03 板形控制技术

板形控制技术

> 本文基于Achenbach《铝轧机技术》(Aluminium Rolling Mill Technology, 2002)整理，仅引用原文内容。
> 来源：Achenbach, Aluminium Rolling Mill Technology, 2002, Ch.3-4

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1. 板形的定义与度量

1.1 I-Unit定义 (p.59)

板形（Strip Flatness）是衡量带材质量的核心指标之一。Achenbach原文指出，板形通过纵向条带之间伸长率的差异来定义，单位为I-Unit：

$$1 \text{ I-Unit} = \frac{\Delta l}{l} \cdot 10^{-5}$$

其中：

• $\Delta l$：带材长度差异（difference of strip length）
• $l$：带材长度（strip length）

在铝带和铝箔的轧制中，以下近似关系成立：

$$\frac{\Delta l}{l} \approx \frac{\Delta \delta}{\delta}$$

其中：

• $\Delta \delta$：流动应力差异（difference of flow stress）
• $\delta$：材料流动应力（material flow stress）

原文明确指出，基于这一近似，”在轧机出口侧的导向辊上测量应力分布，可以直接反映带材板形”（p.59）。

1.2 板形测量原理 (p.60-61)

原文描述了三种典型的板形测量辊设计：

1. 分段式测量辊（Segmented measuring roll）：旋转环安装在固定轴上，内部采用空气轴承，通过双节流原理（double throttle principle）测量应力偏差；
2. 全表面测量辊（Full-face measuring roll）：压电压力传感器（piezoelectric pressure sensors）安装在同心钻孔中，通过中心孔进行电气连接，每旋转一圈测量一次应力值，始终在带材正下方的位置测量（Fig. 52）；
3. 分段拉杆式测量辊：通过拉杆连接的圆盘中包含传感器，对运行其上的带材应力产生响应。

原文特别强调了测量区域宽度对板形精度的影响：”在带材边缘以较窄区域（26 mm）测量，与带材中心以较宽区域（52 mm）测量相比，在评估真实板形轮廓方面具有很大优势。”（p.60）

Fig. 53展示了不同测量区域宽度的效果差异：当实际应力分布如Fig. 53a所示时，26 mm区域间距的测量辊可获得如Fig. 53b所示的准确应力轮廓，而52 mm区域间距的测量辊仅能获得平均值（Fig. 53c），更宽的间距将提供不可用的结果。

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2. 板形控制系统架构

2.1 四辊轧机的板形控制环路 (p.62)

原文指出，四辊轧机（Four-high rolling mill）的板形控制系统由四个独立的控制环路组成（Fig. 54）：

原文明确说明：”所有控制环路根据各轧机的特殊特性独立设定。各控制环路之间可能的干扰得到补偿。所有倾斜、弯曲、凸度和横移操作均由伺服液压控制环路完成，动态响应极快。其对带材板形的影响始终相对于带材中心线对称。”（p.62）

2.2 六辊轧机的附加控制环路 (p.62)

对于六辊轧机（Six-high rolling mill），板形控制系统具有额外的控制环路：

• 中间辊横移（Intermediate roll shifting）
• 中间辊弯曲（Intermediate roll bending）

原文指出，六辊轧机”配有工作辊或中间辊驱动、可轴向横移或可倾斜的中间辊、正负工作辊和中间辊弯曲——是最复杂的设计，允许最宽的辊缝几何形状控制范围”（p.32）。

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3. 冷却喷射控制（Coolant Spray Control）

3.1 基本原理 (p.62-63)

原文将冷却喷射控制定义为”唯一点对点可调的控制方式”，其特点为：

• 短期效果：对辊缝中润滑条件有快速影响
• 长期效果：对整体热辊形（thermal profile）有长期影响

原文描述了不同层次的冷却控制策略：

• 简单系统：仅包含单一控制算法，用于校正局部板形缺陷
• 高级系统：”整合带材和辊缝的完整板形和热图像，允许系统在最大板形误差时以最大冷却液量响应，或以恒定冷却液量运行以均衡带材温度。后一种方法提供更好的离线板形结果。”（p.63）

3.2 喷射梁设计 (p.63)

喷射梁（Spray bars）的区域间距与板形测量辊的布局一致，标准配置为26 mm和52 mm。原文提到，”带有可轴向横移喷射梁的新系统效果更好”（Fig. 55），其特点是在带材边缘设有可移动喷嘴。

此外，原文介绍了”热喷射”（hot sprays）方法：在带材边缘线外部设置额外的喷射喷嘴，”从外部向边缘区域传递热量，以防止’四分之一波浪’（quarter buckles）”（p.63）。

