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摘 要:莱钢1500mm热轧带钢生产线围绕改善板形指标、提高板形质量,对粗轧、精轧工作辊辊型配置进行了优化,针对不同的品种规格形成了三套比较完善的原始辊型组合;制订了平坦度、板凸度内控标准;开发了精轧侧导板短行程控制功能;建立高精度的板形计算模型、板形自学习系统;通过弯辊前馈、弯辊反馈、板形反馈功能的全面投入,提高了板形指标的控制精度,实现板形在线闭环控制。
关键词:平坦度;凸度;辊型;板形计算模型;自学习;闭环控制
1、前言
1500mm热轧带钢生产线投产前期,由于轧辊、磨床、板形仪等重要设备前期配置不完善,与冷轧料及薄规格产品比例相对较大的产品结构出现了严重的不匹配,产品质量与用户的要求存在较大差距。为此,板带厂在加快引进高精度进口磨床(POMINI)、进口轧辊的同时,在精轧F6出口安装了先进的板形检测设备——德国IMS公司生产的凸度仪、比利时IRM公司生产的平坦度仪。
为进一步提高热轧板带的板形质量,打造精品热轧板材生产基地,板带厂与北科大联合开发了精轧HVC辊型、板形设定计算系统及板形自学习系统,实现板形在线闭环控制。
2、板形闭环控制的策略
在预先窜辊设定、弯辊力设定及弯辊力前馈控制的基础上,将精轧出口凸度仪、平直度仪反馈值与目标值进行比较,通过调整各机架窜辊量、弯辊值,保证板形目标值的实现。
2.1凸度与平坦度的耦合关系
凸度控制是单机架的调控行为,各自在单独的机架上实现,而平坦度控制是多机架的调控行为,必须在多个相邻机架保持凸度控制的协调一致。凸度本身既是板形控制的直接目标,而相邻机架的比例凸度相等又是实现平坦目标的条件——耦合关系。
在控制中,追求满足凸度值与追求满足比例凸度值(或平坦度)有可能顾此失彼。早期的板形控制系统将二者分开控制,当不能使二者均满足要求时,则保证一者合格而舍弃另一者,即所谓的优先策略。事实上,如果热轧带钢较厚,金属有横向流动,改变凸度不一定会导致平坦度问题,这就为同时解决凸度和平坦度问题提供了可能。在上游机架以凸度控制为主,达到比例凸度目标值,在下游机架以平坦度控制为主,保持相邻机架比例凸度互等,并均等于比例凸度目标值。
2.2板形自动控制系统
板形自动控制系统分为在过程控制级(L2)的窜辊设定(SFTSU)和弯辊力设定(BFSU),统称为板形设定(SSU)控制,在基础自动化级(L1)的弯辊力前馈(BFFF)控制和弯辊力反馈(BFFBK)控制功能。由于精轧机组出口安装有凸度仪和平坦度仪,在板形设定控制系统中还包括凸度自学习和平坦度自学习、操作工干预量自学习。
3、板形闭环控制系统的开发
3.1建立板形指标内控标准
由于国家标准只对热连轧钢板开平后的不平度做出规定,未对在线带钢平坦度、凸度做出明确要求。通过对下游工序及使用客户的走访,结合同行业的经验,根据钢种、规格不同,制定了凸度、平直度目标值,通过板形特性值的控制满足客户的板形需求。
以优质碳素结构钢为例:
从精轧F6出口至1#卷取机的距离为90m,由于带钢特别是薄规格产品头部板形稳定性较差,一旦F6轧机与卷取机之间建张,带钢板形缺陷隐藏,平坦度仪检测曲线趋于直线,建张后的平直度值不再放映真实的板形。所以,取卷取机未建张前的60m作为判定板形的有效距离。
3.2优化粗轧工作辊、精轧工作辊辊型
