2016, Vol. 37
通常可以采用温轧工艺进行加工的难变形金属有高硅电工钢(约含6.5%Si的Fe-Si合金)、镁及其合金、钨、钼及其合金，以及铝质量分数达到12%以上的高铝青铜等[1].其中高硅电工钢是黑色金属中具有极高应用价值的典型难变形金属，其室温塑性几乎为零，常温下难以加工[2-3].目前只有日本JFE公司的化学气相沉积渗硅法(CVD)实现了高硅电工钢薄带的工业化生产，但该技术存在工艺流程长、环境负担重、生产效率低、成本高等问题[1].谢建新等[3]发明了一种采用普通钢材对高硅电工钢进行包套后温轧，剥离包套后对其酸洗并冷轧的方法，制备出了表面光亮、组织均匀的高硅电工钢薄带.Bolfarini等[4]采用喷射成形及合金中添加铝的方法，制备出了高硅电工钢薄板，但该工艺难以实现大规模的工业化生产.刘海涛等[5-6]采用了铸轧、热轧、温轧加中间退火的方法制备出高硅钢电工钢薄板，是一种相对高效的高硅电工钢制备技术.另一种具有广泛应用价值的常温下难变形金属是镁及其合金[7].由于镁合金是密排六方晶体结构，塑性变形能力差，因此通常需在较高温度下成形，温轧是最适合的镁合金薄板生产工艺.
温轧是针对常温下难变形的金属材料，在冷轧设备基础上，采用特殊手段对试样进行加热，加热温度在金属的常温组织回复温度与再结晶温度之间.由于温轧时材料的塑性变形能力得到一定提高，与冷轧相比，材料容易变形，而且没有热轧的缺点，例如易生成表面氧化层导致表面粗糙，以及尺寸精度较差等.研究表明，适合高硅电工钢的温轧温度范围为623~823 K[8]，适合镁及其合金的温轧温度范围为473~673 K[9].
传统的温轧实验，对试样采用离线加热的方法，在轧机旁放置加热炉，将金属片加热至所需温度后，人工夹持试样送入轧辊进行轧制.这种方法效率低，降温太快而不能获得精确温度参数，不能对试样施加张力而造成板型及尺寸精度较差.为了模拟工业生产的温轧工艺过程，在液压张力冷轧实验轧机基础上增加试样在线加热功能，改造后的试验轧机称为液压张力温轧实验轧机，这种温轧实验轧机在国内外尚属首台套设备.其核心功能主要包括：试样在线温度控制、厚度自动控制、微张力控制等.本文重点研究试样在线温度控制.
1 符号及定义l为试样长度，m；Tspl为试样温度，K；w为试样宽度，m；Tsrd为环境温度，K；δ为试样厚度，m；Tclp为钳口(轧辊)温度，K；ρg为试样材质密度，kg/m3；σ为玻尔兹曼常数，W/(m2·K4)；ρe为试样材质电阻率，Ω·m；t为时间，s；c为平均比热容，J/(kg·K)；I为电流，A；λ为导热系数，W/(m·K)；ε为试样的辐射系数；α为对流换热系数，W/(m2·K).
2 试样在线加热装置及原理液压张力温轧实验轧机的主要设备布置如图 1所示，与液压张力冷轧实验轧机相比，增加了一组在线加热及测温装置：可控硅、(直流)变压器和(接触式)测温仪.液压夹钳和张力液压缸之间设有绝缘隔离，在下支撑辊传动侧轴端安装导电电刷.
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图 1 实验轧机设备布置图 Fig.1 Schematic of equipment for experimental mill |
液压张力温轧机的终轧厚度较薄，温度下降很快，要求在轧制过程中时刻保持加热才能保证温轧的顺利实施，如果单纯采用夹钳间通电加热无法满足这一要求.试样在轧制过程中被分为两部分：轧机入口侧(H)和轧机出口侧(h)，经过轧制变形，h的厚度要小于H，因此h的电阻要大于H.如果在左、右夹钳之间通电加热，则将H和h两部分同时通电且电流相等，金属带材厚度越小电阻越大，所以最终得到加热的是h部分，而H部分才是需要加热的部分.
