冷轧机组厚度控制实现方式分析及应用

杨雪松

【摘 要】板厚是衡量板带材质量的主要指标之一，它直接关系着产品的经济效益及质量。目前公司主导板材有高级建筑板、高级家电板、汽车用板等。厚度自动控制是通过传感器或测厚仪对钢板实际轧出的厚度连续地进行测量，并得出实测值与给定值的偏差信号。

【关键词】冷轧机组；火毒控制；应用；分析

1导言

厚度精度是现代冷轧板带产品最重要的质量指标之一，直接关系着产品成材率和生产效率。厚度控制精度在一定程度上体现了冷轧机组的装备和控制水平。目前冷轧板带轧机主要有单机架可逆轧机和冷连轧机2种机型，这2种机型的厚度控制系统均可分为2个层次进行分析和设计：一是基于厚度测量值（直接测量值或通过带钢速度、轧制力等获得的间接测量值）构建的控制网络。在此控制网络中，为消除不同因素引起的厚度超差，采用多種不同的控制方法，如压力AGC，基于测厚仪测厚的前馈控制、反馈控制，基于秒流量进行厚度计算的前馈控制、反馈控制等。二是第1层控制网络的实现。前述各种控制方法的控制输出综合作用于设备级的执行单元，由此实现板带的厚度控制。

2压下厚度控制方式应用及分析

2.1单机架可逆轧机

在单机架可逆轧机中，轧机前后的开卷和卷取张力常采用基于转矩控制的恒张力控制策略，以开卷机为例，常见的控制结构如图1所示。在这种张力控制方式下，开卷机及卷取机通过速度饱和以及转矩限幅的方式实现转矩控制，以保证轧机入口及出口张力与设定值的一致。开卷机、卷取机采用转矩控制而非速度控制的原因主要在于：一是要保持带钢张力稳定，需要使开卷、卷取的带钢线速度与机架入、出口带钢速度严格匹配，否则会出现张力波动甚至引发断带，而速度严格匹配很难实现。二是轧制过程中开卷、卷取的带卷卷径在实时变化，受多种因素影响，其计算精度难以满足钢卷旋转线速度和带钢速度的实时匹配。三是带钢速度因轧辊速度以及前滑值的动态变化而波动，依靠传动装置速度闭环的响应难以匹配其中的高频分量。四是转矩与张力直接对应，且转矩闭环响应快（目前交流传动装置转矩调节响应时间一般小于10 ms，而速度调节响应时间一般为50～150 ms）。在上述张力控制策略下，实际张力取决于转矩设定，不受轧机机架状态（如速度、辊缝调整等）的影响，即从稳态角度分析，张力控制与厚度控制是相互独立的。可以采用压下厚度控制方式，通过调节辊缝控制带钢厚度。各种控制方法（厚度反馈控制FB、厚度前馈控制FF、秒流量厚度控制MFC）的闭环控制输出最终作用至液压辊缝控制单元HGC执行，即构建了“厚度-压下”内外环控制结构。

2.2冷连轧机组

冷连轧机架间张力控制包括3种方式：一是基于辊缝的恒张力控制，即通过调节下游机架辊缝保持机架间张力恒定；二是基于转速的恒张力控制，即通过调节上游机架速度保持机架间张力恒定；三是张力极限控制，即张力在一定范围内波动时不控制，当张力变化超出极限允许范围后方进行张力控制，正常轧制过程中一般以调节下游机架辊缝作为张力极限控制的调节手段。