3.2.1粗轧工作辊辊形配置
为使精轧获得良好的板凸度,粗轧中间坯须具备合理的凸度。经过多次在线跟踪与取样测量,发现中间坯凸度偏小,有时甚至为负凸度,给精轧凸度调整带来较大困难。为此,对粗轧工作辊辊型配置进行调整,由普通的平辊改为负凸度,凸度值为 A0-100(A0为基准值)
3.2.2精轧工作辊辊形配置
为了增加精轧机组的板形调控性能,在F1～F6上游机架(F2、F3采用HVC2、F4采用HVC4)采用高效变凸度(High-performanceVariable Crown)的工作辊辊形(HVC)技术,以显著增加轧机的板形控制能力,而在下游机架,由于轧辊磨损严重,同时为实现自由规程轧制(逆宽轧制、增加同宽轧制量、延长换辊周期等),仍采用普通辊形(WRS)的工作辊。每架轧机可根据实际工艺要求或设备情况任意配置HVC 和WRS 辊形。这样,通过工作辊初始辊形和支持辊辊形的合理配置,保证轧机具有足够的板形调控能力。
生产中,经过不断地实践与摸索,根据品种规格不同优化辊形配置,形成了冷轧料、花纹板、平板三套原始辊形组合,启用了新HVC224辊形组合,大幅提高辊型对板形的调控能力。
3.3开发精轧侧导板短行程控制功能
精轧侧导板短行程投入时序:对应机架咬钢负荷建立后延时1S,开度在二级设定值的基础上缩小15mm。当机架抛钢后,侧导板开度恢复到二级设定开度。短行程功能投入后,轧制中心线漂移量由50～60mm减少至20mm以内,板凸度、楔形、平直度控制指标明显改善。客户对带钢质量特别是板形质量的满意度有较大提高。
3.4板形设定系统
板形设定包括工作辊窜辊设定和工作辊弯辊设定,其中又包括工作辊和支持辊综合辊形的计算、机架间带钢凸度和平坦度的计算等。每次板形设定需经过以下主要过程:
(1) 读入各设定已知参数,即数据准备,包括对读入数据的初步处理。
(2) 计算工作辊的综合辊形,包括初始辊形、热辊形和磨损辊形。
(3) 计算支持辊的综合辊形,包括初始辊形、热辊形和磨损辊形。
(4) 常规工作辊窜辊位置的设定计算。
(5) 根据来料凸度及平坦度、目标凸度和目标平坦度,考虑板形良好条件计算各机架的入口凸度及平坦度、出口凸度及平坦度,计算采用HVC工作辊机架的窜辊量及F1~F6各机架的弯辊力大小。
(6) 各机架设定的弯辊力优化,以保证精轧出口目标凸度和平坦度,同时,改善机架间带钢的平坦度。
(7) 数据输出及存储。
3.4板形自学习系统
根据PDI的化学成分计算碳当量,由碳当量或钢种名称确定钢种层别,由带钢宽度确定宽度层别,由带钢厚度确定厚度层别,由钢种层别、宽度层别、厚度层别计算总记录号。由总记录号打开自学习文件,读取相应自学习系数,包括:
(1)HVC的凸度/平坦度短期自学习系数、长期自学习系数
(2)WRS的凸度/平坦度短期自学习系数、长期自学习系数
(3)机架空过时凸度/平坦度自学习系数
(4)操作工干预量自学习系数
3.5板形在线闭环控制
3.5.1弯辊力前馈控制
弯辊力前馈控制一般包括对轧辊热凸度及磨损凸度的补偿和轧制力变化的补偿。热凸度是一个缓慢的变化过程,在轧制节奏稳定的情况下,换辊半小时后热凸度趋于稳定,而对于每一块带钢来说,磨损凸度在头部和尾部之间的差别也是不大的。所以,弯辊力前馈模型主要还是补偿轧制力的变化。而轧制力受很多因素的影响,轧件温度的变化会引起轧制力的变化,特别是投入自动厚度控制(AGC)控制时,轧制力变化更加频繁。轧制力波动是板形控制的重要干扰因素。
