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【摘 要】详细描述了南南铝1+1热轧生产线的过程控制模型。深入介绍了生产线的主要设备以及应用在铝板带轧机上的过程控制模型。投产结果表明，设备及过程模型均具备了较高的工艺水平，确保了生产的高效率和高质量。
【关键词】铝轧机；工艺设备；过程模型；板型及平直度控制
0.引言
南南铝的“1+1热轧机组” 生产线的工艺模型和电气自动化引进了西马克（SMS）的X-Pact电气自动化系统，完备高效的铝合金工艺模型、先进的系统硬件平台架构和控制技术保证了生产的高质量和高效率。
本文对该“1+1热轧机组”的工艺设备及过程控制模型进行深入全面的分析。
1.工艺设备介绍
生产线的主要设备。
按照轧制过程的物流方向，生产线的关键设备包括（如图1所示）：加热炉，铸锭翻转和横向运送装置，立辊轧机入口导尺，立辊轧机，粗轧机入口导尺，带有蛇形轧制（Snake Rolling）功能的4辊可逆式粗轧机，粗轧机出口导尺，重型剪，堆垛装置，轻型剪，精轧机入口导尺，精轧机入口卷取机，精轧机入口夹送辊（带有紧急事故剪），4辊可逆式精轧机，精轧机出口1#夹送辊（带有紧急事故剪），切边剪和碎边剪，精轧机出口2#夹送辊，精轧机出口卷取机，卷材运输小车。
2.二级自动化系统工艺模型
2.1概述
二级自动化系统要达到的目标是：高产品质量，产出比最大化，超出容许范围的产品最少化，设备运行磨损最小化，生产的标准化及可复制性，人工操作最小化，根据生产线当前的状态条件优化预设定值，生产及产品数据的自动收集，与一级系统和生产计划管理系统进行数据交换，等。
按功能划分，如图2所示，二级自动化系统主要包括以下几个部分：
（1）工艺过程模型（对粗轧和精轧进行设定计算）。
（2）轧线跟踪及数据服务（触发模型设定计算和进行内部数据准备）。
（3）轧制节奏控制（优化生产过程）。
（4）二级人机界面（用于操作、维护及生产监测）。
（5）报表系统及性能评估。
（6）与外部系统进行数据交换。
基于广泛的物理建模和智能自适应算法的工艺过程模型，保证了轧制过程的高度精确和产品质量的最优化。即使尺寸和轧制条件变化很大，物理模型也能够保证轧制过程极大的灵活性，同时保证满足产品的性能指标。工艺过程模型主要包括：轧制道次计算（PSC），板型及平直度计算（PFC），轧辊状态模型（RSM）。
2.2轧制道次计算（PSC）
轧制道次的计算包括5个主要模型（如图3所示）：
（1）策略模型：驱动所有的计算步骤和迭代循环，根据轧制力分布或相对压下量应用迭代计算方法精确计算一级系统所需要的参考值。
（2）物理模型：考虑所有对设备设定值有影响的物理关系，具体包括计算辊道或板材冷却设备的能量平衡、辊缝的能量平衡、辊缝的变形性能。
（3）设备模型：处理所有与设备有关的数据及极限值。
（4）产品模型，初始化产品实际数据（几何尺寸，温度曲线，变形状态），存储产皮in相关的结果数据（厚度，宽度和变形状态），为设定计算实时提供相关产品数据。
（5）材料模型：合金的流变应力，摩擦力，热物理常数等。
2.3板型及平直度控制（PFC）
PFC的组成部分及其功能：
（1）考虑了所有影响辊缝的因素的设定模型：模型的高精确度保证在一个轧制周期内轧制出不同的目标板型。
（2）在线板型控制：确保头部到尾部整个长度范围内的板型恒定。
（3）短期和长期自适应。
精轧机配备了CVC（连续可变凸度）轧辊，PFC的最终执行机构是工作辊弯辊及窜辊。