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4. 厚度控制系统

4.1 SGC®间隔板厚度控制 (p.56)

SGC®（Spacer Gauge Control）是Achenbach的专利厚度控制系统。原文描述其工作原理如下：

“SGC®系统使用特殊的传感器装置测量背辊轴承座之间的距离，作为轧制力缸伺服液压控制环路的输入信号（Fig. 48）。该方法模拟了一个’刚性’机架，允许非常快的响应时间，从而提高内环厚度控制的精度。”（p.56）

SGC®的适用范围：

• 用于”开辊缝”轧制（open gap rolling）
• 不用于箔材轧机：箔材轧机以”闭辊缝”（closed gap）运行，仅配备标准位置传感器

厚度控制系统的控制参数包括：

• 轧制分离力（roll separating force）
• 辊缝位置（roll gap position）
• 入口和出口带材张力（entry and exit strip tensions）
• 轧制速度（rolling speed）

4.2 反馈/监控控制 (p.57)

所有铝轧机在出口侧安装一台厚度测量仪（Fig. 49），可以是X射线型或辐射型。其输出读数用于叠加的反馈或监控控制（feedback or monitor control）。

原文指出：”在带材和薄带材轧机中，通过在入口侧增加一台厚度测量仪，可以实现前馈控制（feed-forward control），从而获得更好的厚度公差结果。”（p.57）

4.3 质量流量控制（Mass Flow Control） (p.57)

原文明确指出，质量流量控制可实现比上述系统”更好的公差”。其基本方程为：

$$h1 \cdot v1 = h2 \cdot v2$$

其中：

• $h1$：入口厚度（entry gauge）
• $v1$：入口速度（entry speed）
• $h2$：出口厚度（exit gauge）
• $v2$：出口速度（exit speed）

假设带材质量保持不变，可以建立动态响应更快的控制环路：

$$h2 = \frac{v1}{v2} \cdot h1$$

质量流量控制需要在轧机入口和出口侧均安装带材速度测量仪。

4.4 产量优化系统（Throughput Optimisation） (p.58)

原文描述了箔材轧机特有的厚度控制方法：

“箔材轧机中的带材厚度控制通过改变带材后张力和轧制速度来实现。轧机运行速度越快、后张力增加越大，轧制的材料就越薄。”（p.58）

产量优化系统的运行逻辑为：

1. 将轧机加速至额定速度
2. 将后张力减小到最小预设值
3. 同时不断最大化带材速度
4. 保持带材厚度在正确值

Fig. 50展示了该系统的运行图示，包括张力上限、张力下限、目标值等参数。

4.5 带材面积优化（Strip Area Optimisation） (p.58)

原文解释了这一优化系统的商业逻辑：

“铝箔主要按面积而非重量销售。因此，每个轧机运营公司都试图通过在最低允许公差极限处轧制来最大化箔材面积。该优化系统监控实际厚度偏差的三西格玛公差带，并将参考值向低端校正，从而在相同金属量下获得更多面积。”（p.58）

4.6 偏心补偿（Eccentricity Compensation） (p.58)

原文简要指出：”背辊偏心也会影响出口带材厚度的精度。如今，创新的偏心补偿方法可以补偿这种不良影响。”（p.58）

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5. 辊缝几何形状的控制执行器

5.1 弯辊系统 (p.32-36)

弯辊系统是板形控制的核心执行器之一。原文在不同章节中描述了以下弯辊配置：

工作辊弯曲（Work Roll Bending）：

• 正弯辊和负弯辊（positive and negative work roll bending）
• 安装在机架窗口的液压块（hydraulic blocks）中
• 用于控制板形偏差的四次指数部分

中间辊弯曲（Intermediate Roll Bending）：

• 仅在六辊轧机中使用
• 提供额外的板形控制维度

原文指出，在机架窗口中”安装有包含平衡、正负弯辊和轴承座稳定缸的液压块”（p.35）。

5.2 CVC技术与辊型控制 (p.32)

原文在描述轧机类型时提到了CVC（Continuously Variable Crown）相关技术：

四辊轧机的增强执行器：
“如今，它们通过执行器得到增强，以提供更宽的辊缝几何形状控制范围，影响轧制操作的非稳态阶段。这些执行器要么是可液压膨胀的背辊，要么是特殊形状且可轴向横移的工作辊。”（p.32）

六辊轧机：

• 配有可轴向横移或可倾斜的中间辊
• 中间辊横移提供连续可变的辊凸度控制

5.3 可膨胀背辊（Inflatable Back-up Roll / VC Roll） (p.32, 51)

