一种冷轧板形残差消除方法

黄杏往 王胜勇 卢家斌 叶刚桥

摘要：文章涉及一种冷轧板形残差消除方法，是一种先为轧辊包括工作辊的每一个冷却分区设置一个冷却液开关阀，再根据轧辊与冷却液间的传热原理及PI闭环控制原理对该开关阀进行有效的控制，以消除相应冷却分区上的冷轧板形残差的方法。

关键词：冷轧板；板形残差；PI调节；传热；控制

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）31-0020-03

1 概述

板形精度是带钢的一项主要质量指标和决定其市场竞争力的重要因素。随着汽车、轻工、家电和电气制造等工业用户对板形质量要求的不断提高，板形控制技术已成为轧钢领域最核心最复杂的技术之一，是继板厚控制之后世界各国开发研究的又一热点问题。文献[2]至文献[5]分别对各种板形技术进行了研究和分析，记录了板形控制技术的进展轨迹。

2 冷轧板形残差消除方法

由于各机械类板形调节机构本身机械特性的限制，冷轧板在经过支撑辊倾斜机构、中间辊弯辊机构、工作辊弯辊机构、中间辊横移机构等机械类板形调节机构的调节后，仍会存在板形残差。

在轧制时，轧辊，尤其是工作辊，由于轧制时产生的热量，其辊身会产生一定的热凸度，在控制上，通常通过对轧辊，例如工作辊，进行有区别的分区冷却，以改变其辊身各分段上的热凸度，从而达到纠正板形残差的目的。

通过冷却液使工作辊辊身各分段上热凸度产生改变的过程是一个由工作辊向冷却液传递热量的

过程。

式（1）是传热基本方程式：

××（1）

根据式（1），有：

××（2）

式（1）和式（2）中，为传热速率，单位为W或J/s；为传热系数，单位为·；为传热面积，单位为；为传热温差，单位为K或；为传热量，单位为J；t为传热时间，单位为s。

从式（2）可知，通过改变传热系数、传热面积、传热温差、传热时间t都可改变传热量。对于工作辊与冷却液间的传热过程，即是通过改变工作辊与冷却液间的传热系数、工作辊各分段辊身传热面积、工作辊与冷却液间的传热温差、工作辊与冷却液间的传热时间t都可改变工作辊与冷却液间的传热量。

对于传统的板形残差消除方法，其实施PI控制的实质是根据各冷却分区上的板形残差大小来计算和控制相应分区上的归1化冷却液流量，即根据各冷却分区上的板形残差大小来控制式（2）传热系数的大小，从而实现从各冷却分区吸取不同的总热量，达到改变工作辊各冷却分区上的热凸度，消除各冷却分区上的板形残差的目的。此时有两种调节方案可以选用：可以在一个冷却分区上设置一个比例调节阀，并把冷却分区j上的比例调节阀的开度调节至；可以在一个冷却分区上设置n个开关阀，并把被打开的开关阀的数量设置为n*。

对于本文提出的板形残差消除方法，其实施PI控制的实质是根据各冷却分区上的板形残差大小来计算和控制相应分区上的冷却液喷射时间长短，即根据各冷却分区上的板形残差大小来控制式（2）传热时间t的长短，从而实现从各冷却分区吸取不同的总热量，达到改变工作辊各冷却分区上的热凸度，消除各冷却分区上的板形残差的目的。即，先根据各冷却分区上的板形残差大小按PI调节原理计算出相应分区上的归1化冷却液流量，再使用单个开关阀来执行此归1化流量值。如图1所示，开关阀的控制方法如下：

在CPU内，设置一个固定的阀控周期数TB，例如TB=100；设置一个允许阀开的最小周期数TM，例如TM=2；设置冷却分区的最大个数cn，例如cn=40。

对于工作辊的任一冷却分区j，在CPU内设置一个循环计数器CNT[j]及一个开度计数器OPN[j]。

对于工作辊的任一冷却分区j，在CPU内设置一个信息位V[j]，V[j]=1表示使工作辊冷却分区j的冷却液开关阀打开，V[j]=0表示使工作辊冷却分区j的冷却液开关阀关闭。

