空氣軸承式板形儀積累誤差所致板形缺陷的處理與改進

王 鵬

(江蘇大屯電力工程有限公司，徐州221000）

0 前言

板形儀是一種由板形檢測輥、信號傳輸處理和檢測計算組成的板形檢測控制系統，已廣泛應用于金屬軋制過程中，用來精確測量控制板帶材的板形平直度質量。按照檢測方式，板形儀分為接觸式（根據傳感器不同，有英國VIDIMON 空氣軸承式、瑞典ABB 壓磁式、德國Achenbach-BFI 壓電式等）和非接觸式（如美國Thermo/Radiometrie-X 射線式和德國西門子的Si-flat）。

在鋁板帶箔生產過程中，板形儀應用比較普遍，集合了板形自動控制系統(AFC）和厚度自動控制系統（AGC），因此也是軋機現代化裝機水平的一個重要標志。在近期生產過程中，我公司1550mm 萬能鋁箔軋機配備的奧鋼聯（VAI）公司空氣軸承式板形儀多次出現板形儀反饋與實際不符的情況，雖然經過板形缺陷均衡控制和軋制工藝調整，但改善效果不明顯。因裝飾箔基材要進行涂布工藝，對板形要求很高，這給穩定高效的生產組織造成一定的不利影響。

1 缺陷表現

在幾次軋制半卷時，板形儀檢測的鋁板平直度良好，對應區域的噴淋符合設定的板形曲線，但在實際的鋁卷上有固定的幾個區域內出現了板形松的現象（薄料明顯）。卸卷后，展開該處呈細碎的波浪。

2 原因分析

在軋制過程的升速階段，為盡快達到目標厚度，軋制力和彎輥使用幅度較大，一般要求實際板形與目標板形曲線相吻合時再投入使用板形自動控制系統（AFC）完成生產全過程監測[1]。

由于箔材產品厚度較薄、生產用時較長，在AFC 投入后，工作輥的輥型很快就處于熱平衡狀態，輥縫中的產品板形也處于穩定狀態，此時的板形沒有異常，說明板形儀測量的板形與實際板形的偏差較小；在長時間穩定軋制后，板形儀的測量反饋依然顯示正常，而實際板形的缺陷卻逐步顯現，說明隨著生產時間的增加，板形的測量與實際板形偏差變大（即板形不符）。經過以上軋制過程中板形變化的分析，表明產生該缺陷的原因是板形儀的板形控制系統測量偏差累積（即板形儀產生的誤差積累）所致。

3 檢查方案及處理措施

空氣軸承式板形儀是由心軸和一系列質地堅硬、精密研磨的轉子（測量環）組成，中間由高壓氣提供支撐，形成空氣式（懸浮）軸承，見圖1。在軋制時，帶材在張力的作用下把施加給接觸的每個轉子的壓力在對應的每組傳感器上形成壓力差信號，通過臍帶線傳遞到傳感器箱，轉換為電壓讀數，再經過微處理器處理后形成板形信號顯示到操作臺顯示器上，供操作監控使用；另一方面，板形信號送到中央計算機后，中央計算機將收到的板形信號與目標板形進行對比，分解板形偏差信號，分別向傾斜、彎輥、分段噴淋發出指令，從而實現板形自動控制（AFC）。

圖1 空氣軸承板形儀

眾所周知，板帶箔材坯料的原始板形具有遺傳性，軋制道次越靠前板形控制就顯得越重要，尤其是箔材第一道次軋制，絕對壓下量大，金屬變形熱多，容易產生板形缺陷。所以，在箔材的粗軋道次應優先考慮配備一臺板形儀，這對改善后續道次的軋制、實現優質高效生產具有重要的實際意義[2]。氣動軸承具有高速度、耐高溫和低摩擦的特性，使得空氣式軸承板形儀可以保持長時間運行。另外，其響應時間快，維護簡便，可在一個班次內拆裝檢修，因此在箔材軋機上使用較為廣泛[3]。由于它是精密設備，系統結構復雜，各部件運行條件要求嚴格，而實際生產環境變化較大，加之連續高速、大壓下量生產，有很多因素都可能造成板形儀測量控制精度下降，最終影響到板形質量的精準檢測。

