冷轧厚度控制技术分析--张士杰

冷轧厚度控制技术分析

摘要：对薄板冷轧厚度控制技术的发展和方法介绍、分析。厚度控制系统的分类，和轧制过程中厚度变化的原因和特点以及处理方法。通过AGC控制系统减小带钢的厚度偏差。首钢京唐目前使用的厚度自动控制情况。 关键词：AGC控制；压下量；张力；前馈 引言：

随着国民经济的高速发展，科学技术的不断进步，用户对板带钢材的品种、材质、精度提出了更高的要求，尤其在汽车工业、电子工业、高压容器等领域是对各种板带材要求更为苛刻。因而促使板带轧机向自动化、高速化和高精度方向发展，轧机的压下机构要具有高精度、快速性、稳定性、同步性、可靠性等要求。而钢材产品的精度主要指产品的外形尺寸精度，对于板带钢来说，外形尺寸包括厚度、宽度、板形、板凸度、平面形状等等。在所有的尺寸精度指标中，厚度精度是衡量板材及带材的最重要的质量指标之一，己成为国内外冶金行业普遍关注的一个焦点。首钢京唐公司冷轧厂装备了国内数一数二先进的设备，例如三冷轧厂酸轧作业区的日本三菱日立的UCM轧机，采用了厚度自动控制系统。

一、厚度控制的概念

厚度自动控制（AutomaticGaugeControl简称AGC）是提高带材厚度精度的重要方法，其目的是获得板带材纵向厚度的均匀性，从而生产出合格产品。目前，厚度自动控制己成为现代化板带生产中不可缺少的组成部分。

二、薄板冷连轧机AGC系统分类：

（1）用测厚仪测厚的反馈式厚度自动控制系统

70年代，厚度控制系统大多是这类系统，带钢从轧机出来之后，通过测厚仪测出实际轧出厚度并与设定厚度值相比较，得到厚度偏差，当二者相等时，厚度差运算器输出为零。若实测厚度值与给定厚度值相比较出现厚度偏差时，便将它反馈给厚度自动控制装置，变化为辊缝调节量的控制信号，输出给压下执行机构，以消除此厚度偏差。然而，这种控制方式，因检出的厚度变化量与辊缝的控制量不是在同一时间内发生的，所以实际轧出厚度的波动不能得到及时的反映，结果使整个厚度控制系统的操作有一定的时间滞后。为防止厚度控制过程中的此种时间滞后，往往采用厚度计式的厚度自动控制系统。

（2）厚度计式厚度自动控制系统

在轧制过程中，任何时刻的轧制压力P，机架刚度Km和空载辊缝S0都可以检测到，根据轧机的弹跳方程h＝S0＋P/Km，计算出任何时刻的实际轧出厚度h。这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。这种方法可以消除反馈式厚度控制的传递时间滞后，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，这种方式从本质上讲仍然是反馈式的。

（3）前馈式厚度自动控制系统

前两种厚度控制系统，都避免不了控制上的传递上的滞后或过渡过程的滞后，因而限制了精度的进一步提高。特别是当来料的厚度波动较大时，更会影响带钢的实际轧出厚度的精度。为了克服此缺点，在现代化的冷连轧机上都广泛采用前馈式厚度自动控制系统，简称前馈AGC。它用测厚仪或以前一机架作为“厚度计”，在带钢没有进入本机架之前测量出其入口厚度并与给定厚度值进行比较，当有厚度偏差时，便预2第一章绪论先计算出可能产生的轧出厚度偏差，从而确定为消除此偏差值所需的辊缝调节量，然后根据该检测点进入本机架的时间和移动辊缝调节量所需的时间，提前对本机架进行厚度控制，使得厚度控制点正好是厚度偏差的检测点。前馈式厚度控制是属于开环控制系统，一般将前馈式与反馈式厚度控制系统结合使用。

（4）张力式厚度自动控制系统

张力的变化可以显著改变轧制压力，从而能改变轧出厚度。改变张力与改变压下位置控制厚度相比，其惯性小、反应快、易于稳定，在冷轧机尤其是薄板冷轧机上，由于轧件很薄、轧件的塑性刚度很大，靠调节辊缝进行厚度控制，效果很差，为进一步提高成品钢带的精度，常采用张力AGC进行厚度微调。

（5）液压厚度自动控制系统

20世纪下半叶以来，流体传动与控制技术得到了长足的发展，由于其功率大。惯性小、响应速度快等优点，在各工程领域中得到了广泛的应用。轧机的压下系统也逐步采用电液伺服技术，对提高成品带钢的精度有很大的现实意义。借助液压压下系统还可以实现轧机的刚度可调，做到在轧制过程中的实际辊缝固定不变，即“恒辊缝控制”，从而保证了实际轧出厚度不变，还可根据生产实际情况的变化，相应地控制轧机刚度，获得所需要的轧出厚度。

（6）冷连轧机流量AGC系统

20世纪90年代由于激光测速仪的推出使得有可能直接精确测量到带钢的

速度，因而不仅可精确获得各机架前滑值，而且通过变形区秒流量恒定法则有可能精确地计算出变形区的出口厚度。这一技术解决了长期困扰冷连轧机AGC系统设计的问题，即用入口测厚仪信号进行前馈，由于开环控制不能保证出口厚度偏差为零。如果用出口测厚仪信号进行反馈，由于大滞后不稳定，为了保持稳定裕度，不得不减小反馈量。如果用轧制力通过弹跳方程计算变形区出口厚度虽然不存在滞后但弹跳方程测厚精度太低。由于激光测厚仪的采用，使这一问题迎刃而解，既可高精度地获得变形区出口厚度又可以没有滞后地进行反馈控制向厚度控制，其目的是为了获得带钢纵向厚度的均匀性。