基于物理及数学方程式的PFC模型结合所有相关过程参数实时计算辊缝形状，PFC的工艺模型包括设定模型，辊系弹跳模型，平直度模型，辊缝模型，板型在线控制模型，轧辊状态模型。
2.3.1设定模型
以轧制道次表计算结果（如轧制力、厚度、宽度和轧制速度）为基础，同时考虑工作辊的热膨胀性能以及辊系在负载下的弹跳性能，计算每道次材料横断面的板型及平整度，也会计算出CVC工作辊窜辊位置和弯辊力的设定值，在不影响材料流量的情况下获取合适的平直度。
如果工作辊窜辊或弯辊系统达到极限值，设定模型会在剩余道次中自动改变板型和平直度控制策略。
2.3.2辊系弹跳模型
针对特定的基础数据（如辊径、单位轧制力、弯辊力），辊缝形状作为带材宽度的函数被计算并作为“辊缝基本特性”被离线存储在设定模型计算机中。
2.3.3材料流量及平直度模型
根据相对板型的变化和材料流量特性计算其所带来的不平直度，中浪和边浪各有一条取决于厚度、硬度和宽度的材料流量曲线。
2.3.4辊缝模型
辊缝形状可由工作辊在带材中部和边部的变形差值来表示，它是多个变量的函数。这些变量包括：辊系的几何形状，轧辊弹跳模量，带材宽度，轧制力，轧辊的凸度和直径，弯辊力，热凸度，辊缝处的负荷分配等。
这些变量对辊缝的影响可通过参数研究来建立，以特征值的形式存在并允许预设定模型进行访问和调用。
2.3.5板型在线控制
凸度仪PGM。
板带在轧制过程中轧制力会存在波动，原因可能是第一道次轧制时板坯头部到尾部温度逐渐下降，离开加热炉时板坯的头部和温度温度较低，或者板坯滑印部分进入辊缝等。
基于工艺知识建立起的凸度仪PGM控制回路，产生作用于工作辊弯辊系统中的补偿值，保证当轧制力变化时辊缝的几何形状不变。 PGM有两种模式：绝对式和相对式。在绝对模式下，每个道次的目标板型在板坯头部已经设定完成并且在当道次整个轧制过程中保持恒定。期望轧制力作为参考值，如果期望轧制力与测量值存在偏差，PGM将补偿轧制力偏差所产生的板型变化。在相对模式下，材料咬入轧机后一定时间测得的轧制力的平均值作为参考值，用于当道次剩余长度的PGM补偿。
PGM补偿原理如图9所示，其中dFB/dFR为系数（单位轧制力偏差对应的弯辊力补偿量），dFB指弯辊力补偿值。
2.3.6轧辊状态模型
轧辊热膨胀。
工作辊在轧制过程中受热负荷影响较大，产生的热膨胀会影响辊缝的形状。当轧制参数持续变化并且热凸度的影响足够大时，有必要使用在线模型精确地确定热凸度的轮廓。
轧辊热凸度主要受以下参数的影响：辊缝处的热负荷（接触弧面，轧制速度），辊身长度方向上的冷却强度和冷却时间，轧制时间和非轧制时间，轧制计划（宽度，宽度变化），轧辊分离力，产品温度等。
由于轧制过程中不可能测量工作辊的表面温度，因此该温度以及由此产生的工作辊凸度由在线模型进行计算。
轧辊磨损。
在线模型计算工作辊中心线处的磨损深度和辊面长度上的磨损轮廓。轧辊磨损计算的原理如图所示。影响轧辊磨损计算的因素包括（把辊身长度等分为n份）：
·轧辊接触负载分布q（i）。
·接触面积处的相对速度分布vrel（i）。
·轧辊表面的粗糙度Ra。
·已轧制材料的长度。
·设备的状态（辊缝润滑，轧辊冷却等）。
3.结论
南南铝的“1+1热轧机组”采用了先进的控制模型。从实际的使用效果看，通过采用先进的控制模型很好的保证了产品的厚度公差及获得了良好的板型，生产线设备具有较高的工艺水平，过程控制模型具有高精度高效率的特点。它们是生产线进行生高效率和高质量生产的保证。
【参考文献】
[1]张新明.铝热连轧原理与技术[M].中南大学出版社，2010.12.
[2]王祝堂.铝合金中厚板的生产、市场与应用[J].轻合金加工技术，2005.