3.1 軋機輥系機械精度

板形儀正常工作是建立在軋機良好的機械精度基礎上，機械精度不良將對板形檢測的精度造成嚴重影響，特別是出口側輥系精度，將會直接影響板形儀測量的準確性，進而對板形自動控制系統的控制效果產生重大影響。因此，保持軋機機械精度是保證產品質量的先決條件。鋁箔軋機輥系機械精度要求見表1。

表1 鋁箔軋機輥系機械精度要求

3.2 工作輥磨削精度

在設備正常的情況下，影響鋁箔板形的主要因素有軋制油、工作輥和坯料原始板形。工作輥表面粗糙度不均時，在軋制過程中，當工作輥表面粗糙度相差較大時，粗糙度大的部分變形抗力大，產生的摩擦熱多，輥縫就小，對應的箔帶變形大，長度變長，厚度偏薄；粗糙度小的部分，變形抗力小，產生的摩擦熱少，輥縫就大，對應的箔帶相應變形小，長度變小，厚度偏厚，極易出現局部波浪或者成串的波浪[4]。

判斷是否是工作輥因素造成板形缺陷的途徑比較多，一般常用的方法有三種：用同一副工作輥軋制不同批次的坯料然后進行比較；用不同的工作輥軋制同一批次的坯料然后進行比對；運用專業工具對工作輥磨削質量（粗糙度、輥徑等）進行檢查。這三種方法均方便易行，但也同樣僅適用于檢驗坯料質量是否存在缺陷。

3.3 檢查輸入氣源質量

通過空氣軸承式板形儀工作原理可以知道，板形測量和控制是基于對分差傳感器的氣壓差的數據計算，因此，提供持續可靠的氣源質量是板形儀工作的必備條件。板形儀氣源技術要求見表2。

表2 板形儀氣源技術要求

為了保證板形儀工作正常，空氣干燥機的進氣壓力應不低于0.55 MPa (80psi）。當空氣壓力小于0.55 MPa時，將會使輸入空氣壓力和板形儀止推軸承與芯軸間報警壓力間的安全余量減少到一個可能會影響到設備儀器可靠性的級別。當壓力低于最小連續值時，主空氣壓力開關接觸應設置成打開，通常為0.6 MPa（87psi）；如果空氣干燥機與其他設備共用一個主壓縮空氣氣源，建議空氣干燥機進氣壓力不小于0.68 MPa，具體視實際情況的不同而不同。

在板形儀各項氣壓正常的情況下，需要對板形松位置對應的測量環進行重點檢查：確認芯軸空氣噴嘴是否堵塞或漏氣、芯軸壓力傳感器和傳感器塊上的接頭間的信號線是否正常、氣壓信號是否存在泄露等情況。

3.4 冷卻噴淋系統故障

冷卻噴淋系統是按照板形儀平直度自動控制系統（AFC）的指令來控制工作輥各個區域與測量環相對應的冷卻液噴淋閥門、為軋輥提供最合適的方式和最佳的冷卻液流量，使工作輥各區域冷卻以消除殘余板形平直度偏差同時控制軋制過程中軋輥的溫度，從而達到精確控制板形的目的。它也可以被單獨布置在操作工控制面板上，操作工可以通過控制面板來選擇各個噴嘴的噴淋級別或者特定的噴淋方式。1550 mm鋁箔軋機噴淋系統采用的是積分噴淋閥，其結構見圖2。

圖2 積分噴淋閥橫截面

板形自動控制系統（AFC）在將實際板形和設定的目標板形進行對比后，根據有關算法對形成的差值（稱為板形誤差）進行分解，分別通過一次線性誤差（傾斜控制）、二次拋物線誤差（彎輥控制）、殘余誤差（噴淋控制）進行消除[5]。而分段冷卻控制是所有板形控制措施中最后一道且不可或缺的精細控制措施，在薄料加工時其作用尤為明顯。

冷卻液的“斷”、“通”由噴淋閥內的橡膠薄片控制。當壓縮空氣壓力大于軋制油壓力時，噴嘴“關閉”，反之則“開通”。為確保噴淋閥門的快速和正確轉換，空氣室壓力要大于冷卻液壓力0.2 MPa。由于閥內橡膠薄片在工作期間連續的彎曲和伸直而極易疲勞斷裂，如未能及時發現并處理，噴嘴處冷卻液會處于“常開”狀態（滲漏），這種故障所引起的板形缺陷占比較大，需要定期檢查。實踐發現，當氣液壓力比為2∶1時，執行和冷卻效果最好。

