关于改善冷轧测厚仪离线误差的措施和效果1

1、 关于改善冷轧测厚仪离线误差的措施和效果 9/9 关于改善冷轧测厚仪离线误差的措施和效果闫玉卫（南山轻合金有限公司，山东，龙口，邮编：265706）摘要：本文重点介绍了冷轧厂不断提高罐体料厚度精度的工作过程，分析影响离线厚度偏差的主要因素和消除测厚仪偏差的过程、方法和效果。关键词：目标厚度偏差 测厚仪偏差 设定偏差 气隙温度 带材温度 Introduction of improvement thickness gauge offline error method and effect of cold rolling millyanyuwei(Nanshan Light Alloy Co., L

2、td., Longkou Shandong, Postcode: 265706)Abstract： this text introduce the work for improvement of can body thickness error of cold rolling plant,analyse the reason of thicnkness error and implicit thinkness gauge error process method and effect. Keyword：target thickness error thickness gauge error s

3、etting error temperature of air gap Strip temprature 南山轻合金有限公司冷轧厂于2007年投入运行的两台六辊CVC冷轧机，自投入运行以来，不断的优化产品结构，高品质的设备，生产高品质的产品，产品定位明确，特别是罐料产品的开发，从2008年开始试生产到小批量的生产，不断的改进工艺控制和过程控制，产品很快得到了客户的认可和肯定，逐步占领了国内外罐料市场的一席之地。南山在罐料的开发上短期实现了大跨越，到目前的罐料生产订单供不应求月产达万吨。其中罐体料的一个重要质量指标是厚度公差，厚度公差要求非常严格而且公差范围小。对于如何控制罐体料厚度公差满足客户

4、的要求，冷轧厂经过不断的摸索，最终使罐体料厚度公差的控制取得了良好的效果。为生产高品质的罐体料奠定了基础。在这里，我们把罐体料厚度偏差分为在线厚度偏差和离线厚度偏差。对于在线厚度偏差的控制精度取决于厚控系统，两台冷轧机厚度控制采用了先进的质量流、厚度反馈、厚度前馈、速度前馈等多种手段，出口厚度受来料厚度变化和过程加减速影响小，厚度控制精度高，根据目前的订单，罐体料厚度一般有几个规格，成品厚度一般在0.270.295m范围内，在这个厚度范围内厚控系统在稳速段的厚度偏差在1.5m范围内，这样的在线厚度偏差控制精度是生产高质量的罐体料产品的前提。对于厚控系统的精度在这里我们不再赘述。产生最终厚度偏差

5、的另外一个因素即离线厚度偏差。因为我们产品最终面向客户的厚度数据来源于实验室的称重法测量厚度结果。因此这里所谓离线厚度偏差就是产品生产过程中设定的目标厚度和实验室检测厚度之间的差别，这种差别来源于实验室取样误差、称重误差、测厚仪偏差。本文将主要讨论南山在不断改进测厚仪偏差控制效果的探索过程和最终的效果。首先了解冷轧两台冷轧机上所用IMS测厚仪的基本原理和测厚仪测量厚度的一些特性。然后针对我们选用的测厚仪特性和实际生产过程中积累的经验，分析讨论消除IMS测厚仪厚度偏差的过程、方法、效果。一、 南山IMS测厚仪的测量原理简介及技术参数1、IMS测厚仪测量原理测厚仪厚度测量原理如图1所示，IMS测厚

6、仪是利用X光管在高压下产生X射线，X射线通过发射窗口发出，穿透铝板通过检测接收窗口中的离子室测量剩余x射线剂量的多少，离子室接收的X射线剩余剂量的多少和带材的厚度有对应的关系，而离子室的输出电流和接收的射线能量成正比关系。因此通过离子室的输出电流和测量物的特性可以计算出材料的厚度。放射源 被测物被测物厚度接收器离子室离子室输出电流I m图1：测厚仪厚度测量原理图影响测量的不变量因素有：放射源和接收源之间的距离、能量、放射源类型、接收器类型、响应时间、校准；影响测量的变量因素有：射线通路上的气隙温度、材料温度、合金成分、射线通路上的杂质、材料表面的杂质、材料的位置。2、冷轧选用测厚仪的技术参数冷