[3]肖亚庆，等.铝加工技术实用手册[M].冶金工业出版社，2005.
【关键词】铝轧机；工艺设备；过程模型；板型及平直度控制
0.引言
南南铝的“1+1热轧机组” 生产线的工艺模型和电气自动化引进了西马克（SMS）的X-Pact电气自动化系统，完备高效的铝合金工艺模型、先进的系统硬件平台架构和控制技术保证了生产的高质量和高效率。
本文对该“1+1热轧机组”的工艺设备及过程控制模型进行深入全面的分析。
1.工艺设备介绍
生产线的主要设备。
按照轧制过程的物流方向，生产线的关键设备包括（如图1所示）：加热炉，铸锭翻转和横向运送装置，立辊轧机入口导尺，立辊轧机，粗轧机入口导尺，带有蛇形轧制（Snake Rolling）功能的4辊可逆式粗轧机，粗轧机出口导尺，重型剪，堆垛装置，轻型剪，精轧机入口导尺，精轧机入口卷取机，精轧机入口夹送辊（带有紧急事故剪），4辊可逆式精轧机，精轧机出口1#夹送辊（带有紧急事故剪），切边剪和碎边剪，精轧机出口2#夹送辊，精轧机出口卷取机，卷材运输小车。
2.二级自动化系统工艺模型
2.1概述
二级自动化系统要达到的目标是：高产品质量，产出比最大化，超出容许范围的产品最少化，设备运行磨损最小化，生产的标准化及可复制性，人工操作最小化，根据生产线当前的状态条件优化预设定值，生产及产品数据的自动收集，与一级系统和生产计划管理系统进行数据交换，等。
按功能划分，如图2所示，二级自动化系统主要包括以下几个部分：
（1）工艺过程模型（对粗轧和精轧进行设定计算）。
（2）轧线跟踪及数据服务（触发模型设定计算和进行内部数据准备）。
（3）轧制节奏控制（优化生产过程）。
（4）二级人机界面（用于操作、维护及生产监测）。
（5）报表系统及性能评估。
（6）与外部系统进行数据交换。
基于广泛的物理建模和智能自适应算法的工艺过程模型，保证了轧制过程的高度精确和产品质量的最优化。即使尺寸和轧制条件变化很大，物理模型也能够保证轧制过程极大的灵活性，同时保证满足产品的性能指标。工艺过程模型主要包括：轧制道次计算（PSC），板型及平直度计算（PFC），轧辊状态模型（RSM）。
2.2轧制道次计算（PSC）
轧制道次的计算包括5个主要模型（如图3所示）：
（1）策略模型：驱动所有的计算步骤和迭代循环，根据轧制力分布或相对压下量应用迭代计算方法精确计算一级系统所需要的参考值。
（2）物理模型：考虑所有对设备设定值有影响的物理关系，具体包括计算辊道或板材冷却设备的能量平衡、辊缝的能量平衡、辊缝的变形性能。
（3）设备模型：处理所有与设备有关的数据及极限值。
（4）产品模型，初始化产品实际数据（几何尺寸，温度曲线，变形状态），存储产皮in相关的结果数据（厚度，宽度和变形状态），为设定计算实时提供相关产品数据。
（5）材料模型：合金的流变应力，摩擦力，热物理常数等。
2.3板型及平直度控制（PFC）
PFC的组成部分及其功能：
（1）考虑了所有影响辊缝的因素的设定模型：模型的高精确度保证在一个轧制周期内轧制出不同的目标板型。
（2）在线板型控制：确保头部到尾部整个长度范围内的板型恒定。
（3）短期和长期自适应。
精轧机配备了CVC（连续可变凸度）轧辊，PFC的最终执行机构是工作辊弯辊及窜辊。
基于物理及数学方程式的PFC模型结合所有相关过程参数实时计算辊缝形状，PFC的工艺模型包括设定模型，辊系弹跳模型，平直度模型，辊缝模型，板型在线控制模型，轧辊状态模型。
2.3.1设定模型