3.5 板形儀測量誤差

板形儀的測量誤差會直接導致板形控制問題。因此，對板形儀進行日常檢查、定期校準就顯得非常重要。檢查板形儀測量是否準確，就需要對測量環進行校準，使之符合校準曲線（見圖3），以確保精確度保持最佳狀態。

測量環壓力信號/載荷特性可以表示為：

校正的數據表給出了所有的M和C的值。

圖3 典型的校正曲線

經過對板形儀測量環的3次標定，將4個已知重量法碼6.29 kg/10.99 kg/20.38 kg/29.76 kg 分別加到每個測量環上，記錄這4個重量分別對應的電壓值，從中發現第7#、8#、9#三個環的數據異常，如表3所示。當然，也可以根據測得的電壓值反推出加在輥環上的重量值。

表3 三次標定記錄統計

根據經驗，當發現個別轉子的標零(ZERO mV）最大值和最小值誤差過大時，應立即停車檢查原因[6]。從表3 中可以看出，在重量29.76 kg 時，7#、8#、9#環不同次標定時的最大差值分別為：0.16 V、0.1 V、0.09 V。以7#環平均值4.34 V來計算，每公斤對應的電壓值為：4.34 V/29.76 kg=0.146 V/kg，也就意味著第1 次標定和第3 次標定的電壓差值已經達到1.09 kg。也就是說，板帶對板形環的壓力為5kg，板形環檢測的結果是6 kg，而對于板形平直度目標曲線來說，如果6 kg剛好滿足要求，那么在線的板形顯示就是良好的，但實際板形卻是松的。

考慮測量的數據存在誤差是不可避免的，想要減小誤差對測量的影響，就需要進行多次測量，對結果進行數據統計。一般來說，測量的結果服從正態分布，越接近于正值時數據的出現頻率越大，如圖4所示。

圖4 誤差的正態分布

測量結果設為變量x，則其概率密度為：

其中μ和σ是分布密度的兩個參數。

而測量變量出現在給定區間內的概率為：

根據計算結果，若在測量中x有90%以上與標定值極為接近，那么系統誤差對軋制時的影響就可以減小到最低程度。在VAI的AFC方案中，可以通過調整板形曲線來修正板形的對稱性缺陷。針對這種非對稱缺陷，板形自動控制系統無法自主完成。為解決實際生產中易出現的類似問題，現提出以下幾種方案：

（1）方案1：在短時間內，可以通過手動調整噴淋來解決（在操作臺即可完成）。但如果長時間使用此方法，對AFC系統和人員操作都是一種考驗。

（2）方案2：通過調整相應噴淋閥的噴淋系數以增加個別區域的冷卻液噴淋量來解決（需要在工程師站完成）。但試驗證明，這種解決方案只能滿足部分道次的缺陷調整需求，整體效果不好。

（3）方案3：在標定時，通過增加補償量來修正目標板形曲線，如圖5所示，虛線為原標定曲線，實線為補償后曲線。具體做法是：在標定重量10.99 kg 時對應電壓為1.58 V，如果此時增加一定的重量（如0.5 kg），那測得的電壓就會升高至1.76 V，但板形儀系統仍然認為重量是10.99 kg，只是將10.99 kg 時的電壓對應成1.76 V，此時就會形成新的標定曲線（實線）。待到軋制時，假設鋁板帶材對測量環的壓力為10.99 kg時，對應的環電壓就是1.58 V，那么板形儀會認為此處壓力偏低（10.26 kg），板形表現為此處板面較松，應該增加噴淋量來冷卻軋輥，以改善板形。

實踐驗證，針對特定區域產生的不對稱板形缺陷，采用方案3這種補償修正法可以有效保證板形質量。

圖5 標定補償示意圖

4 結束語

在鋁板帶箔生產過程中，極易遇到非對稱性板形質量缺陷，特別是在料薄軋制用時較長時，易出現一些積累誤差。此時應細心分析，認真對待，在排除坯料、工作輥、冷卻液、軋機輥系機械精度等因素外，應重點對空氣軸承式板形儀使用的氣源質量進行排查。通過調整噴淋系統氣液壓力比以及使用補償修正目標曲線法，可較好地修復板形缺陷，這已在實踐中取得了較好的效果。