森基米尔轧机在硅钢轧制中的厚度控制分析及改进

[摘 要]本文对首钢股份公司引进日本三菱-日立公司的森基米尔轧机的特点和厚度控制原理进行了阐述，对森基米尔轧机在高牌号无取向硅钢和取向硅钢轧制过程中存在的厚度波动问题进行了描述，对导致厚度控制波动的因素进行了分析，针对森基米尔轧机在各道次厚度控制过程中的特点，对各种厚度控制效果和影响进行了实验，得到了最佳的厚度控制组合，解决了带钢在轧制高牌号无取向硅钢和取向硅钢过程中的厚度波动问题。

[关键词]森基米尔轧机 厚度波动 自动厚度控制

中图分类号：TG333 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）21-0092-02

1 问题的提出

随着我国经济的发展，对于冷轧薄规格带钢的需求越来越大，据资料显示，我国目前冷轧带钢生产能力过剩，但高精产品依然供不应求。作为衡量带钢的重要质量指标，带钢厚度公差在轧制时的厚度控制精度要求越来越高。森基米尔轧机具有牌坊刚度大、工作辊径小、整体式牌坊的特点，适用于轧制硬度高的合金材料。因此，随着带钢中硅含量的增加，冷轧进行高牌号无取向硅钢和取向硅钢薄规格轧制时，各轧制道次出口厚度的逐渐减薄，需要压下力及轧制过程稳定性要求的逐渐上升，采用森基米尔轧机进行轧制成为了理想的选择。首钢股份公司从日本三菱-日立公司引进三台森基米尔二十辊轧机，自2012年投产以来，取向硅钢和无取向硅钢产量和市场占有率已经达到国内先进水平，但部分钢种轧制过程中存在的厚度波动问题影响了产品质量，造成客户在使用过程中的产品异议，有必要对现场厚度控制方式进行分析和改进，解决轧制厚度异常波动问题。

2 轧机厚度控制原理

板材轧制过程即是轧件产生塑性变形的过程，也是轧机由于轧件的反作用力产生弹性变形（即弹跳）的过程，二者同时作用。轧机在轧件咬入前的理论空载辊缝为，轧件咬入后，按照Hook定律，轧机弹性变形值与轧制力成正比，弹跳值，此时轧件厚度如下式所示：

（1）

式中，为轧机出口侧带钢厚度，为轧机空载辊缝值，为轧制力，为轧机弹性模量。

实际轧制过程中，当压力较小时，轧机弹性形变及轧件塑性形变和压力之间呈现非线性关系，且压力愈小，所引起的变形也愈加难以精确确定，亦即辊缝的实际零位难以确定。当轧制力大于固定值时，弹性形变及塑性形变与压力之间可近似为线性关系，为消除这一非线性区域影响，在实际中当辊径变化偏差达到1.5mm时，进行辊缝标零（轧制力为）。在轧制过程中，轧制力作用于Y轴方向，带钢厚度变化于X轴方向，随着轧制力的变化，根据弹性模量和塑性模量变化曲线，可以得到带钢出口厚度变化曲线，即P-H图，如图1所示。

3 厚度控制存在的问题及原因分析

3.1 存在的问题

在森基米尔轧机进行无取向高牌号硅钢和取向硅钢轧制过程中，厚度控制过程大部分可以取得良好的控制效果，但在轧制过程中突然会存在厚度波动（如图2所示）情况，从而导致带钢整体纵向厚度控制不良，主要存在以下几个方面的问题：

1） 加减速阶段厚度波动较大；

2） 恒速轧制阶段带钢厚度突然波动；

3.2 影响厚度控制的因素

由于轧制过程的复杂性，影响带钢厚度变化的因素很多，由于影响轧制压力、原始辊缝和油膜厚度等方面的因素都将造成成品厚度波动，概括起来主要包括以下几个方面：

根据弹跳方程，凡是影响轧制压力、原始辊缝和油膜厚度等的因素都将对实际轧出厚度产生影响，概括起来有如下几个方面：

1）轧制力波动的影响。轧制压力波动是造成带钢厚度波动的主要因素。所有影响轧制压力的因素都会影响带钢塑性变形曲线的相对位置和斜率，通过改变弹跳曲线和塑性曲线的交点位置，而影响带钢的实际轧出厚度。

2）温度变化的影响。温度变化对于带钢厚度波动的影响，实际就是温度差对厚度波动的影响，温度波动主要是通过对金属变形抗力和摩擦系数的影响而引起的厚度差。

3）张力变化的影响。张力通过影响应力状态，以改变金属变形抗力，特别是在冷轧带钢轧制中，由于带钢厚度很薄，一般都在0.5mm以下，张力变化对于厚度的影响更加显著，当张力变化时，就会引起厚度发生变化。由于冷轧为冷态轧制，随着轧制过程的进行，会产生加工硬化，故冷轧时采用较大张力进行轧制，在采用大张力轧制过程中，会引起带钢拉窄，对于厚度的影响也更加明显。