为了消除这种由于轧制力的波动给带钢板形带来的不良影响,最有效的方法是使弯辊力随轧制力的波动以一定周期做出相应的补偿性调整,以稳定承载辊缝的形状,使带钢顺行、轧制生产稳定。这一功能即由弯辊力前馈控制模型来完成,通常也称小闭环模型,即F1～F6工作辊弯辊力根据各机架轧制力变化而进行相应的前馈调节控制,以保证带钢全长板形的稳定。
3.5.2平坦度反馈控制
平坦度反馈控制在L1周期进行,在HMI上由操作工选择是否投入。根据平坦度仪检测带钢实际平坦度值,与目标平坦度值进行比较,得出平坦度反馈控制偏差,依次通过调整F6、F5机架弯辊力,以消除平坦度偏差,当平坦度实测值大于平坦度目标值时,表示中间浪大,应降低下游机架的弯辊力,反之,则存在边浪,应增加相应机架的弯辊力。
3.5.3凸度反馈控制
凸度反馈控制在L1周期进行,在HMI(下转第63页)(上接第61页)上由操作工选择是否投入。根据凸度仪检测带钢实际凸度值,与目标凸度值进行比较,得出凸度反馈控制偏差,依次通过调整F1～F6 机架弯辊力,以消除凸度偏差。
3.5.4噪音因素的处理
为减小噪音因素的影响,避免弯辊、窜辊不必要的频繁动作,建立板形控制设定死区:凸度死区[-CO,+CO]μm,平坦度死区[-D0,+D0]IU(CO、D0均为常数)。实测板形指标与目标值之差在此微小区域范围内,平坦度反馈、凸度反馈不作调节。
4应用效果
4.1带钢断面轮廓理想,通条凸度、楔形指标控制稳定4.2统计各钢种板形指标,凸度平均达标率98.5%、平直度平均达标率98.8%
4.3带钢轧制中心线稳定,镰刀弯明显减轻,控制在15mm/5000mm以内
参考文献:
[1]刘 玠.热轧生产自动化技术[M].北京:冶金工业出版社,2006.
[2]王仁忠.何安瑞.LVC工作辊辊型的板形控制性能研究.钢铁,2006.05.
关键词:平坦度;凸度;辊型;板形计算模型;自学习;闭环控制
1、前言
1500mm热轧带钢生产线投产前期,由于轧辊、磨床、板形仪等重要设备前期配置不完善,与冷轧料及薄规格产品比例相对较大的产品结构出现了严重的不匹配,产品质量与用户的要求存在较大差距。为此,板带厂在加快引进高精度进口磨床(POMINI)、进口轧辊的同时,在精轧F6出口安装了先进的板形检测设备——德国IMS公司生产的凸度仪、比利时IRM公司生产的平坦度仪。
为进一步提高热轧板带的板形质量,打造精品热轧板材生产基地,板带厂与北科大联合开发了精轧HVC辊型、板形设定计算系统及板形自学习系统,实现板形在线闭环控制。
2、板形闭环控制的策略
在预先窜辊设定、弯辊力设定及弯辊力前馈控制的基础上,将精轧出口凸度仪、平直度仪反馈值与目标值进行比较,通过调整各机架窜辊量、弯辊值,保证板形目标值的实现。
2.1凸度与平坦度的耦合关系
凸度控制是单机架的调控行为,各自在单独的机架上实现,而平坦度控制是多机架的调控行为,必须在多个相邻机架保持凸度控制的协调一致。凸度本身既是板形控制的直接目标,而相邻机架的比例凸度相等又是实现平坦目标的条件——耦合关系。