因此，针对液压张力温轧机对轧制过程中保持加热的要求，加热系统设计为双变压器工作方式，共形成了左、右两个回路.以左侧为例，左变压器正端接左液压夹钳，负端接下支撑辊轴端的电刷，电流依次通过左液压夹钳、试样左侧部分、下工作辊、下支撑辊.这种双变压器工作方式，使得试样左右两部分可以单独加热，在轧制过程中也可以进行在线加热.
影响温度控制精度的关键环节是测温仪.由于温轧机试样包括很多种金属材料，而且不同材料在不同的温度阶段，其表面黑度系数随着氧化程度不同而发生剧烈变化，无法采用红外测温仪.在对硅钢进行加热温轧的实验过程中，用红外测温仪和在轧件表面焊接热电偶两种方法同时测量轧件的表面温度，热电偶测量温度为轧件表面的真实温度，其测量结果如图 2所示，热电偶温度达到660 ℃时，红外测温仪的测量值为370 ℃.用同样的方法对镁合金进行试验，热电偶温度达到300 ℃时，红外测温仪测量值仅为65 ℃，失真更加严重.
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图 2 红外测温仪和热电偶测量结果比较 Fig.2 Comparison of results from infrared thermometer and thermocouple |
为此开发了接触式测温仪，其结构如图 3所示.该装置由气动元件和接触滑片式热电偶测温原件组成.热电偶滑片安装在气动测量头前端，通过控制电磁换向阀，改变活塞杆的运动方向，可以实现测温仪的往复升降.温轧轧制过程中需要测量温度时，测温仪下降至试样表面使其热电偶滑片与其滑动接触，可以用滑动接触的方法连续测量带钢表面温度；不需要测量温度时，测温仪通过气动缸离开轧件表面.温轧过程中，为防止液压夹钳与接触式测温仪碰撞，气动缸需要根据张力液压缸位移自动升降.采用接触式测温仪能够针对不同金属带材更加真实准确地测量轧件温度，达到精确控制轧件加热温度的目的.
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图 3 接触式测温仪 Fig.3 Contact-type thermometer |
单片试样在线加热原理如图 4所示.首先将左、右液压夹钳分别夹持在单片试样两端，轧辊压紧试样后，采用可控硅和变压器对试样施加低电压大电流，对其进行通电加热；设置在轧机两端的测温仪对试样进行测温，PLC根据温度设定值和测量值偏差，动态调整可控硅，从而调整输出电压，实现试样的在线温度闭环控制.
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图 4 试样温度闭环控制框图 Fig.4 Sample temperature closed-loop control diagram |
试样加热有两种情况：静止加热和轧制过程中加热，同时每个加热情况均包括升温段和保温段，仅靠PID闭环控制调节，无法保证温度控制精度.因此所设计的试样温度控制器包括前馈控制器和反馈控制器两部分.其中前馈控制器根据电阻加热数学模型计算预设定值，反馈控制器采用PID控制器.
3 温度控制器设计PLC通过设定可控硅控制量，改变电压输出，从而改变试样的加热功率.前馈和反馈控制器的输出相加后，作为可控硅的控制量.
3.1 前馈控制器前馈控制器根据试样的材料属性及尺寸、设定升温速率、设定温度、环境温度等参数综合计算试样电阻加热时输入的电功率(Pelec).花福安等[10]认为薄板电阻加热的瞬态热平衡方程为
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(1) |
其中：Pht为试样的内能，使试样的温度升高；Prad和Pconv分别为辐射和对流而产生的热量损失；Pcond为试样和左右钳口及轧辊间的热传导而产生的热量损失.具体计算公式为
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(2) |
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(3) |
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(4) |
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(5) |
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(6) |
由于薄板加热时，对流和热传导产生的热损失相对较小，可以忽略不计[10]，因此只考虑内能和热辐射即可.
以高硅电工钢为例，假设升温速率为15 K/s，计算升温段电加热功率如表 1所示.ρg=7 800 kg/m3，ε=0.78，玻尔兹曼常数σ=5.67×10-8W/(m2·K4)，试样有效变形区尺寸：l×w×δ为0.6 m×0.22 m×0.002 m，比热容c与试样温度有关.
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表 1 硅钢加热电功率 Table 1 Heating electric power of silicon steel |
以同样的升温速率和试样尺寸，计算镁合金薄板升温段电加热功率如表 2所示.ρg=1 820 kg/m3，ε=0.4.