7、轧两台轧机根据入出口厚度范围参数分别选择X光管的高压如下表：位置一号轧机入口一号轧机出口二号轧机入口二号轧机出口高压值（KV）33302520测厚仪的性能数据如下：测厚仪重复性测量精度0.1%，不好于0.5m；长时漂移0.1%；这样的性能是确保测厚仪厚度测量的稳定性前提；测厚仪测量传感器的取样时间0.5ms,输出测量值时间为2ms，以保证厚控系统对厚差控制的快速响应。3、各种因素对厚度测量的影响根据IMS测厚仪的不变量因素及我们测量铝的应用，也可定量的计算出变量因素对实际厚度测量的影响如下：l 射线通路上的气隙温度 气隙温度每变化10C，引起1.2m的测量偏差，空气温度升高，产生负偏差，温度降

8、低，产生正偏差。l 带材温度 材料温度每变化100C，引起0.5%的厚度变化量l 带材表面的油 每100m的油相当于6m的铝l 材料位置 轧制线偏差10mm引起0.05%的厚度偏差二、冷轧对IMS测厚仪偏差控制不断改善过程和效果在2007年设备刚投入运行，开始试生产各种产品时，根据行业对各种合金成分的标准，我们在IMS测厚仪的系统中分别输入1、3、5、8系合金成分，测厚仪根据这样的合金成份进行厚度计算。这一阶段主要生产铝箔毛料，处于设备和生产工艺操作的磨合过程，对厚度要求不是很严格，产品满足用户的需求。但是随着产量的不断增加，新产品的不断开发，对产品质量的要求也不断提升，特别是2008年罐体料

9、试生产开始以来，罐体料对厚度公差要求非常严格，因此必须考虑如何减小测量厚度和实际厚度的偏差这个问题。通过对IMS测厚仪特性的了解和实际生产数据的积累，对于I测厚仪厚度偏差的控制根据不同的合金冷轧采取了以下措施：1、对于8系1系铝箔毛料，由于需要厚度的再加工，对厚度的要求不是很严格，我们的工艺人员根据熔铸厂提供的多批料的化学成份进行统计分析，对1系、8系合金分别取一个平均的化学成份输入IMS测厚仪系统。操作手在实际生产过程中对测厚仪目标厚度的设定即为订单要求厚度，这样生产的产品满足客户的公差要求，一般在5um范围内。2、对于3系5系罐料，由于客户对厚度公差严格的要求，所以冷轧根据熔铸提供的每批料

10、化学成份，为每批料设定一个合金代码，人工输入合金成份。以求尽量减小合金成分引起的厚度偏差。根据生产经验积累，实际生产成品的实验室测量厚度总是大于测厚仪在线设定厚度，因此操作手每批料开始生产时，先跟据以前的生产经验把成品目标厚度下设，生产完第一卷后取样到化验室用称重法进行厚度测量，根据实验室的结果再进行修正测厚仪设定厚度，然后每隔35卷再进行取样测量，不断进行修正。在20082010年初时，一般需要下设2-5um，每批料甚至同一批料的下设值都不一样。这样的控制措施人为因素多，每个批次生产时的厚度下设值不易琢磨，整体误差大，也影响生产效率。如图2所示是2008年7、8月份罐体料厚度控制效果图。其中

11、：设定偏差是指产品目标厚度减去测厚仪设定厚度测厚仪偏差是指实验室测量厚度减去测厚仪设定厚度目标偏差是指实验室测量厚度减去产品目标厚度图2 2008年7、8月罐体料厚度效果图图中共统计212个样品，根据统计结果，测厚仪偏差在1.5um范围内的样品只有10个，占总数的4.72%；测厚仪偏差在3um范围内的样品有58个，占总数的27.36%，测厚仪最大偏差高达6.7um，而测厚仪负偏差只有4个，即98%以上的是正偏差。所以要想实现对订单目标厚度的控制，操作手必须进行人工干预，下设测厚仪目标值，下设值在24um之间不等，经过这样的过程控制,目标偏差在1.5um范围内的样品有154个,占总数的72.64