在控制中,追求满足凸度值与追求满足比例凸度值(或平坦度)有可能顾此失彼。早期的板形控制系统将二者分开控制,当不能使二者均满足要求时,则保证一者合格而舍弃另一者,即所谓的优先策略。事实上,如果热轧带钢较厚,金属有横向流动,改变凸度不一定会导致平坦度问题,这就为同时解决凸度和平坦度问题提供了可能。在上游机架以凸度控制为主,达到比例凸度目标值,在下游机架以平坦度控制为主,保持相邻机架比例凸度互等,并均等于比例凸度目标值。
2.2板形自动控制系统
板形自动控制系统分为在过程控制级(L2)的窜辊设定(SFTSU)和弯辊力设定(BFSU),统称为板形设定(SSU)控制,在基础自动化级(L1)的弯辊力前馈(BFFF)控制和弯辊力反馈(BFFBK)控制功能。由于精轧机组出口安装有凸度仪和平坦度仪,在板形设定控制系统中还包括凸度自学习和平坦度自学习、操作工干预量自学习。
3、板形闭环控制系统的开发
3.1建立板形指标内控标准
由于国家标准只对热连轧钢板开平后的不平度做出规定,未对在线带钢平坦度、凸度做出明确要求。通过对下游工序及使用客户的走访,结合同行业的经验,根据钢种、规格不同,制定了凸度、平直度目标值,通过板形特性值的控制满足客户的板形需求。
以优质碳素结构钢为例:
从精轧F6出口至1#卷取机的距离为90m,由于带钢特别是薄规格产品头部板形稳定性较差,一旦F6轧机与卷取机之间建张,带钢板形缺陷隐藏,平坦度仪检测曲线趋于直线,建张后的平直度值不再放映真实的板形。所以,取卷取机未建张前的60m作为判定板形的有效距离。
3.2优化粗轧工作辊、精轧工作辊辊型
3.2.1粗轧工作辊辊形配置
为使精轧获得良好的板凸度,粗轧中间坯须具备合理的凸度。经过多次在线跟踪与取样测量,发现中间坯凸度偏小,有时甚至为负凸度,给精轧凸度调整带来较大困难。为此,对粗轧工作辊辊型配置进行调整,由普通的平辊改为负凸度,凸度值为 A0-100(A0为基准值)
3.2.2精轧工作辊辊形配置
为了增加精轧机组的板形调控性能,在F1～F6上游机架(F2、F3采用HVC2、F4采用HVC4)采用高效变凸度(High-performanceVariable Crown)的工作辊辊形(HVC)技术,以显著增加轧机的板形控制能力,而在下游机架,由于轧辊磨损严重,同时为实现自由规程轧制(逆宽轧制、增加同宽轧制量、延长换辊周期等),仍采用普通辊形(WRS)的工作辊。每架轧机可根据实际工艺要求或设备情况任意配置HVC 和WRS 辊形。这样,通过工作辊初始辊形和支持辊辊形的合理配置,保证轧机具有足够的板形调控能力。
生产中,经过不断地实践与摸索,根据品种规格不同优化辊形配置,形成了冷轧料、花纹板、平板三套原始辊形组合,启用了新HVC224辊形组合,大幅提高辊型对板形的调控能力。
3.3开发精轧侧导板短行程控制功能
精轧侧导板短行程投入时序:对应机架咬钢负荷建立后延时1S,开度在二级设定值的基础上缩小15mm。当机架抛钢后,侧导板开度恢复到二级设定开度。短行程功能投入后,轧制中心线漂移量由50～60mm减少至20mm以内,板凸度、楔形、平直度控制指标明显改善。客户对带钢质量特别是板形质量的满意度有较大提高。
3.4板形设定系统
板形设定包括工作辊窜辊设定和工作辊弯辊设定,其中又包括工作辊和支持辊综合辊形的计算、机架间带钢凸度和平坦度的计算等。每次板形设定需经过以下主要过程:
(1) 读入各设定已知参数,即数据准备,包括对读入数据的初步处理。
(2) 计算工作辊的综合辊形,包括初始辊形、热辊形和磨损辊形。