在Fig. 54的控制环路标注中，VC roll control对应板形偏差的平方部分（x⁶/x³）。原文在液压系统章节中提到：

高压系统”以250 bar的标称压力在伺服控制闭环中运行，用于辊设定、弯辊和可膨胀背辊”（p.51）。

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6. 热辊形控制

6.1 冷却系统与热辊形的关系 (p.42, 62-63)

原文指出，辊冷却系统”对良好的带材板形控制至关重要”（p.42）。冷却喷射系统对热辊形的影响体现在两个层面：

1. 快速影响：对辊缝中润滑条件的快速影响
2. 长期影响：对整体热辊形的长期影响

高级冷却控制系统”整合带材和辊缝的完整板形和热图像”，可以”以恒定冷却液量运行以均衡带材温度”（p.63）。

6.2 热喷射与边缘温度控制 (p.63)

为防止边缘区域出现四分之一波浪（quarter buckles），原文介绍了在带材边缘线外部设置”热喷射”（hot sprays）的方法。这些额外的喷射喷嘴从外部向边缘区域传递热量，以补偿边缘区域的温度损失。

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7. 轧制力与辊缝设定

7.1 机架刚度与辊缝控制 (p.34-36)

原文强调了机架刚度对板形控制的重要性：

“轧机刚度最重要的部分是机架。其设计通过有限元计算进行优化，以确保在负载下的延伸和窗口收缩保持在狭窄公差范围内（Fig. 27）。”（p.35）

伺服液压轧制力缸”安装在辊系的底部或顶部。每个轧制力缸提供数百吨总轧制力的一半”（p.36）。

7.2 辊系预设与自动控制 (p.65)

轧机预设系统（Fig. 57）包含以下关键参数：

• 弯辊力（Bending Force [kN]）
• 轧制力（Roll [kN]）
• 弯辊自动（Bending Automatic）
• 倾斜自动（Tilting Automatic）
• VC自动（VC Automatic）
• 板形预测控制（Flatness Forecast Control）

原文指出：”新线圈的轧机启动随后使用从线圈数据、实际过程数据和轧机模型中的轧机状态计算的参数进行。该预设辊缝几何形状保证了从线圈的加速阶段开始就获得最佳带材质量。”（p.65）

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8. 辊缝几何形状仿真与参数化 (p.33)

原文描述了轧机选型后的量化设计流程：

“在基本辊系配置选定后，使用轧机仿真程序进行量化设计（Fig. 26）。该程序包含所有机械、热力和摩擦学系统组件，以找到辊、轧制扭矩、轧制载荷、带材张力等的最佳设计尺寸。在下一步中，使用这些尺寸模拟执行器的参数化，以确保所需的控制范围。”（p.33）

控制范围取决于来料条件，即热轧或连续铸轧线圈的质量。限制通常由以下参数定义：

• 带材厚度相对于平均值的偏差
• 带材厚度偏差的斜率
• 材料抗拉强度相对于平均值的偏差
• 材料抗拉强度偏差的斜率
• 带材轮廓变化
• 带材宽度变化率

原文总结道：”成品带材只能与来料一样好或稍差一些，这是不言自明的。”（p.33）

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9. 板形控制的自动化层次 (p.54-55)

原文将技术控制分为四个层次（Fig. 47）：

原文指出，由于不同控制参数对轧制过程影响的复杂性，”只能通过自动计算机控制技术来掌握”（p.32）。

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10. 总结

Achenbach原文系统描述了铝轧机板形控制技术的完整体系。其核心要点包括：

1. 板形测量基于I-Unit定义，通过分段式或全表面测量辊实现在线实时检测，26 mm边缘区域测量精度优于52 mm中心区域；
2. 四辊轧机包含四个独立控制环路（倾斜、VC辊/横移、弯辊、冷却），六辊轧机增加中间辊横移和弯曲控制；
3. SGC®系统通过测量背辊轴承座间距模拟刚性机架，实现快速厚度控制；
4. 质量流量控制基于$h1 \cdot v1 = h2 \cdot v2$方程，提供比传统系统更好的公差；
5. 冷却喷射控制是唯一点对点可调的板形控制方式，兼具短期润滑效果和长期热辊形影响；
6. 轧机仿真程序用于辊系选型和执行器参数化，确保控制范围满足产品要求。

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> 本文基于Achenbach《铝轧机技术》(Aluminium Rolling Mill Technology, 2002)整理，仅引用原文内容。
> 来源：Achenbach, Aluminium Rolling Mill Technology, 2002, Ch.3-4