【毕业学位论文】2000 箔材轧机高精度轧制控制技术-控 制 工 程

分类号 密级 U D C 编号 士学位论文 论 文 题 目 2000 箔材轧机 高精度轧制控制技术 学科、专业 控 制 工 程 研究生姓名 吴 绍 英 导师姓名及 桂卫华 教 授 专业技术职务 刘 越 高级工程师 2005 年 11 月分类号 密级 U D C 编号 士学位论文 论 文 题 目 2000 箔材轧机 高精度轧制控制技术 学科、专业 控 制 工 程 研究生姓名 吴 绍 英 导师姓名及 桂卫华 教 授 专业技术职务 刘 越 高级工程师 2005 年 11 月 要 箔材的高精度轧制控制技术是提高产品质量和产量的关键。 但由于箔材轧机其产品的特殊性， 也造成了在控制方式和手段上不同于一般的冷轧机，需根据箔材轧制特点提出新的控制理念。 由轧机弹跳方程以及常用的 法的分析中可知：当张力增大时，轧制压力减小，轧件的厚度将变薄。而根据轧件轧制前后体积不变且不考虑其宽展时： 板形在很大程度上决定于轧件轧制前后的横向厚差。目前国内板形控制方式都是通过控制辊形，即轧辊分段冷却技术来实现的， 但因其时滞性及辊形和轧制压力的横向分布相互影响等原因，尽管有些也采用了模糊控制或专家系统等智能控制手段，但实际使用效果并不十分令人满意。而张力对带材横向厚度的直接调节，将克服上述不足。 本文根据轧制带材前张力分布易于在线检测， 后张力的改变对带材厚度作用较明显的特点， 提出了一种基于张力控制的板带材厚差和板形控制的综合解决方案：在机后安装分段式张力测量辊；在机前安装张力测量仪和张力分布控制辊（ ） ，该辊通过液压伺服控制系统可在线横向分段改变辊径， 从而改变带材的横向张力分布。 这样，通过电机传动系统实时控制带材后张力以消除厚差；通过 实时控制带材的后张力分布以控制板形， 直到检测出的厚度偏差为零及张力分布均匀为止。 针对 2000幅铝箔轧机，结合轧制道次规程，通过卷取电机特性的理论分析与计算，介绍了张力控制在实际中应用；同时，箔材高精度轧制自动化控制系统的组成和实现，给出了工程实例。 关键词： 厚差和板形的综合调节，张力控制，自动化控制系统 he of of is of of of in on is of to to In of as as of of to of do in of of is to it is of of as or to do is of is to is of is of a of on is of In In , so of of SR of of of up to to 000 mm of of of in in At of of 录 第一章 绪 论 .制过程控制的发展概况 .内外高精度轧制技术的现状及其发展 .制理论的研究是实现高精度轧制的基础 .究背景与意义 .要研究内容与论文构成 .二章 箔材轧制特点 .材生产工艺及设备 . 工艺特点 . 后张力的作用 . 铝箔板形 . 生产设备 .箔轧机的控制要求 . 电气传动 . 自动化仪表 . 计算机控制系统 . 自动控制的主要功能 . 系统配置的特点 .结 .三章 高精度厚度与板形控制 .带材厚度和板形的基本概念 . 纵向厚度精度表示方法 . 横向厚度精度表示方法 . 板形表示法 .度波动 . 轧件厚度波动的原因 . 厚度控制方式 . 厚度调节方式的发展 .直度缺陷 . 平直度的基本概念 . 板形控制方式 . 板形控制方式的发展 . 横向厚差与板形的关系 .结 .四章 一种基于张力控制的厚差和板形综合调节方法 .