黃杏往 王勝勇 盧家斌 葉剛橋

摘要：文章涉及一種冷軋板形殘差消除方法，是一種先為軋輥包括工作輥的每一個(gè)冷卻分區(qū)設(shè)置一個(gè)冷卻液開(kāi)關(guān)閥，再根據(jù)軋輥與冷卻液間的傳熱原理及PI閉環(huán)控制原理對(duì)該開(kāi)關(guān)閥進(jìn)行有效的控制，以消除相應(yīng)冷卻分區(qū)上的冷軋板形殘差的方法。

關(guān)鍵詞：冷軋板；板形殘差；PI調(diào)節(jié)；傳熱；控制

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2012）31-0020-03

1 概述

板形精度是帶鋼的一項(xiàng)主要質(zhì)量指標(biāo)和決定其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要因素。隨著汽車、輕工、家電和電氣制造等工業(yè)用戶對(duì)板形質(zhì)量要求的不斷提高，板形控制技術(shù)已成為軋鋼領(lǐng)域最核心最復(fù)雜的技術(shù)之一，是繼板厚控制之后世界各國(guó)開(kāi)發(fā)研究的又一熱點(diǎn)問(wèn)題。文獻(xiàn)[2]至文獻(xiàn)[5]分別對(duì)各種板形技術(shù)進(jìn)行了研究和分析，記錄了板形控制技術(shù)的進(jìn)展軌跡。

2 冷軋板形殘差消除方法

由于各機(jī)械類板形調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)本身機(jī)械特性的限制，冷軋板在經(jīng)過(guò)支撐輥傾斜機(jī)構(gòu)、中間輥彎輥機(jī)構(gòu)、工作輥彎輥機(jī)構(gòu)、中間輥橫移機(jī)構(gòu)等機(jī)械類板形調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)后，仍會(huì)存在板形殘差。

在軋制時(shí)，軋輥，尤其是工作輥，由于軋制時(shí)產(chǎn)生的熱量，其輥身會(huì)產(chǎn)生一定的熱凸度，在控制上，通常通過(guò)對(duì)軋輥，例如工作輥，進(jìn)行有區(qū)別的分區(qū)冷卻，以改變其輥身各分段上的熱凸度，從而達(dá)到糾正板形殘差的目的。

通過(guò)冷卻液使工作輥輥身各分段上熱凸度產(chǎn)生改變的過(guò)程是一個(gè)由工作輥向冷卻液傳遞熱量的

過(guò)程。

式（1）是傳熱基本方程式：

××（1）

根據(jù)式（1），有：

××（2）

式（1）和式（2）中，為傳熱速率，單位為W或J/s；為傳熱系數(shù)，單位為·；為傳熱面積，單位為；為傳熱溫差，單位為K或；為傳熱量，單位為J；t為傳熱時(shí)間，單位為s。

從式（2）可知，通過(guò)改變傳熱系數(shù)、傳熱面積、傳熱溫差、傳熱時(shí)間t都可改變傳熱量。對(duì)于工作輥與冷卻液間的傳熱過(guò)程，即是通過(guò)改變工作輥與冷卻液間的傳熱系數(shù)、工作輥各分段輥身傳熱面積、工作輥與冷卻液間的傳熱溫差、工作輥與冷卻液間的傳熱時(shí)間t都可改變工作輥與冷卻液間的傳熱量。

對(duì)于傳統(tǒng)的板形殘差消除方法，其實(shí)施PI控制的實(shí)質(zhì)是根據(jù)各冷卻分區(qū)上的板形殘差大小來(lái)計(jì)算和控制相應(yīng)分區(qū)上的歸1化冷卻液流量，即根據(jù)各冷卻分區(qū)上的板形殘差大小來(lái)控制式（2）傳熱系數(shù)的大小，從而實(shí)現(xiàn)從各冷卻分區(qū)吸取不同的總熱量，達(dá)到改變工作輥各冷卻分區(qū)上的熱凸度，消除各冷卻分區(qū)上的板形殘差的目的。此時(shí)有兩種調(diào)節(jié)方案可以選用：可以在一個(gè)冷卻分區(qū)上設(shè)置一個(gè)比例調(diào)節(jié)閥，并把冷卻分區(qū)j上的比例調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度調(diào)節(jié)至；可以在一個(gè)冷卻分區(qū)上設(shè)置n個(gè)開(kāi)關(guān)閥，并把被打開(kāi)的開(kāi)關(guān)閥的數(shù)量設(shè)置為n*。