12、%，偏差超过3um的样品有7个，占总数的3.3%。2009年下半年以来，随着客户的不断开发，产量不断提升，对产品质量也提出了更高的要求，其中重要的一项就是对厚度公差的要求也越来越严格。有些客户有时甚至要求0- -3um的范围，这样的要求对设备和过程控制来说是非常苛刻的。因此怎样科学的控制好目标厚度，减少人为的干预，减小测厚仪偏差，成为冷轧关注的问题。我们联系咨询了IMS测厚仪厂家技术人员，提出冷轧现场存在的测厚仪厚度偏差的问题，通过反复交流沟通，厂家对这一实践应用的问题也非常感兴趣，并积极提供技术支持和服务。09年末到10年初对生产工艺过程进行了深入的了解，对过程参数进行跟踪测量记录，统计积累

13、实验室厚度测量结果，对大量统计数据进行分析，根据X射线测厚仪的特性，逐步摸清了测厚仪偏差产生的主要原因。通过取样对合金成分的再次校准测量，偶然极少数会出现合金偏差,产生1- -1.5um的厚度偏差,大部分合金成分引起的偏差基本在1um以内,因此排除了合金成分差别引起的普遍误差；通过对两台轧机四台测厚仪的数据比对和设备检查，也排除了测厚仪本身会产生不确定的偏差。通过多次对实验室样片再次用测厚仪进行厚度测量，得出结论，我们实验室称重数据和测厚仪测量数据存在1-1.5m的恒定偏差；通过对实际生产过程中测厚仪气隙温度变化情况和成品道次带材温度变化情况进行跟踪记录分析，最终锁定生产过程中环境温度变化和带

14、材温度的变化会引起测厚仪偏差。针对以上的分析原因，我们采取了以下解决措施：1、 对于实验室和测厚仪之间存在的恒定偏差，由于我们的标准是取实验室的称重厚度面向客户，因此通过在测厚仪系统中对3系罐体料设定固定的补偿系数来消除这一恒定偏差。2、 对于气隙温度的变化引起的测厚仪偏差，这个过程比较艰难，历时时间也长，但是最终我们取得了满意的结果。跟踪发现测厚仪的气隙温度的变化和诸多因素有关，比如轧机是否连续轧制、周围环境温度、入口料温、压下量、合金、轧制速度等都会引起气隙温度的变化，因此气隙温度的变化过程非常复杂。根据不同的情况，有时入口测厚仪气隙温度温升高，有时出口温升高；整卷温升有时高，有时低，一般

15、在从10-30之间变化，而且同一台测厚仪上下窗口的温度有时存在很大的差别。而气隙温度变化的复杂性，不确定性，就必须要求测厚仪测量系统中对整个温度变化范围的补偿都是准确的，否则不仅影响成品厚度，而且还会引起整卷的厚度不均匀性。特别是一号轧机，入口厚差有时出现整卷漂移的情况，在IMS原来的测厚仪设计中只有上窗口测温，整个气隙温度取上窗口温度，而下窗口气隙温的变化有时和上窗口有较大的差别，因而造成一定的偏差。因此我们在一号轧机的两台测厚仪上都加装了下窗口测温装置。我们取今年6月30号一号轧机轧制罐体料成品一个卷的记录数据来说明测厚仪气隙温度变化情况。如图3所示，图中显示了轧制速度、入口厚差、出口厚差

16、、入口测厚仪上下窗口气隙温度、出口测厚仪上下窗口气隙温度在轧制带材长度方向上的变化情况。当时周围环境温度也高，轧机又是连续轧制，可以看到整卷轧制过程中气隙温度升高5-40，实际温度甚至超过80。图示中也显示了速度变化直接引起了气隙温度变化的情况，在图示的例子中，随着速度的变化，总体来说，测厚仪气隙温度随速度变化的趋势相同，速度升高，温度升高，速度降低，温度降低。但是入口测厚仪气隙温度的变化要远大于出口，而且同一台测厚仪下窗口的温度变化要大于上窗口的变化。从入口厚差曲线上我们也可以看到这一系列变化引起的测厚仪偏差变化，如前所述，温度降低，我们需要补偿的是正偏差。而图示中之所以有入口厚差曲线的随温

17、度降低出现一个负偏差的变化，是因为对入口测厚仪气隙温度补偿系数过大造成的。图3：测厚仪气隙温度变化趋势图在测厚仪系统中温度变化的补偿系数和厚度偏差不是线性的。它和X射线测厚仪的测量范围和实际温度变化范围相关联。所以在冷轧相关单位的大力配合下，IMS厂家人员花费了大量的精力去力求准确的设定温度补偿系数。历时大约半年的时间，通过观察记录气隙温度的变化趋势和实际的入口出口的厚度测量结果，比对实验室称重测量结果，反复调整每台测厚仪的气隙温度补偿系数，最终实现了对两台轧机四台测厚仪气隙温度变化的准确补偿，也解决了一号轧机有时出现的入口测厚仪整卷测量漂移的问题。反思我们以前的厚度设定，下设目标值2m、3m

