鋁板帶熱軋機板帶平直控制原理與方法

任 濤

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

鋁板帶熱軋機生產的產品規格多，材質性能差異大，用戶對生產成品率和產品外觀要求越來越高。另一方面，熱軋機組受設備結構和生產環境影響，在板材軋制時很難做到板型監控的閉環控制，只能通過保持設備穩定以及補償輥縫解決跑偏問題。熱軋機機架屬于彈性體系統，研究其變形規律有助于采用對應的控制和補償手段。隨著厚控系統功能不斷完善，全自動的靠零程序、剛度測試程序、過程記錄程序為分析和解決問題提供了便利條件。總結多個現場經驗，解決板材厚差和頭尾跑偏需要耐心排查設備狀態，細化各種補償參數，有針對性的編制軋制道次，最終可以達到理想的效果。

1 熱軋機輥縫控制系統組成

鋁板帶熱軋輥縫控制系統由電動壓下、軋輥系統、液壓缸微調缸及電控系統等部分組成。電動壓下部分由電機、齒輪箱、蝸輪蝸桿減速機、壓下絲杠、壓下螺母、推力軸承箱等組成。

電動壓下驅動采用起重類電機，啟動力矩大、過載能力強。熱軋機需要驅動電機提供更快的輥縫調整速度，通常要求30mm/s以上，一些特殊場合已經達到50mm/s。壓下電機通常設置兩臺，在傳統的單純電動壓下系統中，兩臺電機間設有機械式或電磁式離合器用于空載兩側輥縫傾斜調平。需要說明的是，該結構并不用于軋制時帶料調偏，調偏需要另外的機構實現。電動與液壓微調結合的輥縫系統，取消了離合器，完全靠微調缸對機械偏差進行補償。電動壓下系統通過蝸輪蝸桿減速箱減速并轉化為升降運動，傳動力矩大、傳動精度高。整個箱體采用稀油循環潤滑，并需要充分考慮回油通暢，否則漏油進入乳液系統將對板材質量造成較大影響。

壓下絲杠及螺母承受全部軋制力，需要有較大抗沖擊能力。壓下絲杠通常選用梯形螺紋，受力方向為平面3°牙型。螺紋的潤滑非常關鍵，傳統的油脂潤滑已基本被淘汰，采用稀油循環可充分潤滑螺紋面同時可帶出銅螺母研磨出的銅粉。在壓下螺絲中心內置位置傳感器，能夠直接測量絲桿位置，同時測量出兩側絲桿的位置差，可通過液壓缸補償。推力軸承內置在壓下絲杠與上支承輥軸承座間的軸承箱間，采用專用的密排錐形輥子軸承。為提高熱軋機的厚度控制精度，在軸承底部可選裝壓磁式壓力傳感器。與液壓壓力傳感器結合使用，可有效排除微調缸及彎輥缸摩擦力對軋制力測量的影響。

熱軋液壓微調缸多采用下置式(壓上缸)，安裝方便并且替代了軋制線調整裝置。微調缸多采用雙外置位置傳感器，檢修方便并且可監控液壓缸傾斜情況，傳感器加裝有保護殼體防止乳液滲入。微調缸密封采用低摩擦的組合密封結構，摩擦阻力應控制在工作壓力的1%以內。

軋輥系統由上支承輥、上支承輥平衡、工作輥、工作輥平衡及正彎、負彎、傳動接軸及平衡裝置等組成。上支承輥平衡力用于確保在高速抬升輥縫時軸承座始終接觸推力軸承。上工作輥平衡力用于克服上工作輥組件加支承輥光輥重量，以防止輥間擦傷。輥縫控制電控部分通常稱為厚控系統，基于軋制剛度理論和軋件塑性理論對輥縫動態控制，其系統包含的自動剛度測量、自動“靠零”、過程記錄等功能，可以有效幫助查找板帶平直度問題。

2 平直度控制理論及應用

2.1 軋機剛度定義

圖1 軋機的彈性曲線Fig.1 Elastic curve of rolling mill

2.2 熱軋機“靠零”過程

通過分析軋機剛度理論可知，控制輥縫需要避開非線性段，在生產中是采用“靠零”方式實現。首先熱軋機電動壓下低速上升留出空間，兩側壓上缸充油將下輥系抬升至軋制線位置停止；然后電動壓下低速下壓，當壓上缸測量出油壓變化到一定值后停止，一般取值80t～100t稱為一次靠零力。其后進入二次靠零，軋輥轉動，壓上缸逐漸加壓至二次靠零力(預壓靠力P0)，通常取20%～30%軋制力，此時兩側輥縫采用壓力閉環控制模式，將軋輥兩側壓力穩定在設定值，壓力穩定后位置傳感器清零，該點作為輥縫零位。輥縫打開準備軋制。通常熱軋生產時，靠零后會進行多塊料的軋制。

