轧机宽度自动控制设计；应用；
        随着热轧钢板产品质量的要求不断提高，除了需要保证钢板的厚度精度外，还需要保证钢板的宽度精度。厚板轧机附设立辊轧机，用于挤边和破鳞，改善边部质量，还能起到平面板形控制的作用。立辊轧机宽度的高精度控制可以降低切边损耗，提高成材率。
        一、立辊轧机宽度自动控制的重要性
        板坯宽度不均、温度不均都将带来带钢宽度误差。精确地控制带钢宽度可以减少切边量，提高带材收得率。对轧机来说，每减少5 mnl的切边量相当于每年节约钢板1万多吨，其价值是十分可观的。而带钢的宽度在精轧区是难以调整的，宽度调整主要靠初轧区的立辊轧机来完成。立辊轧机侧压带来的主要问题是板坯头、尾在相当大长度范围内宽度不合格，这些不合格的部分必须在进精轧前用飞剪切除，因此这种缺陷所带来的切头、切尾损失将远远超过切边的损失。试验证明同一块板坯如头部进行了形状控制（即短行程控制）而尾部没有进行形状控制，结果头部的不合格部分长度仅为70mm，而尾部仅就凹入部分而言就长达320 mm，若加上宽度变窄部分，则切尾长度竞达820 mm。由此可见短行程控制对提高钢材的收得率的作用有多么显著，实现侧压螺丝移动的动态同步和宽度的自动控制。由其原理如图1所示宽度自动控制对于节约材料和能源以及提高对来料板坯的适应性具有重要的意义，并带来了很大的经济效益。

        （图1宽度自动控制原理图）
        二、立辊轧机宽度自动控制设计应用
        1.控制功能设计。伺服阀出现磨损或液压缸发生轻微泄露后，液压缸的位置会发生漂移，单纯的位置闭环控制器对微范围内的纠偏能力差，需要设计有针对性的控制功能弥补位置控制器的纠偏功能。开发零漂补偿功能主要用于对阀芯磨损或者伺服阀缺陷引起的液压缸位置偏移的补偿，对阀芯偏移和零位偏差的补偿尤为明显。因此，本系统结合现场实际引入并优化了零漂补偿控制功能。零漂补偿功能的原理图及结构设计零漂补偿功能作为位置控制器的补偿功能使用，一般适用于在线伺服控制系统中。立辊压下液压缸属于全液压伺服结构，完全满足零漂补偿功能的控制需求。零漂补偿功能的调节过程属于连续调节，它通过积分补偿的手段纠正辊缝的位置偏差。积分补偿投入必须满足以下控制条件才能激活。零漂补偿功能选择投入；位置控制器功能投入；位置偏差超过门槛值；位置控制器设定状态没有变化，压下液压缸设定为静止状态；立辊轧机没有带载或立辊轧制力小于门槛值。在单独的闭环位置控制器的基础上增加了零漂积分补偿功能。从本质上讲，带零漂补偿功能的闭环位置控制系统是一个前馈加单回路反馈控制系统的复合控制系统。引入零漂控制功能后，原闭环位置控制器主要获得了以下两个方面的控制改进：首先，引入零漂积分补偿值的前馈信号可以消除压下液压缸对微偏差调节的不利影响。当立辊辊缝发生轻微扰动变化时，就有一个零漂积分补偿量作为基础定位信号，减小或者抵消因伺服阀泄漏或磨损情况带来的响应误差。这使得伺服调节阀一开始就可以提供快速的动态响应，大大减小了立辊辊缝的波动，使得过渡过程的时间缩短。其次，引入积分补偿前馈信号，能够有效改善调节系统的静态特性，提高调节质量。可以说，当立辊辊缝需要准确定位时，系统静态特性是无差别的。以上特点，使得带零漂补偿功能的闭环位置调节能够在立辊辊缝需要精确定位时较好的完成位置调节。在伺服阀存在泄漏或磨损的工况下，该补偿功能的作用尤其明显。对于像立辊压下缸这种长行程、大流量的液压缸，不同行程位置处液压缸的动态响应变化很大。