述 .差和板形控制的综合调节 . 问题的提出 . 关于综合调节 . 关于张力调节 . 厚差和板形一体化控制的实现 .形控制及检测单元 .结 .五章 2000 箔材轧机张力控制系统 .取电机过载倍数计算 . 基本概念 . 过载倍数公式推导 . 电机参数验算 .取电机道次张力电流计算 . 额定张力的概念 . 卷取机的接电率 . 力矩系统张力升高系数 . 力矩标么值 . 参数校验 . 动态力矩计算 . 电机过载能力计算 . 卷取机最大张力确定 .结 .六章 高精度箔材轧机自动化控制系统 .述 .机机组电气控制系统 . 直流传动控制系统 . 机列操作和辅助传动控制系统 . 厚度与板型控制系统 . 人机界面操作 . 上位监控计算机 .结 .七章 结论与展望 .考文献 . 谢 .读学位期间发表论文及科研成果目录 .南大学硕士学位论文 第一章 绪论 1第第 一一 章章 绪绪 论论 制过程控制的发展概况 自 1924 年第一套 1470 板带轧机在美国问世以来， 板带材生产发生了一系列的变化。轧制过程自动化的发展大致可分为三个阶段：第一阶段大约在 20 世纪4050 年代，为单机自动化阶段；第二阶段在 20 世纪 60 年代，为计算机和单机自动控制系统共存阶段；第三阶段为 1970 年直至现在，为全部采用计算机进行直接数字控制阶段。 自 20 世纪 60 年代以来， 随着计算机自动控制技术的广泛应用和整个科学技术水平的不断提高，轧制生产技术也进入了飞跃发展的阶段，其发展的主要趋势和特点是： （ 1）高精度轧制技术。一是提高轧制参数的 预设定精度；二是开发高性能的在线自动控制系统； （ 2）轧制生产过程日趋连续化。可大大提高产品的产量和质量； （ 3）智能化轧制技术。在带材轧 制生产中采用人工智能技术始于 20 世纪90 年代，首先是在日本，然后是德国，接着 在全世界掀起了一个在轧制过程中应用人工智能的高潮。目前在轧制过程中的各个环节，从生产计划的编排、坯料的管理、加热中的优化燃烧控制、轧制中的设定计算、厚度和板形控制以及成品库的管理等，都有人工智能方法成功应用的实例1。 计算机技术的广泛应用，已经完全更新了关于自动控制的传统观念。从企业管理到生产工艺过程，从信息采集、信息处理到生产机械装备都密切地与计算机技术结合在一起，形成了一种计算机无所不在的局面。现代轧机计算机系统一般由 级 )基础自动化级， 级 )过程控制级， 级 )生产控制级及 级 )生产管理级构成2。 实现轧制过程自动化之后，可以带来以下几方面的效果： （ 1）能够迅速适应轧制程序的变换； （ 2）能够减少误轧次数； （ 3）能够实现大范围的尺寸改变和平面形状控制； （ 4）能显著提高轧件的尺寸精度； （ 5）能稳定精轧时的轧制温度3。 展望 21 世纪的国际加工工业，与 20 世纪相比将有明显的变化。其中一个最中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 2显著的特点就是板带材加工市场竞争愈演愈烈， 竞争的焦点是产品的质量高而成本低。企业连续化自动化作业的迅猛发展，除要求板带材的性能均匀一致外，还要求板带材的尺寸精度高。因此，轧制产品的厚度精度高、板形好将是轧制技术发展的重要趋势之一4。 内外高精度轧制技术的现状及其发展 经过近百年的发展，人们越来越清楚地认识到，市场竞争是一种综合的目标体系，其内涵包括：产品的成本、价格、质量、精度、品种、资金回报率、服务体系的能力和环境友好程度等方面。 而轧制产品尺寸精度的提高会产生巨大的经济效益。