電磁加熱在鋁板帶冷軋機的應用

閆學良，劉延斌

（南山集團輕合金冷軋廠，山東龍口 265706）

1 熱力學板形控制介紹

南山單機架CVC6輥冷軋機板形輥采用ABB板形輥，通過板形輥測得帶材的平直度，經過數(shù)學分析處理成平直度曲線，它代表帶材平直度目標值與實際值的差值，該差值經數(shù)學模型分類為一次、二次、四次方程主要缺陷，分別傳送到相應板形控制執(zhí)行機構：液壓壓下缸傾斜控制（解決一次線性缺陷），工作輥彎輥、中間輥彎輥和中間輥竄動（主要解決二、四次曲線缺陷），剩余小的、復雜的、非對稱的缺陷由熱力學板形控制解決[1]。

熱力學板形控制是通過向輥上噴淋冷卻液來改變工作輥不同位置（點）的外形，使工作輥輥身發(fā)生熱膨脹或收縮的板形控制。為了獲取熱力學控制的有效性，一定要保證冷卻液和工作輥有一定的溫度差。熱力學手段：（1）基本冷卻：其主要用于輥縫的冷卻潤滑；（2）局部分區(qū)冷卻：根據(jù)板形系統(tǒng)的需要來控制開啟冷卻噴嘴的個數(shù)，實現(xiàn)對軋輥按區(qū)域噴射冷卻液，使軋輥各段上的熱凸度發(fā)生變化，來控制帶材相應段上的長度方向的延伸率變化，最終達到改善帶材的平直度[2]，糾正局部板形缺陷；（3）熱邊部噴射：熱油噴射位置可根據(jù)帶材的寬度自動調整，其主要用于增大帶材邊部覆蓋工作輥區(qū)域的熱凸度，可改善或解決帶材軋制中的緊邊問題，控制帶材的邊緣板形[3]。

2 熱油邊部控制介紹

鋁板帶的軋制速度快，最高軋制速度達到1 000 m∕min以上，特別是3104合金H19狀態(tài)加工硬化程度高、變形抗力大，導致工作輥溫度較高，工作輥與帶材接觸區(qū)域的熱凸度比較大，而在無料區(qū)軋輥無從得到軋制變形熱和摩擦熱，同時由于工作輥高速旋轉帶來的空氣卻通過對流的作用帶走大量的熱，這樣的狀況會造成沿工作輥輥面軸向的溫度和直徑尺寸造成的差異，這也就是所說的軋輥熱凸度。在軋輥二側的帶材邊緣區(qū)域，工作輥由于溫降快，溫度低，軋輥直徑膨脹小，造成此區(qū)域的實際有載輥縫加大，因而此區(qū)域的帶材出口厚度變厚，形成俗稱的“緊邊”[4]，加上工作輥彎輥調節(jié)很容易使帶材產生四分之一浪，這種“邊緊肋松”的板形存在斷帶的危險。為防止帶材緊邊造成斷帶，除了軋制油分區(qū)冷卻功能以外，增設了熱油邊部噴射系統(tǒng)（Hot Edge Spray System），簡稱HES系統(tǒng)。這套系統(tǒng)能夠在軋制過程中根據(jù)帶材實際寬度，對與帶材邊緣接觸的工作輥區(qū)域進行熱軋制油噴射，利用熱油和工作輥面間的溫度差，增加該區(qū)域工作輥身的溫度，提高熱凸度，從而減輕了帶材邊部過緊的現(xiàn)象[5]。現(xiàn)場通過90℃以上的熱軋制油進行局部噴射，以增加工作輥在該區(qū)域的熱凸度，使帶材邊緣延伸增加，減少帶材邊緣所承受的拉應力，降低斷帶幾率。但在實際生產過程中，2#軋機軋制3104罐體料時，卻一直存在著板形邊緊問題。由于熱邊部油箱設計容積5 m3，加熱溫度90℃，從軋機軋制開始到軋制結束，油箱需要補充新油，新油的補充使加熱器不能很快提升所需的溫度，致使油溫下降，造成帶材邊部出現(xiàn)邊部過緊的現(xiàn)象。