同其它各种技术的发展一样，板带轧机板厚控制技术及其理论的发展也经历了由粗到精、由低到高的发展过程。20世纪三十年代以前，近代轧制理论处于孕育萌芽期。

三、板带轧制中的厚度控制 （1）P-h图的建立与运用

板带轧制过程既是轧件产生塑性变形的过程，又是轧机产生弹性变形（即所谓弹跳）的过程，二者同时发生。由于轧机的弹跳，使轧出的带材厚度（h）等于轧辊的理论空载辊缝（S1）再加上轧机的弹跳值。按照虎克定律，轧机弹性变形与应力成正比，则弹跳值应为P/K，则：

h=S0`+P/K（1—1） 式中：P——轧制力，t；

K-轧机的刚度（t/mm）,即弹跳1毫米所需轧制力的大小（吨数）。 （1—1）式为轧机的弹跳方程，据此绘成的曲线A称为轧机弹性变形线，它近似一条直线，其斜率就是轧机的刚度。但实际上在压力小时弹跳和压力的关系并非线性，且压力愈小，所引起的变形也愈难精确确定，亦即辊缝的实际零位很难确定。为了消除这一非线性区段的影响，实际操作中可将轧辊预先压靠到一定程度，即压到一定的压力P0，然后将此时的辊缝指示定为零位，这就是所谓“零位调整”。以后即以此零位为基础进行压下调整。由下图可以看出：

h=S0+(P-P0)/K（1—2）

式中：S0——考虑预压变形的相当空载辊缝（mm）。

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图1P-h图

另一方面，给轧件以一定的压下量（h0—h），就产生一定的压力（P），当料厚（h0）一定，h愈小即是压下量愈大，通过实测或计算可以求出对应于一定h值（即△h值）的P值，在上图绘成曲线B，称为轧件塑性变形线。B线与A线交点的纵坐标即为轧制压力P，横坐标即为板带实际厚度h，塑性变形线B实际是条曲线，为便于研究，其主体部分可近似简化成直线。

由P—h图可以看出，如果B线发生变化（变为B’）,则为了保持厚度h不变，就必须移动压下螺丝，使A线移至A’，使A’与B’的交点的横坐标不变，亦即须使A线与B线的交点始终落在一条垂直线C上，这条垂线C称为等厚轧制线。因此，板带厚度控制实质就是不管轧制条件如何变化，总要是A线与B线交到C线上，这样就可得到恒定厚度（高精度）的板带材。由此可见，P—h图的应用实是板带厚度控制的基础。

(2)板带厚度变化的原因和特点

由上面的P-h图可知，影响带材实际轧出厚度的主要是S0、K和P三大因素。其中轧机刚度K在既定轧机上轧制一定宽度的产品时，一般可认为是不变的。影响S0变化的因素主要由轧辊的偏心运转、轧辊的磨损与热膨胀及轧辊轴承油膜厚度的变化。它们都是在压下螺丝位置不变的情况下使实际辊缝发生变化，从而使轧出的板带厚度发生波动。

冷轧过程中，凡是影响到轧制压力、原始辊缝、张力和油膜厚度等的因素都将对实际带钢轧出厚度产生影响。轧制力P的波动是影响板带轧出厚度的主要因素。因而所有影响轧制力变化的因素都必将影响到板带厚度精度。这些因素主要有：

1、轧件温度、成分和组织性能的不均

对热轧板带最重要的是轧件温度的波动；对冷轧则主要是成分和组织性能的不均。这里应该指出，温度的影响具有重发性，即虽然在前道消除了厚度差，在后一道还会由于温度差而重新出现。故热轧时只有精轧道次对厚度控制才有

意义。

2、坯料原始厚度的不均

来料厚度有波动实际就是改变了P—h图中B线的位置和斜率，使压下量产生变化，自然要引起压力和弹跳的变化。厚度不均虽可通过轧制得到减轻，但终难完全消除，且轧机刚性愈低愈难消除。故为使产品精度提高，必须选择高精度的原料。

3、张力的变化

它是通过影响应力状态及变形抗力而起作用的。连轧板带时头、尾部在穿带和抛钢时由于所受张力分别是逐渐加大和缩小的，故其厚度也分别逐渐减小和增大。此外，张力还会引起宽度的改变，故在热连轧板带钢时应采用不大的恒张力。冷连轧板带时采用的张力则较大，并且还经常利用调节张力作为厚度控制的重要手段。

4、轧制速度的变化

它主要是通过影响摩擦系数和变形抗力，乃至影响轴承油膜厚度来改变轧制压力而起作用的。速度变化一般对冷轧变形抗力影响不大，而显著影响热轧时的抗力；对冷轧时摩擦系数的影响十分显著，而对热轧则影响较小。故对冷轧生产速度变化的影响特别重要。此外速度增大则油膜增厚，因而压下量增大并使带钢变薄。上述各个因素的变化和板厚的关系绘成P-h图。

表1各种因素对板厚的影响

金属变形变化 原因 抗力变化板坯原始厚度变化软件与轧辊间摩擦系数变化轧制时张力变化?q 轧辊原始辊缝变化??S ?h0 ?S0 ?S???SP h0??h0P ?f f??f q??q S0??S0P 变化特性 P P h1'h1h0H h1'h1h0H h1h1h0h1'h1h0h1'h1h0H 板坯原始 摩擦系数 轧制时张 轧辊原始 轧出 金属变形

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