2.3 熱軋機剛度測量

在熱軋厚調系統中集成專用的剛度測量程序，可自動完成軋輥壓靠法測定軋機剛度。利用輥縫控制機構，讓上下軋輥直接接觸壓靠，軋輥作低速運轉，不斷增加定值軋制力，同時記錄液壓缸位移值和與其相對應的壓力值，到達最大軋制力約80%停止，并以相同的步長減壓，直至為零。根據這些不同點的壓下位移(即軋機彈性變形)值與對應的壓力值，做出軋機彈性變形曲線，求得軋機剛度K值。即使在剛度線性段，所測量剛度值也不是完全一致，尤其是上升段和下降段不是重合的直線，稱為“滯環”，是由壓上缸密封為主的阻力方向變化造成的，滯環體現了軋機制造精度水平。軋機操作側和傳動側剛度也不完全一致，在軋機軋制時，輥縫采用動態補償，所使用的剛度值為曲線，可以有效提高板帶材厚差和楔形的控制精度。

3 典型問題對應策略

在生產中經常會遇到板材鐮刀彎或卷材料頭料尾跑偏的問題，通過對軋制參數過程記錄進行分析，結合軋制剛度理論，逐一排查合理驗證，最終能夠找到影響因素并徹底解決。

3.1 案例1—由于傳感器結構問題造成鐮刀彎

在軋機生產前，首先要反復進行剛度曲線測試，滯環差控制在1%～2%，對于形成較明顯滯環的原因需要找到。影響因素包括微調缸摩擦阻力、彎輥缸摩擦阻力、位置傳感器可靠性、軸承座間隙、軸向鎖緊板間隙等因素。通過分析靠零過程，任何影響兩側壓力變化的因素都將會造成輥縫不平，包括傳感器失靈、液壓缸摩擦不均勻、傳動軸偏重、軋輥兩側卡阻、接軸轉動不均勻等。由于軋機制造、裝配精度等影響，軋輥兩側的剛度會有差別，對板材跑偏的影響無法直接計算。但這些影響往往是穩定的，可通過調整兩側的設定靠零力來糾正。

在某臺熱軋機生產現場，軋制過程中鐮刀彎頻繁出現，經過多次測量剛度曲線，其滯環差始終不穩定，大的時候甚至達到了8%，判斷一定是測量元件存在問題。經過多次測量和調換位置傳感器，直到將液壓缸解體，找到了裝配干涉點，最終解決問題。

3.2 案例2—由于傳動軸的干擾造成鐮刀彎

在某熱軋機調試現場，板材也出現明顯鐮刀彎。首先進行了規律驗證，同一塊料在每個道次偏向同一側，同一次靠零不同料偏的方向也一樣，但是如重新靠零再軋制，其偏斜方向又有所變化。檢查位置傳感器以及壓力傳感器并做了調換比較，還是找不到問題原因。調取了整個軋制靠零過程中各參數波動曲線，發現在二次靠零壓力環調整過程中，傳動側壓力有一定波動，比較緩慢很難注意到。為了確認該現象，將軋輥始終保持在二次靠零力觀察壓力曲線。長期測試發現，傳動側軋制力以工作輥周長為周期有約±30t的波動，會造成靠零過程中兩側壓力環緩慢波動，系統瞬間取值后有很大偶然性。當該值為0時，生產順利，當偏差較大就會出現鐮刀彎，且方向不定。針對這個情況，暫時采用了二次靠零不轉輥方案，軋制時鐮刀彎明顯消失，證明問題已找到。最終更換合格的傳動軸將該問題徹底解決。

3.3 案例3—卷取機動態補嘗造成卷材甩尾

隨著市場對產品外觀的要求越來越高，熱軋鋁卷的頭尾控制水平也在不斷進步。單機架熱軋機軋制軟合金鋁卷材，成品道次厚度約4mm～7mm，軋制力小于400t，已經遠小于二次靠零力，接近軋機剛度非線性段，輥縫控制困難，料頭的偏斜概率加大。除了確保各系統穩定，操作人員的調偏習慣成為主要干預手段，同一批料找到規律進行預控，可以獲得較好的一致性外觀。

某熱軋卷取帶尾嚴重跑偏，約150mm且方向不定。排查輥縫各參數無果。后調取卷取張力曲線觀察，在卷材接近尾部會降速過程，曲線顯示在降速點處明顯有張力波動，分析認為會引起軋制力波動且兩側響應速度不一致，導致帶尾跑偏。應對方案是微調卷取機動態補償系數，找到降速最穩定值，問題徹底解決。

4 結語

鋁板帶熱軋機中，單機架雙卷取熱軋機和“1+1”熱軋機有多個穿帶過程，卷材頭尾整齊度控制還需要依靠操作手的經驗，目前厚調補償功能無法完全替代人工干預。另外，在條件許可情況下，增加凸度儀、軋制壓力傳感器、張力計等高精儀器，能夠有效提高厚控系統的控制精度。