轧辊偏心控制技术的研究情况(一)

绪论
问题的提出
 随着国民经济的发展，各行各业对冷轧带钢成品质量的要求日益严格。在轧制过程中，带钢的纵向厚度精度由厚度控制系统(简称AGC系统)来保证[1]。AGC承担消除或减少在轧制过程中产生的带钢纵向厚度公差保证厚度精度任务。现代冷轧带钢要求成品厚度公差限制在±(2～5)之内(占全长98％)[2]。
 冷轧过程中，影响产品厚度精度的因素很多，但大体可分为两大类[3～5]，即轧件工艺参数的变化和轧机状态的变化。轧件工艺参数的变化，主要包括材料的变形抗力和坯料尺寸以及张力、工艺润滑等轧制工作条件的变化。板带材的化学成分和组织的不均匀、焊接时的焊缝等都会造成材料变形抗力的变化，在冷轧时引起出口厚度的波动。热轧钢卷(来料)带来的扰动主要有热轧带厚不匀，这是由于热轧设定模型及AGC控制不良造成的，来料厚度不均匀将使实际压下量产生波动，导致轧制压力和弹跳的变化，进而影响产品厚度精度；热轧卷硬度不匀(变形阻力)，这是由于热轧终轧及卷取温度控制不良造成的。来料厚差将随着冷轧厚度控制逐架减少。但来料硬度确具有重发性，即硬度较大或较小的该段带钢进入每一机架都将产生厚差。冷轧时带钢前后张力的变化、轧制速度的变化及摩擦系数波动等也是造成轧出厚度波动的原因。带钢轧制过程中的张力变化会改变变形区应力状态，从而造成轧制压力的波动和轧出厚度的不均。轧制速度变化主要是通过摩擦系数、轴承油膜厚度来影响轧制压力和实际辊缝，导致轧出厚度的变化。轧机本身的扰动主要包括不同速度和压力条件下油膜轴承的油膜厚度将不同(特别是加减速时油膜厚度的变化)、轧辊偏心、轧机各部分热膨胀、轧辊磨损等。轧辊偏心是高频扰动，会引起板厚周期性波动，影响产品质量。
 此外还有工艺等其它原因造成的厚差，属于这类的有：不同轧制乳液以及不同速度条件下轧辊－轧件间轧制摩擦系数的不同(包括加减速时的摩擦系数的波动)；全连续冷连轧或酸洗－冷连轧联合机组在工艺上需要的动态变规格将产生一个楔形过渡段；酸洗焊缝或轧制焊缝通过轧机时造成的厚差。这一类属于非正常状态厚差，不是冷轧AGC所能解决的，是不可避免的。
 根据产生带钢厚度偏差的不同原因，可采取相应的厚度调节方式和措施来消除或减少它。目前，按其调节方式概括为[6,7]：
 ⑴ 调节压下量即改变辊缝；
 ⑵ 改变带钢在机架前、后张力或一侧的张力，即改变轧件塑性曲线的陡度；
 ⑶ 改变轧制速度；
 ⑷ 同时改变轧辊辊缝与带钢张力。
 在上述调节方式中，最常用的是调节压下的厚度控制方法[8～10]。调节压下量即调节辊缝有两种不同方式，即：
 ① 电动杆涡轮带动压下螺丝转动使工作辊之间的相对辊缝产生变化来实现带钢厚度控制的。由于电机、减速机的惯性很大，电机及传动系统的启动、制动时间长，因此，从厚度控制指令发出到轧出预定的带钢厚度其控制时间更长。另外，因需大的电机、减速压下  它是通过电机、减速机、蜗机等机电设备，故轧机成本高，而且维修也不方便；
 ② 液压压下(或液压推上)[11]  液压压下装置由位置检测器、液压缸和电液伺服阀等所组成，它通过伺服阀调节液压缸的油量和压力来控制液压缸上、下移动的行程，调节辊缝值实现对带钢的厚度控制。液压压下系统可以采用轧制力控制方式，也可采用辊缝位置控制方式。实践证明，在现代带钢冷、热轧机上采用液压AGC系统，其厚调效果较好，各种规格成品厚度偏差较电动式AGC系统有所减少[12～14]，特别是带尾失张所造成的厚跃效果更为明显。液压压下系统与电动压下系统相比，具有下列特点：首先，惯性小，反应快，截止频率高(可达30～40Hz，而电动压下一般在5～7Hz左右)，系统对外来的信号跟随性能好，调节精度高，更能适应AGC系统要求。其次，由于其快速性好，厚度控制所需的时间大大缩短。再其次，由于系统反应速度快，对轧辊偏心引起的辊缝发生高频周期变化的干扰能进行有效消除。还有，轧机刚度可控，可根据不同的轧制条件，选择不同的刚度系数，从而获得所要求的带钢轧出厚度。世界所有新建和改建的带钢冷轧机几乎都采用了液压AGC系统。
 为了克服诸多因素对板带材厚度的影响，提高产品的厚度精度，已经开发了和发展了多种厚度控制系统[15～17]，如测厚仪反馈AGC、压力AGC、流量AGC、监控AGC和前馈AGC等。传统AGC在控制精度方面各有其独特的特点，在轧机上得到广泛的应用[18～20]。
 ⑴ 测厚仪反馈AGC
  测厚仪反馈AGC系统是在带钢从轧机轧出后，通过轧机出口测厚仪测出实际轧出厚度值，并将其与给定厚度值比较，得出厚度偏差：
  (1.1)
 
再通过厚度自动控制装置将变换为辊缝调节量的控制信号，输出给压下或推上机构，以消除厚度偏差。用测厚仪信号进行厚度反馈控制时，由于考虑到轧机机构的限制、测厚仪的维护以及为了防止带钢断裂而损坏测厚仪，测厚仪一般装设在离直接产生厚度变化的辊缝有一定距离的地方，这就使检测出的厚度变化量和辊缝控制量不在同一时间发生，所以实际轧出厚度的波动不能得到及时反映。结果整个厚度控制系统的操作都有一定的时间滞后，用下式表示：
                                                                   (1.2)
式中为滞后时间，为轧制速度，是轧辊中心线到测厚仪的距离。由于存在时间滞后，所以这种测厚仪反馈式厚度自动控制系统很难进行稳定控制。因此目前普遍采用利用弹跳方程对变形区出口厚度进行检测，然后进行反馈控制。这将大大减少滞后，但由于弹跳方程精度不高，虽然加上油膜厚度补偿等措施仍不能保证精度。这正是当前推出流量AGC的原因。安装了激光测速仪后可精确实测前滑，因而流量方程精度大为提高，用变形区入口及变形区出口流量相等法，根据入口测厚仪及机架前后激光测厚仪可准确确定变形区出口处的实际厚度，因而提高反馈控制的精度。根据流量变形区入出口流量相等：
           (1.3)
式中：  分为入出口带钢宽度； 分为入出口的速度， 分为入出口带钢的厚度。一般情况下，入出口宽度变化不大，因而有

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