(3) 计算支持辊的综合辊形,包括初始辊形、热辊形和磨损辊形。
(4) 常规工作辊窜辊位置的设定计算。
(5) 根据来料凸度及平坦度、目标凸度和目标平坦度,考虑板形良好条件计算各机架的入口凸度及平坦度、出口凸度及平坦度,计算采用HVC工作辊机架的窜辊量及F1~F6各机架的弯辊力大小。
(6) 各机架设定的弯辊力优化,以保证精轧出口目标凸度和平坦度,同时,改善机架间带钢的平坦度。
(7) 数据输出及存储。
3.4板形自学习系统
根据PDI的化学成分计算碳当量,由碳当量或钢种名称确定钢种层别,由带钢宽度确定宽度层别,由带钢厚度确定厚度层别,由钢种层别、宽度层别、厚度层别计算总记录号。由总记录号打开自学习文件,读取相应自学习系数,包括:
(1)HVC的凸度/平坦度短期自学习系数、长期自学习系数
(2)WRS的凸度/平坦度短期自学习系数、长期自学习系数
(3)机架空过时凸度/平坦度自学习系数
(4)操作工干预量自学习系数
3.5板形在线闭环控制
3.5.1弯辊力前馈控制
弯辊力前馈控制一般包括对轧辊热凸度及磨损凸度的补偿和轧制力变化的补偿。热凸度是一个缓慢的变化过程,在轧制节奏稳定的情况下,换辊半小时后热凸度趋于稳定,而对于每一块带钢来说,磨损凸度在头部和尾部之间的差别也是不大的。所以,弯辊力前馈模型主要还是补偿轧制力的变化。而轧制力受很多因素的影响,轧件温度的变化会引起轧制力的变化,特别是投入自动厚度控制(AGC)控制时,轧制力变化更加频繁。轧制力波动是板形控制的重要干扰因素。
为了消除这种由于轧制力的波动给带钢板形带来的不良影响,最有效的方法是使弯辊力随轧制力的波动以一定周期做出相应的补偿性调整,以稳定承载辊缝的形状,使带钢顺行、轧制生产稳定。这一功能即由弯辊力前馈控制模型来完成,通常也称小闭环模型,即F1～F6工作辊弯辊力根据各机架轧制力变化而进行相应的前馈调节控制,以保证带钢全长板形的稳定。
3.5.2平坦度反馈控制
平坦度反馈控制在L1周期进行,在HMI上由操作工选择是否投入。根据平坦度仪检测带钢实际平坦度值,与目标平坦度值进行比较,得出平坦度反馈控制偏差,依次通过调整F6、F5机架弯辊力,以消除平坦度偏差,当平坦度实测值大于平坦度目标值时,表示中间浪大,应降低下游机架的弯辊力,反之,则存在边浪,应增加相应机架的弯辊力。
3.5.3凸度反馈控制
凸度反馈控制在L1周期进行,在HMI(下转第63页)(上接第61页)上由操作工选择是否投入。根据凸度仪检测带钢实际凸度值,与目标凸度值进行比较,得出凸度反馈控制偏差,依次通过调整F1～F6 机架弯辊力,以消除凸度偏差。
3.5.4噪音因素的处理
为减小噪音因素的影响,避免弯辊、窜辊不必要的频繁动作,建立板形控制设定死区:凸度死区[-CO,+CO]μm,平坦度死区[-D0,+D0]IU(CO、D0均为常数)。实测板形指标与目标值之差在此微小区域范围内,平坦度反馈、凸度反馈不作调节。
4应用效果
4.1带钢断面轮廓理想,通条凸度、楔形指标控制稳定4.2统计各钢种板形指标,凸度平均达标率98.5%、平直度平均达标率98.8%
4.3带钢轧制中心线稳定,镰刀弯明显减轻,控制在15mm/5000mm以内
参考文献:
[1]刘 玠.热轧生产自动化技术[M].北京:冶金工业出版社,2006.
[2]王仁忠.何安瑞.LVC工作辊辊型的板形控制性能研究.钢铁,2006.05.