3 電磁加熱邊部控制介紹

針對帶材邊緊的問題，南山單機架2#軋機改造采用一套帶材邊部加熱裝置，由兩組加熱器組成，分別對帶材兩側的下工作輥邊部區(qū)域進行熱凸度補償，結構示意如圖1。

圖1 電磁加熱示意圖

每組加熱器有1個12 kW的加熱頭，一個在軋機的操作側，一個在傳動側，加熱頭內有液體冷卻。兩個加熱頭分別由裝在機柜內的功率調節(jié)模塊控制。每個加熱頭的功率調節(jié)范圍都是0～12 kW，每側的邊部加熱寬度為30 mm。兩側加熱頭的位置由液壓定位裝置調整，該定位裝置通過AO810模塊輸出信號到伺服閥，伺服閥控制液壓缸（帶位置傳感器）實現(xiàn)位置的精確定位。加熱頭根據(jù)2級系統(tǒng)傳送給1級系統(tǒng)的軋制道次數(shù)據(jù)，在滿足其他連鎖條件能夠實現(xiàn)從最窄帶材寬度到最寬帶材寬度的自動調節(jié)，現(xiàn)1級系統(tǒng)程序設定移動到距離軋制帶材邊緣外端10 mm的位置。加熱頭縱向位置會根據(jù)軋輥輥徑的大小，在第一次穿帶結束后軋輥速度為零的情況下自動定位，定位完成后才允許起車生產。定位過程首先由小氣缸帶動加熱頭伸出，然后大氣缸帶動小氣缸將加熱頭靠到工作輥上，此時1級程序循環(huán)讀取大氣缸上位置傳感器的數(shù)值，數(shù)值差穩(wěn)定在0.5 mm的范圍內認定大氣缸定位結束，結束后大氣缸氣動鎖得電將其鎖住，小氣缸然后退回，小氣缸動作的行程大約5 mm，小氣缸的位置采用2個電磁開關進行感應定位。在換輥時，加熱頭由大、小氣缸帶動退回處于初始位置即零位，否則無法執(zhí)行換輥序控。另外，軋機軋制過程中出現(xiàn)停車、快停、急停以及斷帶的情況下，加熱頭自動退回到初始位置，防止損壞加熱頭。功率調節(jié)模塊接收由ABB板形控制系統(tǒng)輸出的0%～100%范圍內的功率調節(jié)數(shù)值，然后通過Modbus∕TCP串行通訊反饋輸出數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)加熱頭加熱工作輥的目的。電磁加熱現(xiàn)場投入后，帶材邊緊、肋松的情況均得以緩解，板形較熱油大為改善。

4 熱油控制與電磁加熱控制比較

以南山2#軋機軋制3104合金寬度1 860 mm、1 865 mm卷材為例，由于板形系統(tǒng)設定的臨界板寬[6]為1 300 mm，所以這種寬度的帶材在板形控制中屬于寬料控制，此時工作輥彎輥來實現(xiàn)糾正板形四次曲線缺陷即中浪和雙側邊浪，中間輥彎輥和CVC竄動用來實現(xiàn)糾正板形二次拋物線缺陷即四分浪和邊中浪，如果中間輥彎輥值超過設定值60%，中間輥彎輥將發(fā)出控制信號告訴CVC竄動開始以某一特定速度動作，來調整板形。CVC竄動的動作與否由中間輥彎輥值來直接控制[7]。

采用熱油控制，若中間輥彎輥糾正二次缺陷的值超過60%，CVC竄動將開始動作，增大凸度，直到板形系統(tǒng)檢測到足夠大的凸度，其值才開始下降，當下降到低于58%時，CVC竄動停止動作，可以發(fā)現(xiàn)熱油控制的中間輥彎輥一直處于60%范圍上下，CVC基本上是在不斷的竄動中，如圖2。

圖2 采用熱油邊部控制

采用電磁加熱控制，在中間輥彎輥超過設定值60%的次數(shù)大為減少，雖然CVC每次動作后中間輥彎輥值減少到58%以下后又調整到60%以上，但CVC動作的次數(shù)明顯減少，表明帶材板形控制能力電磁加熱優(yōu)于熱油邊部控制，如圖3。

圖3 采用電磁加熱控制

5 結束語

軋輥溫度的變化必然引起軋輥的線膨脹，由于軋輥中間溫度高，兩邊溫度低，使熱膨脹沿輥身不均勻分布而形成凸度[8]。采用邊部加熱裝置對軋輥邊部感應加熱后，邊部區(qū)域的溫度可以快速達到與軋輥中間區(qū)域相同，使其局部軋輥升溫膨脹，增加該區(qū)域的軋制壓力，改善帶材邊緊的現(xiàn)象。當邊部加熱功能有效投入后，帶材邊部質量得到改善的同時，邊部區(qū)域以及向帶材中間延伸部分的應力差也會依次相應地減小，使帶材整體的應力差得到改善。另外整個板形控制系統(tǒng)的每個執(zhí)行器（如彎輥、傾斜、竄輥、軋制油噴淋等系統(tǒng)）的工作負荷也會相應減少，有效工作范圍加大，整體板形控制的效果更加快速有效。