生产加工企业连续化自动化作业的迅猛发展，除要求板带材的性能均匀一致外，还要求带材尺寸精度的提高。板带材主要用于冲制各种零部件或进行涂镀深加工，因此要求厚度精度高，板形平直，表面粗糙度好。 我国在高精度轧制技术方面做了大量的研究开发工作， 一方面对引进的高精度轧制技术进行消化、学习，在此基础上结合我国的实际情况，自行开发出一些有关提高产品精度的基础理论和实用的先进工艺及装备， 其中有些技术已达到或超过国外的先进水平。但总体来说，由于我国有色金属加工工业的工艺设备水平落后，高精度轧制技术与国外发达国家相比， 差距还是较大的，我国现有轧机95%以上尚达不到国外先进水平。因此，提高我国产品的高精度比是我国有色金属加工工业发展的当务之急5。 制理论的研究是实现高精度轧制的基础 国外解决板形控制主要是靠装备创新的方式，我国由于工业基础落后，所以跟踪国外的方法是难以成功的， 走建立板形理论突破的方法是一条可行的技术路线。 自从 19 世纪 80 年代轧制理论作为一门学科问世，至今已 100 多年。轧制理论包容的学科在不断充实，轧制理论与带材生产的距离逐渐逼近，带材生产对轧制理论的反冲击逐渐增强。计算机控制技术在领域里的广泛应用，已经把轧制生产推向技术经济、知识经济的前台。 板厚精度和板形精度是板带材的两大质量指标，同时，板厚控制和板形控制也是板带箔轧制领域里的两大关键技术。近年来。国内外在板形和板厚控制技术方面，特别是在板形控制技术方面，取得了许多新的进展，大大提高了板带材的几何尺寸精度。我国近几年从国外引进了一些大型现代板带轧机，其关键技术也是高精度的板厚控制和板形控制。不管是板厚控制也好，还是板形控制也好，提中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 3高板带材精度的基础是建立正确的轧制理论6。让轧制理论依托于又趋前于轧制生产，是历史赋予我们的使命。 究背景与意义 铝箔在我国有广阔的市场，每年都有大量进口。据统计，美国平均每人每年消耗铝箔为 克，英国为 克，日本为 克，而我国约为 克，仅为美国的 日本的 5。随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，铝箔的需求量在我国将越来越大。 从设计生产能力上看，目前我国铝箔轧机的生产潜力还很大，但绝大多数没有达标，在国际市场上的竞争力不强，经不起进口铝箔的冲击。究其原因，在技术上除品种外，主要是未能攻克高精轧制的难关。 铝箔高精轧制的目的就是提高铝箔的产量、质量、成品率和经济效益。与国际先进水平比较，我国在这方面还存在一定的差距。从质量上看，目前我国生产的铝箔厚差一般为（ 510），板形还不很好，断头率为 12 个 /卷，而国外先进水平一般厚差为（ 35），板形良好，断头率为 个 /卷；从铝箔生产成品率上看，我国目前一般为 6065，而国外先进水平为 8085。 轧制产品尺寸精度的提高将产生巨大的经济效益， 而板厚精度和板形精度是板带材的两大质量指标。同时也是板带高精度轧制控制领域里的技术关键。 轧制工艺发展的每个阶段中， 生产厂家和设备设计厂家都面临着许多明确的问题。在过去的 30 年里，最重要的就是增加生产效率、节约能源、增加卷重和减小成品厚度。 虽然大多数生产厂家逐渐地达到这些目标， 但是提高产品质量和降低产品成本仍然是当今板材生产厂家的主要问题。尽管过去也经常考虑这些问题，但现在是从一个全新的角度来看待的。