如果位置闭环控制器中不考虑液压缸的行程位置影响，就会直接影响到立辊压下液压缸的动态响应和位置调节周期。液压缸位置增益补偿功能的设计思路是通过设计一个线性变化的位置增益补偿器来修正液压缸位置变化对动态响应的影响。液压缸位置增益补偿的控制曲线也可以通过对液压缸的单体响应测试描点获得。规定标准的动态响应特性，通过描点采样获得液压缸不同行程位置时的增益系数。将实测的增益系数线性化即        可获得液压缸的位置增益补偿控制曲线。液压缸位置增益补偿功能可以提高立辊压下液压缸在全行程位置上的高动态响应保证，为立辊辊缝的精确控制提供技术优化手段。当带钢咬入立辊轧机的瞬间会对压下液压缸造成很大的冲击，进而引起带钢头部宽度的变化。粗轧中间坯头尾宽度超标对终轧带钢的头部宽度尺寸产生非常大的影响，飞剪切损量也会相应增加。本文所设计的辊缝冲击补偿单元可预报头部冲击造成的宽度补偿量，通过对带钢到来之前到轧机带载这一阶段进行适当的关闭辊缝动作来补偿辊缝冲击值。辊缝冲击补偿功能设计结构中最关键的因素在于如何准确预报冲击补偿量的大小。粗轧中问坯头部冲击补偿量的大小与带钢的硬度、温度、咬入速度和立辊轧制力设定等均有密切联系。所以，辊缝冲击补偿功能的补偿增益系数应当综合考虑上面几个关键因素，对不同钢种、不同屈服强度以及不同轧制力的中间坯采用不同的补偿系数。
        2.宽度控制功能策略。对于在线变化比较剧烈的宽度偏差（如水印低温区），单纯使用反馈控制效果较差，有必要采用前馈控制来补偿。测宽仪前馈控制，为实现前馈控制功能，需要在立辊咬入之前获得板坯长度方向上的宽度数据，必须配置相应的测宽仪表。它的功能设计原理如下：利用轧机后布置的测宽仪表，在平辊轧制最后一道次过程中，测宽仪记录板坯通长方向上的宽度数据，在Rl轧机最后一道次轧制完毕后，系统可以获得板坯实际宽度偏差的分布，根据轧机的刚度特性以及当前带钢的变形抗力等参数，设计算法，将宽度偏差的分布传递到立辊辊缝的补偿中，在轧机轧制第一道次轧制时，在线控制立辊开完成板坯宽度偏差的补偿。在立辊轧机带载信号触发后，带钢头部跟踪开始锁定头部位置，并根据带钢的跟踪长度查找堆栈内对应的宽度偏差值。释放的宽度偏差值作为输入量参与宽度前馈控制的算法计算中，宽度前馈控制算法同时考虑了不同的钢种对宽度偏差修正的影响。最终修正计算完毕后的宽度补偿值叠加到立辊的辊缝设定中。在轧机宽度前馈补偿功能激活的过程中，操作人员通过操作按钮对立辊辊缝进行了干预，宽度前馈补偿控制功能在本道次取消，立辊辊缝的的开口度将会保持在手动干预后的值。宽度前馈补偿控制功能的控制模式选择投入的话，在下一个块钢第一道次控制功能会自动恢复。
        立辊轧机自动宽度控制技术的控制水平直接影响了热轧产品的宽度精度尺寸。随着产品质量要求的不断提高，必然需要不断的提高带钢自动宽度控制技术的研发。由于实际设备的装配水平及控制系统研究方向的差异，宽度控制的方法也呈现出多样性。只有通过有针对性的实践研究，才能找到真正适合现场需要的板坯宽度控制技术。
        参考文献：
        [1]武振威.热轧立辊轧机宽度自动控制系统设计与应用[学位论文].沈阳：东北大学，2018
        [2]郝丽霞，常淑凤，王红光.轧机立辊宽度自动控制（AWC）系统在钢厂的应用.制造业自动化，2016，33（2）：163
        [3]孙一康．带钢热连轧的模型和控匍J[MI，北京：冶金工业出版社，2016，10．