對(duì)于本文提出的板形殘差消除方法，其實(shí)施PI控制的實(shí)質(zhì)是根據(jù)各冷卻分區(qū)上的板形殘差大小來(lái)計(jì)算和控制相應(yīng)分區(qū)上的冷卻液噴射時(shí)間長(zhǎng)短，即根據(jù)各冷卻分區(qū)上的板形殘差大小來(lái)控制式（2）傳熱時(shí)間t的長(zhǎng)短，從而實(shí)現(xiàn)從各冷卻分區(qū)吸取不同的總熱量，達(dá)到改變工作輥各冷卻分區(qū)上的熱凸度，消除各冷卻分區(qū)上的板形殘差的目的。即，先根據(jù)各冷卻分區(qū)上的板形殘差大小按PI調(diào)節(jié)原理計(jì)算出相應(yīng)分區(qū)上的歸1化冷卻液流量，再使用單個(gè)開(kāi)關(guān)閥來(lái)執(zhí)行此歸1化流量值。如圖1所示，開(kāi)關(guān)閥的控制方法如下：

在CPU內(nèi)，設(shè)置一個(gè)固定的閥控周期數(shù)TB，例如TB=100；設(shè)置一個(gè)允許閥開(kāi)的最小周期數(shù)TM，例如TM=2；設(shè)置冷卻分區(qū)的最大個(gè)數(shù)cn，例如cn=40。

對(duì)于工作輥的任一冷卻分區(qū)j，在CPU內(nèi)設(shè)置一個(gè)循環(huán)計(jì)數(shù)器CNT[j]及一個(gè)開(kāi)度計(jì)數(shù)器OPN[j]。

對(duì)于工作輥的任一冷卻分區(qū)j，在CPU內(nèi)設(shè)置一個(gè)信息位V[j]，V[j]=1表示使工作輥冷卻分區(qū)j的冷卻液開(kāi)關(guān)閥打開(kāi)，V[j]=0表示使工作輥冷卻分區(qū)j的冷卻液開(kāi)關(guān)閥關(guān)閉。

在CPU的定時(shí)中斷任務(wù)的每個(gè)執(zhí)行周期TA內(nèi)，例如在執(zhí)行周期為TA=50ms的西門子TDC CPU551的T3任務(wù)的每個(gè)執(zhí)行周期內(nèi)（此時(shí)，每個(gè)閥控周期的持續(xù)時(shí)間為TA×TB，例如如果TA=50ms，TB=100，則代表每個(gè)閥控周期的持續(xù)時(shí)間為TA×TB =50ms×100=5000ms），對(duì)于工作輥冷卻分區(qū)1～cn的每個(gè)冷卻分區(qū)，以任一冷卻分區(qū)j為例，依次執(zhí)行下列操作一次：使CNT[j]=CNT[j]+1；如果CNT[j]≥TB，則使CNT[j]=0；使OPN[j]=round （TB×），即，使OPN[j]等于TB×的整數(shù)部分（OPN[j]表示的意義是，使冷卻分區(qū)j的開(kāi)關(guān)閥在每個(gè)閥控周期持續(xù)時(shí)間TA×TB內(nèi)，維持閥開(kāi)的時(shí)間為TA×TB×，例如如果TA×TB=50ms×100=5000ms，TA×TB×=50ms×100×0.6=3000ms，則代表冷卻分區(qū)j的開(kāi)關(guān)閥在每個(gè)持續(xù)時(shí)間為5000ms的閥控周期內(nèi)，維持閥開(kāi)的時(shí)間為3000ms）；如果CNT[j]TM，則使V[j]=1以表示使工作輥冷卻分區(qū)j的冷卻液開(kāi)關(guān)閥打開(kāi)，否則使V[j]=0以表示使工作輥冷卻分區(qū)j的冷卻液開(kāi)關(guān)閥關(guān)閉。