其原因有以下 2 个方面： （ 1） 板带材生产能力过剩； （ 2） 个体经济进入市场7。 那些能满足用户高质量要求， 同时产品成本又低的厂家将明显优于其竞争对手。所以，改进现有产品质量对所有轧机都是一个永恒的课题。 随着铝带材越来越广泛的应用，目前国内建成和在建的轧机机组越来越多。可以预见在不久的将来，铝及铝加工工业将成为我国的支柱产业之一，我国将成为世界铝及铝加工工业大国和强国。但由于种种原因，几乎所有已建国产轧机机组都没有过程控制计算机系统， 直接导致了这些轧机的产品质量和产量完全依赖于操作人员的操作经验，其产品的产量和质量均不稳定这一普遍现象。而对于要求较高的合金或者厚度和凸度有特殊要求的产品不能生产；即使生产出来，质量中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 4一般也不能满足用户的要求。 上面提到，目前国内对轧机机组的生产过程自动控制还处于起步和空白阶段， 而轧制过程自动化的必要性及其所产生的显著效果已从引进的国外设备先进技术中得到了说明，为了适应高精度轧制技术形势发展的需要，自动化专业的科技人员有必要结合“轧制理论与工艺” 、 “轧制工艺参数测试”以及“轧制过程数学模型”等理论，通过对轧制过程张力控制系统及其相互关系的清晰描述，建立张力的理论计算数学模型，使理论计算值与实际值相吻合，找出影响张力控制精度的主要性能参数， 并为更进一步的自动化控制、 计算机仿真打下理论基础8 9。 要研究内容与论文构成 为能进一步提高国产轧机的自动化控制水平， 达到有效提高其产品质量的目的，针对板材厚差和板形这二大质量指标，进行以下几方面的研究： （一） 、进一步提高板带材产品的厚度偏差和板形偏差控制精度的新途径； （二） 、提高控制模型准确性的方法； （三） 、张力控制系统电气参数的计算方法； （四） 、轧机自动化控制系统的组成。 论文的结构安排如下： 第二章首先介绍了箔材轧制过程中的工艺和设备特点以及对电气控制系统的要求。 第三章介绍了板厚和板形控制的基本概念， 并对板材厚差和板形缺陷产生的原因以及目前调节方式的发展状况作了论述。 第四章重点介绍了基于张力对板材厚差和板形调节的特点， 对综合调节方式提出了新的见解，并给出了的张力综合调节的解决方案。 第五章是以中铝 2000 铝箔轧机中卷取机控制为例，针对张力控制的特点对传动电机所进行的理论公式推导及实例计算。 第六章针对箔材轧机高精度轧制自动化控制系统在实际中的应用进行了介绍。 第七章是本论文的结论与展望。 中南大学硕士学位论文 第二章 箔材轧制特点 5第第 二二 章章 箔箔 材材 轧轧 制制 特特 点点 材生产工艺及设备 艺特点 铝箔是指厚度小于或等于 铝带材。 铝箔的轧制分粗轧、中轧、精轧三个过程，从工艺的角度看，可以大体从轧制出口厚度上进行划分，一般的分法是出口厚度大于或等于 粗轧，出口厚度在 间为中轧， 出口厚度小于 单张成品和双合轧制的成品为精轧。粗轧与铝板带的轧制特点相似，厚度的控制主要依靠轧制力和后张力，粗轧加工率大，可达 50 65，而中精轧，由于其出口厚度很小，其轧制特点已完全不同于铝板带材的轧制，具有铝箔轧制的特殊性，其特点主要有以下几个方面： 板带轧制 要使铝板带变薄主要依靠轧制力，因此板厚自动控制方式是以恒辊缝为体的控制方式，即使轧制力变化，随 时调整辊缝使辊缝保持一定值也能获得厚度一致的板带材。