4）速度变化的影响。由于在加减速过程中，速度的变化引起摩擦系数、变形抗力、轴承油膜厚度来改变轧制压力和辊缝产生作用。

5）辊缝变化的影响。当进行带钢轧制时，因轧机部件的热膨胀、轧辊的磨损和轧辊偏心等会使辊缝发生变化，直接影响实际轧出厚度的变化。轧辊和轴承偏心所导致的辊缝周期性变化，在高速轧制情况下，会引起高频的周期性的厚度波动。

除上述影响之外，来料厚度和机械性能的波动，也是通过轧制压力的变化而引起的带钢厚度的变化。冷轧时，由于二十辊轧机轧制的带钢有时在头尾部分带有焊缝，焊缝处的硬度要比其它部分的高，因此也会引起厚度的波动。

在实际轧制过程中，以上诸多因素对于带钢实际轧出的厚度的影响都不是孤立的，而往往是同时对轧出厚度产生作用，所以，在厚度自动控制系统中应该考虑各因素的综合影响轧机方面因素主要包括轧辊热膨胀、轧辊偏心、轧机主电机与驱动辊之间的同轴度、轧机弹性系数等方面。带钢方面因素包括入口厚度变化、乳化液、实际辊缝值、带钢表面油膜变化、带钢张力变化等方面。轧机方面因素主要通过定期进行设备精度的测量来保证。带钢方面因素由于变化具有特定性，与现场轧制工况息息相关，因此在带钢轧制过程中为了保证出口带钢厚度恒定，往往通过将各种控制结合在一起进行使用，最基本的控制方式就是在保证张力恒定的基础上，通过调节压下的厚度控制方式来保证厚度控制精度。

4 森基米尔轧机厚度控制的改进

为了消除由于复杂工况导致的带钢厚差变化，根据轧制时的弹塑性曲线，辊缝自动厚度控制方式（Automatic Gauge Control，AGC）控制手段包括前馈（FF） AGC、反馈（FB） AGC、SMITH AGC、BISRA AGC、秒流量（MF） AGC和加减速（ACC/DEC） AGC控制组成，各种AGC厚度控制在森基米尔轧机的控制系统框图如图3所示。

AGC控制系统设计的目的就是为了消除由于来料厚差、出口厚差、硬度偏差、轧制速度等所造成的成品厚度偏差，通过控制辊缝改变带钢出口厚度，使带钢达到目标厚度。各AGC控制系统对于轧制干扰因素的影响如下表所示。

基于上述AGC控制对于干扰因素的影响，在生产无取向带钢和取向带钢过程中，结合原料情况，以及轧辊粗糙度、乳化液浓度、乳化液流量、轧辊凸度等因素，对各钢种在不同道次采用了不同的厚度控制组合方式及控制比例。

1）第一道次采用前馈AGC+反馈AGC方式；

2）其他道次轧制速度小于45米/分钟时采用前馈AGC+反馈AGC+SMITH AGC，大于45米/分钟采用秒流量AGC+BISRA AGC方式；

3）轧制速度小于200米/分钟时加减速厚度投入比例为100%，大于200米/分钟时投入比例为80%。通过上述控制方法的合理组合来调节有载辊缝，确保带钢厚度控制精度，可以良好的消除各种因素对于轧件厚度控制的影响，得到满意的带钢厚度控制结果。图4为成品道次厚度控制曲线图，从成品道次厚度控制效果来看，整体厚度控制效果平稳，无异常波动情况，解决了轧制过程中的厚度波动问题。

5 结论

通过对首钢股份公司引进的森基米尔轧机的厚度控制效果进行分析，针对在轧制高牌号无取向硅钢和取向硅钢过程中存在的厚度异常波动的问题，作者通过对森基米尔轧机厚度控制原理进行了分析，对各种厚度控制方式进行总结和现场实验，从而根据各道次的特点结合各厚度控制的效果得到了不同的组合方式，解决了厚度波动问题，使厚度控制可以达到理想的控制效果。

参考文献：

[1]YU Hai-liang， LIU Xiang-hua， WANG Chao， Park Hae-doo. Analysis of Roll Gap Pressure in Sendzimir Mill by FEM[J]. ScienceDrect， 2006，9：30-33.

[2]Gunawardene G W D M， Grimble M J， Thomson A. Static Model for Sendzimir Cold-Rolling Mill[J]. Met Technol 1981，8（7）：274.

[3]孙杰，张殿华，曾玉清，程平文，李旭. 单机架可逆轧机自动控制系统[J]，冶金自动化，2008，1（32）：45-48

[4]刘金j著. 先进PID控制机器MATLAB仿真[M]. 北京：电子工业出版社. 2003.1

[5]潘纯久编著.二十辊轧机及高精度冷轧钢带生产[M]. 北京：冶金工业出版社.2003.9

作者简介：

赵静波，男，1982年生，满族，内蒙古喀喇沁旗人，研究生学历，自动控制工程师，研究方向为轧钢自动化控制和智能控制。