此時(shí)的PI調(diào)節(jié)流程為：根據(jù)各冷卻分區(qū)上的板形殘差大小按PI調(diào)節(jié)原理計(jì)算出相應(yīng)分區(qū)上的歸1化冷卻液流量->對(duì)每個(gè)冷卻分區(qū)使用一個(gè)開(kāi)關(guān)閥及本文提出的控制方法，使各冷卻分區(qū)在每個(gè)閥控周期時(shí)間TB×TA內(nèi)，閥開(kāi)的時(shí)間等于TB×TA×，即按式2各冷卻分區(qū)在每個(gè)閥控周期時(shí)間TB×TA內(nèi)，以不同的傳熱時(shí)間t=TB×TA×對(duì)相應(yīng)分區(qū)上的工作輥輥身進(jìn)行冷卻，以吸取不同的熱量->各冷卻分區(qū)上的工作輥輥身由于熱量損失差異，導(dǎo)致溫度差異，進(jìn)而產(chǎn)生與板形殘差相反的熱凸度，從而消除各冷卻分區(qū)上的板形殘差。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，與傳統(tǒng)的控制方法相比，本文提出的板形殘差消除方法有以下優(yōu)勢(shì)：可以節(jié)約設(shè)備成本。在同等規(guī)格條件下，比例閥的單價(jià)遠(yuǎn)高于開(kāi)關(guān)閥，每個(gè)冷卻分區(qū)只使用一個(gè)開(kāi)關(guān)閥來(lái)對(duì)板形殘差進(jìn)行控制可以節(jié)約設(shè)備成本；可以節(jié)約電氣控制系統(tǒng)成本。對(duì)于電氣控制系統(tǒng)而言，一個(gè)開(kāi)關(guān)閥只需要邏輯量輸出模塊的一個(gè)開(kāi)關(guān)點(diǎn)來(lái)控制，而一個(gè)比例閥需要模擬量輸出模塊的一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換通道來(lái)控制，在同等功率輸出條件下，后者的價(jià)格遠(yuǎn)高于前者；可以有效地確保對(duì)板形殘差的控制效果，在降低了設(shè)備成本及電氣控制系統(tǒng)成本的條件下，其PI閉環(huán)控制特性可以有效地確保對(duì)板形殘差的控制效果；可以延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)拈y控周期數(shù)TB及閥控中斷任務(wù)執(zhí)行周期時(shí)間TA，可以避免開(kāi)關(guān)閥頻繁開(kāi)閉，延長(zhǎng)其使用壽命；對(duì)于軋輥與冷卻液的傳熱過(guò)程，可以把TA×TB設(shè)置為5000～7000ms，同時(shí)把TA設(shè)置為50～100ms。此外，本文提出的板形殘差消除方法可以方便地推廣到具有類似特點(diǎn)的所有控制對(duì)象，我們已對(duì)該方法申報(bào)了發(fā)明專利，此項(xiàng)專利正在審查中。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃貞益，等.板形控制技術(shù)探討[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，19（4）：273-277.

[2] 陳先霖.新一代高技術(shù)寬帶鋼軋機(jī)的板形控制[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，（2）：1-5.

[3] Narihito Mizushima.High-accuracy Gauge Control Technologies over the Full Length and Full Width of Cold Rolled Strip[J].川崎制鐵技報(bào)，1999，（31）：40-45.

[4] 楊凱旋.UC軋機(jī)的優(yōu)質(zhì)板形控制技術(shù)特性[J].南方鋼鐵，1996，（5）：1316.

[5] 喬俊飛.板形控制技術(shù)現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展冶金自動(dòng)化[J].1997，（1）：11-14.

[6] 何亮.冷軋薄板板形與表面粗糙度控制研究[D].重慶大學(xué)，2006.

作者簡(jiǎn)介：黃杏往（1983-），男（壯族），廣西欽州人，中冶南方（武漢）自動(dòng)化有限公司工程師，碩士，研究方向：冶金及軋制自動(dòng)化控制系統(tǒng)領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)。

（責(zé)任編輯：王書(shū)柏）