采用张力极限控制方式既利用了机架间张力自动缩减带钢厚度变化，又降低了轧制力波动及其波动带来的其他影响（如板形变化），同时又可避免张力发生过大波动，从而保证轧制的稳定性。因此一般选择张力极限控制作为冷连轧机组稳态轧制时的机架间张力控制方式。当第1机架入口采用恒张力控制，机架间采用张力极限控制方式时，调节辊缝对机架间张力及出口厚度的影响为：增大第1机架辊缝会使所有机架间的张力减小；增大第2机架辊缝将增大第1与第2机架间的张力，其他张力几乎不变；第3至第5机架具有和第2机架相同的趋势，即辊缝变化将造成机架入口张力的变化；第1机架辊缝调整对出口厚度影响最大，其他机架的辊缝变化对出口厚度基本无影响。当第1机架入口采用恒张力控制时，为保持入口张力恒定，第1机架入口张力辊常采用类似于单机架开卷机的转矩控制方式，此时第1机架需采用压下厚度控制方式。当第1机架入口张力采用张力极限控制方式（入口张力辊采用速度控制）时，调节第1机架的辊缝将引起机架入口张力的变化，对出口厚度基本不发生影响（将在第3节中分析），因此不能采用压下厚度控制方式。

3冷轧机组控制方式

冷轧机组的控制方式总共有3种，一是在辊缝的基础上进行恒张力控制，调解下游的机架辊缝，与机架间的张力保持恒定。二是张力极限控制，顾名思义，就是将张力控制在一定范围内，在张力超出了限定的值之后，才进行张力控制。一般情况下，通过调节下游机架的辊缝，实现对厚度的控制。

4流量厚度控制的实现方式

从流量厚度控制角度去分析，以便更好的理解流量厚度控制方式。在1号机架的入口的张力辊位置，采取转矩控制方式，以此保证入口张力的恒定性。接着调整1号机架辊，促使1号机架的入口张力辊按照相同的比例发生变化，此段的金属流量也会发生相同比例的金属变化。由于2号机架到5号机架的速度不会发生改变，因此前期的润滑速度变化相对较小，先对2号机架、5号机架进行辊缝调整，其中2号机架的辊缝调整为-0.1m，5号机架的辊缝调整为0.1mm，在此基础上进行实验对比，最终结果显示，采用流量厚度控制地方时2号—5号机架，其出口厚度的控制可以借助调节上游机架、机架速度实现。

5流量厚度控制方式的应用

典型的五机架冷连轧机组控制系统结构如图5所示。该控制系统基于相邻下游机架辊缝进行机架间张力极限控制，第1机架入口张力辊通过转矩控制保证入口张力恒定，第1机架各种厚度控制方法（厚度反馈控制FB、厚度前馈控制FF、秒流量厚度控制MFC）的闭环控制输出最终作用至液压辊缝控制单元HGC，构建了“厚度-压下”内外环控制结构。在此控制结构中，以第5机架出口带钢厚度为目标进行流量调整，包括2种途径：一是在保持轧机出口带钢速度的基础上调节进入轧机的金属流量，即调节第1机架速度（第2机架的前馈控制通过调节第1机架的速度实现）或第1机架辊缝（通过压下效率转换为第1机架的出口厚度）；二是在保持流入轧机金属流量不变的基础上调节轧机出口的带钢速度，一般通过调节第5机架的速度实现，但是在以第5机架为中心机架（即速度保持不变）的控制系统中，则通过调节第1～4机架的速度实现。

6结论

目前，围绕冷轧厚度控制已开发了多种控制方法，并构建了不同结构的控制系统，但从控制输出的实现方式看，可归结为压下厚度控制和流量厚度控制2种实现方式，在应用其进行厚度控制系统设计时应遵循以下原则：一是确定张力控制方式是设计厚度控制系统和选择厚度控制方式的前提；二是对张力与辊缝控制相互独立的机架（辊缝调整对稳态张力无影响），厚度控制应采用压下厚度控制方式；三是在冷连轧控制系统中，考虑到机架间张力对厚度的自动修正功能，一般在正常轧制过程中采用张力极限控制方式；四是在张力极限控制下，辊缝修正对进入机架的金属流量基本不发生影响，由于对机架出口前滑影响很小，因此对出口厚度基本不发生影响，此时厚度控制应选择流量厚度控制方式；

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（作者单位：河钢集团邯钢公司冷轧厂）