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表 2 镁合金加热电功率 Table 2 Heating electric power of Mg alloy |
考虑到变压器的效率和功率因数，变压器的设定功率为
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(7) |
其中：η为变压器效率；cosφ为变压器功率因数.这里，效率和功率因数分别取0.7和0.75(实际应用中，效率和功率因数还与电缆选型有关，可以根据实测数据进行调整)，例如高硅电工钢加热到873 K时，Pelec=24 233 W，则Pcontrol≈46 158 W.
上述模型中，式(3)中升温速度取零时，计算结果便是保温段功率设定值.前馈控制器计算出的可控硅的控制量Uff(取值0~80)为
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(8) |
其中，Pmax为变压器额定功率.Uff最大值取80，是指最大控制量的80%，剩余20%是反馈控制器的控制量Ufb(取值-20~20).
前馈控制器的输出值和反馈控制器的输出值相加作为可控硅的总控制量：
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(9) |
反馈控制器输入信号为试样设定温度和实测温度偏差，采用一个PID控制器对试样温度进行闭环控制，输出信号为可控硅的反馈控制量Ufb.
温度控制系统可以用带有时间延迟的一阶模型来描述：
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(10) |
其中：K为增益；T为时间常数；L为滞后时间；s为复变量.在开环状态下，给定阶跃为50%的控制量，获得试样温度的开环阶跃响应曲线，便可以离线计算模型参数，并在此基础上计算PID参数的预设定值.由于模型参数与轧件材质、尺寸、环境温度等因素相关，忽略影响较小的环境温度，还需要获得每种材质不同尺寸轧件的温度阶跃响应曲线，并离线计算PID参数.控制系统根据不同材质和轧件尺寸进行变参数PID温度控制.
以尺寸为0.6 m×0.1 m×0.001 m的高硅电工钢为例，模型参数：K=0.024 5，T=14.96，L=1.73 s.PID参数：Kp=9.543，TI=22.91，TD=0.33.
轧制过程中，轧机入口侧被加热试样的H部分的宽度和厚度未发生变化，而长度逐渐变小，根据式(1)，前馈控制器的输出量也逐渐变小.由于接触式测温仪可以在试样运动过程中测得温度值，反馈控制器也可以继续投入.如果接触式测温仪抬起，则PID控制器输出值锁定.
4 应用效果以镁合金为例，试样有效变形区尺寸为0.6 m×0.22 m×0.002 m，加热速率为15 K/s，目标温度为673 K，静态加热过程中的实测温度及温度控制器控制量U的曲线如图 5所示.
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图 5 镁合金静态加热过程中温度与控制量曲线 Fig.5 Temperature and controller output curves of heated Mg alloy in stationary state |
根据式(1)可以得出前馈控制器输出值Uff为26.5.由于反馈控制器从室温加热便开始投入，Ufb的最高点为5.4%，此时U为31.9%，总体加热速率达到20 K/s，加热温度超调量为5.8 K，稳态控制精度为±2 K.U的稳态输出值约为27.8%，比前馈控制器输出值略大，这是用于弥补前馈控制器中忽略掉的对流和热传导产生的热损.
图 6为轧制过程中的加热温度和控制量曲线，当长度小于0.34 m时，接触式测温仪抬起，图中只给出了试样H部分的长度从0.6 m至0.34 m之间的曲线.随着试样被加热部分变短，温度控制器的输出逐渐减小，反馈控制器在接触式测温仪抬起后锁定输出值.经统计，沿试样长度方向的温度均匀性可达±10 K.
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图 6 镁合金轧制过程加热温度与控制量曲线 Fig.6 Temperature and controller output curves of heated Mg alloy in rolling process |
液压张力温轧机是轧制技术及连轧自动化国家重点实验室自主开发的新型实验设备，在国内外尚属首台套.采用了特殊设计的双变压器加热装置以及接触式测温仪，开发了前馈控制器和反馈控制器相结合的温度控制技术，可以保证试样的静态加热速度和精度，并且能够在轧制过程中进行补温，保证了试样的温度均匀性.该技术已获得了成功应用，取得了良好的控制效果.为难变形金属薄板温轧工艺研究提供了可靠的保障.
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