而铝箔轧制至中精轧，由于铝箔的厚度极薄，轧制时，增大轧制力，使轧辊产生弹性变形比被轧制材料产生塑性变形更容易些，轧辊的弹性压扁是不能忽视的，轧辊的弹性压扁决定了铝箔轧制中，轧制力已起不到像轧板材那样的作用，铝箔轧制一般是在恒压力条件下的无辊缝轧制，调整铝箔厚度主要依靠调整后张力和轧制速度。 轧 对于厚度小于 极薄铝箔，由于轧辊的弹性压扁，用单张轧制的方法是非常困难的，因此采用双合轧制的方法，即把两张铝箔中间加上润滑油，然后合起来进行轧制的方法（又称叠轧） 。叠轧不仅可以轧制出单张轧制不能生产的极薄铝箔，还可以减少断带次数，提高劳动生产率。 度效应 铝箔轧制过程中，箔材厚度随轧制速度的升高而变薄的现象称为速度效应。产生速度效应的原因一般认为有以下三个方面： （ 1）工作辊和轧制材料之间磨擦状态发生变 化，随着轧制速度的提高，润滑油的带入量增加，从而使轧辊和轧制材料之间的润滑状态发生变化。磨擦系数中南大学硕士学位论文 第二章 箔材轧制特点 6减小，油膜变厚，铝箔的厚度随之减薄。 （ 2）轧机本身的变化。采用圆柱形轴承的轧 机，随着轧制速度的升高，辊颈会在轴承中浮起，因而使两根相互作用而受 载的轧辊将向相互靠紧的方向移动。 （ 3）材料被轧制变形时的加工软化。高速铝 箔轧机的轧制速度很高，随着轧制速度的提高，轧制变形区的温度升高，据计算变形区的金属温度可以上升到200，相当于进行一次中间恢复退火，因而引起轧制材料的加工软化现象10。 张力的作用 轧制后张力主要是通过影响变形区状态以改变塑性变形抗力来起作用， 后张力在铝箔轧制中调节厚度的作用十分明显，而且重要，与速度调节厚度相比，具有快速、灵敏的特点，值得提出的是，用后张力调节铝箔的厚度要充分考虑入口带材的板形、材质等对轧制速度的影响。 （ 1）后张力与入口板形。入口带材板形如有 中间或两肋波浪，应适当减小后张力， 入口带材如有两边波浪， 应适当增大后张力， 以增加入口带材的平整度，同时后张力的设定范围不宜过大。 （ 2）后张力与入口带材性质。后张力的设定 与入口带材的性质有关，带材因合金、状态的不同，其屈服强度也不同，屈服强度越高，后张力越大，在生产中选取的后张力值应为所轧带材屈服强度值的 25 35为宜。如果后张力过大，会增加铝箔的断带次数，如果后张力过小，会造成入口带材拉不平，入口出现打折现象。 （ 3）后张力与轧制速度。后张力对轧制速度 的影响程度随着铝箔厚度的减薄而呈现增加的趋势，如果要通过调节轧制速度来提高轧机的生产能力，应适当降低后张力11。 箔板形 在铝箔轧制过程中，由于变形热、磨擦热的作用使轧制变形区的温度变化很快， 从而轧辊辊形发生变化。 轧制出的铝箔板形也会随着辊形的变化而发生改变，对于手动控制板形的铝箔轧机，铝箔板形的变化完全依靠操纵手的观察，然后再手动分别控制弯辊或轧制力及各油嘴的喷射量，如果轧制太快，操纵手的反应能力跟不上，板形控制就很困难。为了获得良好板形质量，就必须采用板形自动控制系统，由于板形自动控制系统采用了自动喷淋、自动弯辊、自动倾斜，更为先进的轧机还采用了 板形控制技术，使铝箔的轧制速度和板形控制水中南大学硕士学位论文 第二章 箔材轧制特点 7平大幅度提高，铝箔的在线板形可以控制在 9I20I 以下的水平12。 产设备 铝箔轧机随着板形控制技术的发展，在结构上有了许多变化。 板形控制实际上是设定及控制机架的有载辊缝形状（即轧出带材的断面形状） 使带材沿宽度方向获得均匀延伸， 因此通过改变以下参数都能达到这一目的： （ 1） 在线改变轧辊辊型（凸度） ； （ 2） 在线改变轧辊辊系的弯曲变形（弯辊装置） ； （ 3） 改变轧辊辊系的横向刚度。 因此随着板形控制技术的发展，轧机设备上出现了一些新的结构。 