鋁熱連軋機溫度控制

方勝兵

（重慶西南鋁機電設(shè)備工程有限公司，重慶401326）

0 前言

熱粗軋+多機架熱精軋是目前最適合大規(guī)模生產(chǎn)高精度鋁板帶材的生產(chǎn)方式，而高精鋁板帶材在后續(xù)加工對材料的力學(xué)、組織性能要求很高，市場對熱軋鋁板帶材的質(zhì)量要求也日趨嚴(yán)格。熱連軋機在軋制過程中對帶材溫度控制也至關(guān)重要。

鋁熱連軋溫度控制是一個復(fù)雜的過程，影響因素包括合金、厚度、軋制速度、壓下率、鑄錠加熱溫度以及乳液等。通常采用軋制速度、乳液流量及鑄錠開軋溫度作為終軋溫度的控制量。

1 終軋溫度控制

1.1 控制模型

鋁熱連軋終軋溫度的簡化數(shù)學(xué)模型如式（1）所示。

式中：TFC為精軋出口終軋溫度；hc為精軋入口帶材厚度；h0為精軋出口厚度；v4為精軋F(tuán)4出口速度；q、p為冷卻乳液的流量、壓力。

根據(jù)冷卻的熱傳導(dǎo)基本方程，可得到穿帶速度模型如式（2）所示。

式中：VT為穿帶速度；Li為機架間距；TS0為帶材初始溫度；TS為帶材溫度；TC為乳液溫度；αF為當(dāng)量熱傳導(dǎo)系數(shù)。

根據(jù)式（2）和秒流量方程就可得到各機架的軋制速度，從而滿足終軋溫度控制要求。

1.2 控制方式

熱連軋終軋溫度控制包括頭部溫度和帶材全長終軋溫度控制兩部分。通常采用控制軋制速度和帶材冷卻系統(tǒng)（SCS）控制精軋機乳液流量兩種方法來控制終軋溫度【1】。

圖1 系統(tǒng)控制框圖

1.3 反饋控制

終軋溫度反饋控制是通過比較帶材溫度目標(biāo)值和精軋機出口實測值的偏差，經(jīng)過PI運算，計算出相應(yīng)的F4機架速度，達(dá)到控制帶材全長終軋溫度的目的?？刂圃砜驁D如圖2所示。

圖2 反饋控制原理框圖

2 溫度傳感器

在鋁熱連軋帶材終軋溫度控制系統(tǒng)中，實測的溫度既作為溫度控制系統(tǒng)中的實際值反饋，同時也為溫度控制模型的自主學(xué)習(xí)提供依據(jù)，多采用非接觸式測溫。某熱連軋生產(chǎn)線選用英國LAND公司AST系列固定式紅外測溫儀，測量熱連軋生產(chǎn)過程中的鋁帶材實際溫度。

3 溫度自適應(yīng)控制

目前溫度自動控制采用帶有自適應(yīng)環(huán)節(jié)的預(yù)設(shè)定控制。帶材咬入機架輥縫之前，預(yù)設(shè)定控制基本環(huán)節(jié)在對來料溫度及合金的一定假設(shè)下，根據(jù)溫度控制目標(biāo)，選擇控制策略并計算預(yù)設(shè)定值輸出給軋機溫度控制機構(gòu)。在軋制過程中溫度閉環(huán)反饋控制環(huán)節(jié)將會調(diào)控改變各控制機構(gòu)的設(shè)定值。二級模型將在線的溫度控制機構(gòu)的實際值和溫度實測值反饋到自適應(yīng)環(huán)節(jié)，對預(yù)設(shè)定值計算模型中的可調(diào)參數(shù)和對軋機入口帶材溫度的估算值進(jìn)行修正，在下次軋制同樣規(guī)格合金帶材時，自適應(yīng)控制模型能給出滿足溫度控制目標(biāo)的預(yù)設(shè)定值。

4 溫度控制關(guān)鍵因素

溫度控制中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括紅外測溫儀和PLC控制器參數(shù)。紅外測溫儀溫度測量的偏差，以及控制軟件部份參數(shù)未細(xì)分等因素，會導(dǎo)致終軋溫度控制偏差。

4.1 紅外測溫儀

物體輻射率ε是影響紅外測溫精度的關(guān)鍵。因此，在測量過程中，首先要準(zhǔn)確設(shè)定物體的輻射率。AST紅外測溫儀中熱輻射率ε是通過內(nèi)部計算而得，其計算值的準(zhǔn)確度與信號處理器中的4個優(yōu)化因子的設(shè)定值有關(guān)。ε影響參數(shù)如表2所示。

表2 ε影響參數(shù)

H6和H7由傳感器固有特性決定，通過設(shè)定H4和H5值保證測溫準(zhǔn)確度。AST紅外測溫儀的優(yōu)化過程，即得出最佳的H4、H5，從而得到熱輻射率ε最優(yōu)值的過程。

根據(jù)測量值的分析，采用線性回歸分析的方法對H4和H5值的最優(yōu)擬合，利用最小二乘法公式對H4和H5值實現(xiàn)在線優(yōu)化。

精軋出口紅外測溫儀（FDT）：

150mm剪入口紅外測溫儀（RDT）：

式中：T為熱電偶實測值；T1，T2：根據(jù)最小二乘法，可得如下算式：

為保證溫度測量準(zhǔn)確，以下因素也是關(guān)鍵：（1）縮短現(xiàn)場測量傳感器與主控室內(nèi)電纜之間的距離，減少信號衰減；（2）選擇干擾小的背景廠房照明；（3）將冷卻水源由普通循環(huán)水改為冷凍水，減少測溫儀因處于高溫環(huán)境而縮短壽命和信號漂移；（4）改善和確?？諝獯祾叩馁|(zhì)量。

4.2 PLC控制參數(shù)

必須根據(jù)合金種類，逐步優(yōu)化PI控制器的參數(shù)KIT和KP，得出對應(yīng)于每種合金最優(yōu)的KIT和KP。

限定DV$FDTCP調(diào)節(jié)范圍為軋制速度的±25%，減少速度變化對板型和張力的影響。增加用于終軋溫度前饋控制功能選擇使用的軟件開關(guān)，選擇使用前饋控制，提高控制的穩(wěn)定性。針對3104制罐料等對終軋溫度高的要求，優(yōu)化精軋設(shè)定計算模型。

5 結(jié)束語

基于高精度數(shù)學(xué)模型的熱軋溫度控制系統(tǒng)已成為高精鋁板帶熱軋帶材生產(chǎn)必不可少的組成部分，它集成了軋制理論、自動控制和生產(chǎn)經(jīng)驗及各種先進(jìn)的檢測技術(shù)和控制技術(shù)。