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粗轧机厚度自动控制系统的应用
【摘 要】粗轧机是设置在热连轧生产线的关键设备，用于将板坯轧制成规定的中间坯。本文介绍了厚度自动控制系统在粗轧机厚度控制中的实际应用，并介绍了相关的经验公式。
【关键词】厚度 轧制力 辊缝 位置控制
1.概述
厚度自动控制系统的控制量主要是压下量，即为了控制轧件厚度，就要控制轧辊位置，轧辊位置控制为厚度自动控制服务，这样自动厚度控制系统就有外环为厚度环、内环为轧辊位置环的串级控制系统，轧辊位置自动控制系统是厚度自动控制系统的执行机构。
本文介绍的1750热轧线粗轧机的辊缝调节是通过调节上辊压下量来实现的，下辊无上抬功能。在粗轧机的传动侧和操作侧各安装有一台压下电机和压下液压缸。粗轧机轧辊位置自动控制系统包括电动位置自动控制系统和液压位置自动控制系统两部分。电动位置自动控制系统进行粗调，液压位置自动控制系统进行精调。粗轧机辊缝调节在空载下进行，在轧制过程中辊缝不进行调节。
2.厚度自动控制（AGC）
2.1 厚差产生的原因
厚差分为同板差和异板差。异板差是指在相同工艺、设备参数条件下，同一批材料中的不同轧件（不同块或不同卷）轧出厚度不均。异板差主要原因是来料参数（厚度、宽度、轧机入口温度）发生了变化，但未重新对轧机进行设定，即未做到动态设定。下面讨论的是同板差。
在轧机一定的情况下，轧机弹性刚度系数K为常数，根据轧机弹跳方程：h=f(S,P,K)，轧出厚度h与空载辊缝S和轧制力P有关。因此，凡是引起空载辊缝和轧制力变化的因素都是厚差产生的原因。
厚差产生的原因及消除方法如下表。
表1 厚差产生的原因及消除方法
厚差产生原因
消除方法
头尾温差
压力AGC
来料水印低温段
前馈AGC
轧辊偏心（约25~50um）
在AGC系统设置正负20 um的死区予以忽略，或采用单环恒轧制力AGC加以控制。
轧辊热变形和轧辊磨损
辊缝零位常数补偿，测厚仪监控。
张力变化
活套支承器恒定小张力控制或无活套微张力控制
来料温度及硬度变化
穿带自适应或压力AGC
除了以上厚差产生原因外，对于配置了厚度自动控制系统的轧机，轧机的自动设定不准确、控制系统结构和控制参数设计整定不合理、辊缝、轧制力、张力、温度等测量仪表精度低等因素也是产生厚差的原因。
2.2 AGC的种类
按照控制结构的不同，AGC分为前馈AGC、反馈AGC和补偿AGC。前馈AGC又称预控AGC，反馈AGC包括压力AGC、厚度仪AGC、张力AGC、连轧AGC。补偿AGC包括油膜厚度补偿AGC、尾部补偿AGC、轧辊偏心补充AGC。
按照AGC系统使用的操作量的不同，AGC分为压下AGC、张力AGC和速度AGC。压下AGC是靠调整压下即调整辊缝来消除影响轧制压力造成的厚差。压力AGC分为厚度计AGC、动态AGC、绝对值AGC等等。张力AGC是靠调整前后张力来改变轧件塑性刚度系数来控制轧件的厚度的。速度AGC是靠调整轧制速度来控制厚度的。
2.3 厚度计AGC
本文介绍的1750热轧线粗轧机厚度自动控制系统采用的是厚度计AGC（或称GM-AGC）。在轧制过程中，任何时刻的实际轧制力和空载辊缝都可以检测到，因此，可以用轧机弹跳方程计算出任何时刻的实际轧出厚度。在这种情况下，就等于把整个机架作为测量厚度的“厚度计”，这种检测厚度的方法称为厚度计方法（简称GM），以区别用测厚仪直接检测厚度的方法。根据轧机弹跳方程测得的厚度和厚度偏差信号进行厚度自动控制的系统称为厚度计AGC。
2.3.1 厚度计AGC控制原理，见图1。

图1 厚度计AGC控制原理
2.3.2 测厚计回路辊缝计算，见公式：
(
)
s
s
load
noload
=
+
+
×
×
-
+
s
k
C
F
F
s
Str
A
g
A
R
act
R
preset
bearing
,
,
,
,
1

其中：
sload ：实际辊缝[mm]
snoload ：实际无载辊缝[mm]
sStr,A ：工作点上的轧机弹跳[mm]
sbearing ：轴承偏心 [mm]
k ：补偿因数
Cg,A ：工作点上的弹跳常数 [kN/mm]
FR,act ：实际轧制力 [kN]
FR,preset ：轧制力设定[kN]
2.3.3 机架特性
机架特性描述了轧制力和机架弹性之间的关系。有载辊缝增大、测量位置值和轧制力增加都是是由于机架变形引起的。
轧机弹跳公式：
其中：
sStr：总的轧机弹跳
sStr,A：工作点上的轧机弹跳轧制力
Fact：轧辊辊径
FPreset：板坯宽度
Cg,A：弹跳系数
弹跳系数公式：
其中：
Cg,A：工作点上的轧机系数[kN/mm]
A： 工作点
2.3.4 过载保护
为了避免对设备的损害，厚度自动控制中添加了一个过载保护控制单元。通过此控制单元提供一个附加设定值，当轧制力超限时使辊缝自动打开。
3.厚度计AGC的特点
3.1 可以克服直接测厚仪AGC的检测滞后，提高了系统灵敏度，但是对于压下机构的电气和机械系统以及计算机控制时程序运行等的时间滞后仍然不能消除。
3.2 可以消除轧件和工艺方面等多种原因通过轧制压力造成的厚差，如轧件温度、化学成分、摩擦系数、轧前轧件厚度、宽度等因素变化，适应范围广。
3.3 控制精度较低。用轧机弹跳方程间接测厚难以测出轧辊热膨胀和磨损、偏心运转、油膜轴承浮动效应、压下螺丝的回松以及初始辊缝的设定误差等因素引起的厚度变化。
3.4 对轧辊偏心运转引起的高频变化的厚差难以控制（如采用电动压下系统，则不能控制），容易引起压下系统误动作。
3.5 厚差控制过程中，轧制力为正反馈变化过程。当测出的轧制力大于设定值时，厚度计AGC会认为轧出厚度偏大而调小辊缝，轧制力会进一步增大，这样，轧制力很容易超出允许范围，而不能进一步减小厚差。此外，轧制力变化引起轧辊挠度变化，导致板形变化，不利于板形稳定。
3.6 当轧件塑性刚度系数M很大或轧机刚度系数K不大时，压下效率很低，压下移动的距离大部分转变为轧机弹性变形，严重时完全不起作用，因此在轧件变形抗力较大时，不采用调压下的厚度计AGC，而改用调节张力的方法来消除厚差。
4.结束语
由于轧机负荷辊缝的实时直接测量至今尚未解决，通过检测轧制力和辊缝位置信号，根据轧机弹跳方程计算轧出轧件厚度进行厚度控制的压力AGC系统一直是厚度控制系统的核心。热轧1750mm生产线AGC系统运行稳定，产品的厚度控制精度不断提高，取得了很大经济效益，也为AGC系统进一步优化奠定了基础。
参考文献
[1] 李登超，参数检测与自动控制，北京：冶金工业出版社，2004。
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