在CPU的定时中断任务的每个执行周期TA内，例如在执行周期为TA=50ms的西门子TDC CPU551的T3任务的每个执行周期内（此时，每个阀控周期的持续时间为TA×TB，例如如果TA=50ms，TB=100，则代表每个阀控周期的持续时间为TA×TB =50ms×100=5000ms），对于工作辊冷却分区1～cn的每个冷却分区，以任一冷却分区j为例，依次执行下列操作一次：使CNT[j]=CNT[j]+1；如果CNT[j]≥TB，则使CNT[j]=0；使OPN[j]=round （TB×），即，使OPN[j]等于TB×的整数部分（OPN[j]表示的意义是，使冷却分区j的开关阀在每个阀控周期持续时间TA×TB内，维持阀开的时间为TA×TB×，例如如果TA×TB=50ms×100=5000ms，TA×TB×=50ms×100×0.6=3000ms，则代表冷却分区j的开关阀在每个持续时间为5000ms的阀控周期内，维持阀开的时间为3000ms）；如果CNT[j]TM，则使V[j]=1以表示使工作辊冷却分区j的冷却液开关阀打开，否则使V[j]=0以表示使工作辊冷却分区j的冷却液开关阀关闭。

此时的PI调节流程为：根据各冷却分区上的板形残差大小按PI调节原理计算出相应分区上的归1化冷却液流量->对每个冷却分区使用一个开关阀及本文提出的控制方法，使各冷却分区在每个阀控周期时间TB×TA内，阀开的时间等于TB×TA×，即按式2各冷却分区在每个阀控周期时间TB×TA内，以不同的传热时间t=TB×TA×对相应分区上的工作辊辊身进行冷却，以吸取不同的热量->各冷却分区上的工作辊辊身由于热量损失差异，导致温度差异，进而产生与板形残差相反的热凸度，从而消除各冷却分区上的板形残差。

3 结语

综上所述，与传统的控制方法相比，本文提出的板形残差消除方法有以下优势：可以节约设备成本。在同等规格条件下，比例阀的单价远高于开关阀，每个冷却分区只使用一个开关阀来对板形残差进行控制可以节约设备成本；可以节约电气控制系统成本。对于电气控制系统而言，一个开关阀只需要逻辑量输出模块的一个开关点来控制，而一个比例阀需要模拟量输出模块的一个D/A转换通道来控制，在同等功率输出条件下，后者的价格远高于前者；可以有效地确保对板形残差的控制效果，在降低了设备成本及电气控制系统成本的条件下，其PI闭环控制特性可以有效地确保对板形残差的控制效果；可以延长设备使用寿命，通过设置适当的阀控周期数TB及阀控中断任务执行周期时间TA，可以避免开关阀频繁开闭，延长其使用寿命；对于轧辊与冷却液的传热过程，可以把TA×TB设置为5000～7000ms，同时把TA设置为50～100ms。此外，本文提出的板形残差消除方法可以方便地推广到具有类似特点的所有控制对象，我们已对该方法申报了发明专利，此项专利正在审查中。

参考文献

[1] 黄贞益，等.板形控制技术探讨[J].安徽工业大学学报，2002，19（4）：273-277.

[2] 陈先霖.新一代高技术宽带钢轧机的板形控制[J].北京科技大学学报，1997，（2）：1-5.

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

[4] 杨凯旋.UC轧机的优质板形控制技术特性[J].南方钢铁，1996，（5）：1316.

[5] 乔俊飞.板形控制技术现状及未来发展冶金自动化[J].1997，（1）：11-14.

[6] 何亮.冷轧薄板板形与表面粗糙度控制研究[D].重庆大学，2006.

作者简介：黄杏往（1983-），男（壮族），广西钦州人，中冶南方（武汉）自动化有限公司工程师，硕士，研究方向：冶金及轧制自动化控制系统领域的开发。

（责任编辑：王书柏）