以轧制道次表计算结果（如轧制力、厚度、宽度和轧制速度）为基础，同时考虑工作辊的热膨胀性能以及辊系在负载下的弹跳性能，计算每道次材料横断面的板型及平整度，也会计算出CVC工作辊窜辊位置和弯辊力的设定值，在不影响材料流量的情况下获取合适的平直度。
如果工作辊窜辊或弯辊系统达到极限值，设定模型会在剩余道次中自动改变板型和平直度控制策略。
2.3.2辊系弹跳模型
针对特定的基础数据（如辊径、单位轧制力、弯辊力），辊缝形状作为带材宽度的函数被计算并作为“辊缝基本特性”被离线存储在设定模型计算机中。
2.3.3材料流量及平直度模型
根据相对板型的变化和材料流量特性计算其所带来的不平直度，中浪和边浪各有一条取决于厚度、硬度和宽度的材料流量曲线。
2.3.4辊缝模型
辊缝形状可由工作辊在带材中部和边部的变形差值来表示，它是多个变量的函数。这些变量包括：辊系的几何形状，轧辊弹跳模量，带材宽度，轧制力，轧辊的凸度和直径，弯辊力，热凸度，辊缝处的负荷分配等。
这些变量对辊缝的影响可通过参数研究来建立，以特征值的形式存在并允许预设定模型进行访问和调用。
2.3.5板型在线控制
凸度仪PGM。
板带在轧制过程中轧制力会存在波动，原因可能是第一道次轧制时板坯头部到尾部温度逐渐下降，离开加热炉时板坯的头部和温度温度较低，或者板坯滑印部分进入辊缝等。
基于工艺知识建立起的凸度仪PGM控制回路，产生作用于工作辊弯辊系统中的补偿值，保证当轧制力变化时辊缝的几何形状不变。 PGM有两种模式：绝对式和相对式。在绝对模式下，每个道次的目标板型在板坯头部已经设定完成并且在当道次整个轧制过程中保持恒定。期望轧制力作为参考值，如果期望轧制力与测量值存在偏差，PGM将补偿轧制力偏差所产生的板型变化。在相对模式下，材料咬入轧机后一定时间测得的轧制力的平均值作为参考值，用于当道次剩余长度的PGM补偿。
PGM补偿原理如图9所示，其中dFB/dFR为系数（单位轧制力偏差对应的弯辊力补偿量），dFB指弯辊力补偿值。
2.3.6轧辊状态模型
轧辊热膨胀。
工作辊在轧制过程中受热负荷影响较大，产生的热膨胀会影响辊缝的形状。当轧制参数持续变化并且热凸度的影响足够大时，有必要使用在线模型精确地确定热凸度的轮廓。
轧辊热凸度主要受以下参数的影响：辊缝处的热负荷（接触弧面，轧制速度），辊身长度方向上的冷却强度和冷却时间，轧制时间和非轧制时间，轧制计划（宽度，宽度变化），轧辊分离力，产品温度等。
由于轧制过程中不可能测量工作辊的表面温度，因此该温度以及由此产生的工作辊凸度由在线模型进行计算。
轧辊磨损。
在线模型计算工作辊中心线处的磨损深度和辊面长度上的磨损轮廓。轧辊磨损计算的原理如图所示。影响轧辊磨损计算的因素包括（把辊身长度等分为n份）：
·轧辊接触负载分布q（i）。
·接触面积处的相对速度分布vrel（i）。
·轧辊表面的粗糙度Ra。
·已轧制材料的长度。
·设备的状态（辊缝润滑，轧辊冷却等）。
3.结论
南南铝的“1+1热轧机组”采用了先进的控制模型。从实际的使用效果看，通过采用先进的控制模型很好的保证了产品的厚度公差及获得了良好的板型，生产线设备具有较高的工艺水平，过程控制模型具有高精度高效率的特点。它们是生产线进行生高效率和高质量生产的保证。
【参考文献】
[1]张新明.铝热连轧原理与技术[M].中南大学出版社，2010.12.
[2]王祝堂.铝合金中厚板的生产、市场与应用[J].轻合金加工技术，2005.
[3]肖亚庆，等.铝加工技术实用手册[M].冶金工业出版社，2005.