18、、4m、5m等等不定，大部分原因是由于测厚仪气隙温度的变化引起，由于测厚仪的环境温度取决于整个气候的状况即春夏秋冬的变化，还取决于实际生产过程的连续性和轧制过程，比如轧制5系料和3系料，每卷轧制过程环境温度的变化幅度高于1系、8系料的生产过程。连续轧制和停机一段时间再启动轧制环境温度的变化也是不一样的；和入口料温也有关系。特别是环境温度高的时候，连续轧制时环境温升高达40。测厚仪窗口温度传感器测得的气隙温度甚至高达90，因此准确的调整整个温度变化范围的补偿系数，对减小测厚仪的离线偏差具有重要的意义。3、 对于带材温度变化引起的误差，由于温度的升高，带材热胀冷缩，密度降低，因此带材对X射线的吸收

19、能力降低，引起在线测量的厚度薄于实际厚度，通过厚控系统的调节，轧制后的卷材厚度偏厚，对于这一因素IMS测厚仪有着固定的线性补偿模型，即带材温度每升高100,测厚仪测量铝带材产生0.5%的厚度偏差，我们的实际生产过程中带材的温度直接关联于生产工艺过程的某些参数，其中主要的三个因素是入口料温、带材速度、压下量。由于生产罐体料的工艺过程在冷轧已非常成熟，成品道次的料温稳定在150-170。在IMS原来的系统中默认的带材温度是20，根据计算对罐体料成品也会造成大约1.5m的离线测厚仪偏差。在了解这一实际生产情况后，采取了在测厚仪系统的人机界面中由操作手输入入出口带材的温度。从而准确有效的补偿带材温度引

20、起的偏差。综上所述，通过以上的调整，消除了实验室与测厚仪之间的偏差、测厚仪气隙温度造成的偏差、带材温度造成的偏差，也消除了以前根据经验设定目标值的人为因素。为操作手进行厚度设定提供了科学的依据，也提高了生产效率。我们以2010年9月份冷轧厂罐体料厚度统计情况为例，说明采取以上措施后整个厚度偏差控制效果。如图4所示：图4:2010年9月份罐体料厚度效果图图中共统计412个样品，测厚仪偏差在1.5um范围内的样品有370个，占总数的89.81%，相比08年7、8月份4.72%的数据，控制效果提高了85.09个百分点，100%的样品测厚仪偏差都在3um内，而08年这一范围的结果只有27.36%，这大

21、大减小了测厚仪偏差。所有产品满足客户要求的3m的公差范围，而且偏差控制在1.5m范围内的比例提高17%，大大减小了整体目标厚度偏差。大幅提高了整体罐体料的厚度公差控制水平。图示中仍然有的设定偏差是因为罐体料客户为提高出杯率，一般要求负公差，因此对生产提出要求，要在满足客户对厚度公差和产品性能要求的基础上，尽量控制产品厚度在负公差范围内，负的设定偏差的大小是根据不同客户要求的公差范围设定，因此负的设定偏差是为了满足客户对负公差的要求，而不再是为了补偿测厚仪的偏差。为满足更精细的厚度设定，提高整体产品的目标厚度控制效果，原来在ABB一级系统和IMS的测厚系统中厚度值的设定和控制是以1m为单位的，通过修改这两个系统中的程序，把厚度值的设定和控制修改为以0.1m为单位，为生产控制负公差率提供了更加细腻精准的手段。综上所述，消除了测厚仪产生的离线偏差，但是从我们的统计数据来看，仍然存在着实验室和测厚仪之间的偏差。我们分析主要是基于取样误差，也是无法避免的。取样的偏差主要有两个原因，一是厚度控制过程中的实际厚度是在目标值上下波动的，无法取到位于厚差0点的样，二是因为带材的凸度。我们的带材都是有凸度的，一般带材中心厚度比边部厚， 3系来料的凸度为0.6%左右，按目标