C 辊 这是比较早（ 1977 年）出现的板形控制方法，即在支撑辊内设有液压内腔，通过改变内腔中的油压而使支撑辊改变其辊型（轧辊凸度） 。这是日本住友公司开发的辊型在线可变轧辊， 避免了因生产不同的产品而频繁更换带有不同辊型的支撑辊。 的优点是： （ 1） 减少支撑辊换辊次数，同时避免了储存多个不同辊型的轧辊； （ 2） 可补偿轧辊磨损及热辊型； （ 3） 对现有轧机进行改造比较方便，仅需用 代替原有支撑辊即可。 从 1977 年到 1986 年世界各国共计使用了 200 多套 ，但 也有以下缺点： （ 1） 制造比较困难； （ 2） 高压旋转接头及油腔密封维护难； （ 3） 调节轧辊凸度的量较小。 近年来 有所改进，称为新 。 形辊 修形辊（ 在支撑辊辊面靠两端处有一个锥形修形使支撑辊和工作辊间接触长度缩短，这将有利于轧辊辊系的横向刚度，加大弯辊力的效果，并减少有害接触长度，对带材边部减薄有很大的好处，其不足之处在于修正锥形曲线中固定的，因此对不同宽度的带材效果有所不同。 中南大学硕士学位论文 第二章 箔材轧制特点 辊系统 连续变化凸度轧辊系统。 是德国西马克公司于 1982 年推出的板形控制方法，其原理是在上下工 作辊上磨成一定曲线（互成 180放置） ，当轧辊相对窜动时可实现辊缝形状的在线调节。 其优点是： （ 1） 调节能力较大，一对 可以满足不同宽度带材的需要； （ 2） 轴间窜动机构相对说不太困难。 C 轧机 机是日本日立公司于 20 世纪 70 年代推出的六辊轧机，其中间辊可窜动。目前已发展出多种形式如：中间辊窜动的 辊轧机，工作辊和中间辊均能窜动的 辊轧机，中间辊带辊型曲线的 辊轧机。 机的优点是： （ 1） 板形控制能力强，仅需不太大的弯辊力（为常规四辊的 25）即可较好地调节带材波形度； （ 2） 可消除工作辊与支撑辊边部的有害 接触部分，使带材边部减薄现象减轻，并可减少裂边； （ 3） 由于工作辊辊径减少 （比常规四辊少 30左右） ， 因此可加大压下量，实现大压下量轧制，并减少能耗； （ 4） 采用标准无凸度轧辊就能满足各种 带宽的带材轧制，减少了轧辊备件。 20 世纪 70 年代至 1987 年，世界上已建立了 180 多架 机，至今其仍是一种较流行的机种。 态板形辊 是法国克里西姆公司于 20 世纪 90 年代推出的新的板形控制方法， 目前已在我国宝钢 2030轧机上应用。 由固定辊轴、金属外套筒及套筒内七个液压控制压块组成，通过调整每个压块的压力，改变支撑辊与工作辊间压力分配来调节辊缝形状，这一方法目前尚未达到大量推广的阶段，但具有很多优点。 应该指出，随着热轧带卷厚度的减薄，无论机型如何变化，目前的趋势是主传动电机的功率越来越大，这是强化生产所必须的13。 中南大学硕士学位论文 第二章 箔材轧制特点 箔轧机的控制要求 自动控制技术在铝箔轧机上的成功应用，不仅提高了轧机的产量，同时提高了产品的质量，获得了较大的经济效益和社会效益。 铝箔轧机的自动化进展包含了大功率电气传动系统、自动化仪表、液压压下传动以及计算机控制多个方面的进展，而这些技术的发展又是相互促进，相辅相成的。 气传动 铝箔轧机主传动长期以来采用直流晶闸管调速传动系统，这是由于： （ 1） 调速性能好（静态及动态指标、调速范围、调速平滑性等） ； （ 2） 控制系统成熟定型，调试方便特别是数字化后调试更为方便； （ 3） 过载能力强。 但是直流传动与交流传动相比存在以下缺点： （ 1） 由于存在换向器，维护量较大； （ 2） 同样功率情