熱軋帶鋼板形設(shè)定控制在萊鋼的研究與應(yīng)用

趙 波

（山鋼股份萊蕪分公司 自動化部，山東 萊蕪 271104）

0 引言

衡量熱軋帶鋼工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量的一個重要指標(biāo)就是板形。成材率的提高需要良好的板形，因此在實(shí)際的軋鋼生產(chǎn)中尤為迫切和重要的是提高熱軋帶鋼的平直度、板凸度、邊部減薄等橫斷面指標(biāo)。

過程自動化控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)板形的設(shè)定計算，包括竄輥設(shè)定、彎輥力設(shè)定和彎輥力自學(xué)習(xí)，其主要任務(wù)是根據(jù)精軋設(shè)定的計算結(jié)果來設(shè)定計算各機(jī)架工作輥的竄輥量和彎輥力的大小。基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)按照凸度和平直度設(shè)定要求、軋輥均勻磨損要求等接收過程自動化控制系統(tǒng)下達(dá)的竄輥位置指令和彎輥力指令，控制液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作到位，進(jìn)行竄輥位置APC（自動位置控制）控制。同時，自動控制系統(tǒng)還有彎輥力前饋調(diào)節(jié)、板形板厚解耦控制等功能。

1 板形設(shè)定控制

板形控制在精軋區(qū)域執(zhí)行，它既可以在基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)（簡稱L1）中完成，也可以在過程自動化控制系統(tǒng)（簡稱L2）中完成，也可在人機(jī)界面接口（簡稱HMI）上由操作工選擇。L1為半自動狀態(tài)時，在HMI輸入工作輥的竄輥量和彎輥力的設(shè)定值；L2為自動狀態(tài)時，由板形設(shè)定模型根據(jù)精軋設(shè)定模型的計算結(jié)果來計算F1～F6機(jī)架工作輥竄輥的位置以及彎輥力的大小，并將設(shè)定值傳送給一級系統(tǒng)。軋制每卷帶鋼可進(jìn)行1～2次設(shè)定計算。精軋區(qū)域主體設(shè)備簡圖如圖1所示。

為保證帶鋼頭部的凸度目標(biāo)值和精軋機(jī)下游各機(jī)架比例凸度就需要板形設(shè)定控制，從而達(dá)到控制帶鋼平坦度目標(biāo)值的目的。板形設(shè)定控制在整個板形控制中起著非常重要的作用，它直接決定帶鋼頭部的板形控制精度，又能夠作為板形反饋控制的起點(diǎn)來影響反饋控制的效果。板形設(shè)定分為工作輥竄輥設(shè)定和工作輥彎輥設(shè)定，每次板形設(shè)定需經(jīng)過以下幾個過程：①讀入各設(shè)定已知參數(shù)，即數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，包括對讀入數(shù)據(jù)的初步處理；②計算工作輥的綜合輥形，包括初始輥形、熱輥形和磨損輥形；③計算支持輥的綜合輥形，包括初始輥形、熱輥形和磨損輥形；④工作輥竄輥位置的設(shè)定計算；⑤根據(jù)來料凸度及平坦度、目標(biāo)凸度和目標(biāo)平坦度，考慮板形良好條件，計算各機(jī)架的入口凸度及平坦度、出口凸度及平坦度，設(shè)定F1～F6各機(jī)架的彎輥力大小；⑥各機(jī)架設(shè)定的彎輥力優(yōu)化，以保證精軋出口目標(biāo)凸度和平坦度，同時改善機(jī)架間帶鋼的板形；⑦數(shù)據(jù)輸出及存儲。

圖1 精軋區(qū)域主體設(shè)備簡圖

2 板形設(shè)定控制的詳細(xì)過程

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備模塊主要完成SSU（板形設(shè)定模型）所需數(shù)據(jù)的初始化、從HMI和其他功能（如FSU）讀取所需數(shù)據(jù)及一些相關(guān)的實(shí)測數(shù)據(jù)以及從其他文件讀取板形設(shè)定計算所需數(shù)據(jù)。

2.2 工作輥綜合輥形的設(shè)定

2.2.1 工作輥綜合輥形的設(shè)置

初始輥形設(shè)置就是指計算磨削輥形參數(shù)、磨損輥形參數(shù)、熱輥形參數(shù)和將三者結(jié)合及作出相對應(yīng)的計算處理，得到能應(yīng)用于彎輥設(shè)定的工作輥綜合輥形的數(shù)值。工作輥的輥形在工作輥初始輥形計算中起著重要的作用，工作輥的磨損和熱脹是熱軋的一個顯著特點(diǎn)，也是影響板形最主要的兩個干擾因素。磨損輥形計算模型和熱輥形計算模型是板形設(shè)定的兩個基礎(chǔ)模型，也是提高板形設(shè)定精度的重要因素。由于軋制過程中影響工作輥磨損的因素很多，且各因素多具時變性，因此只能考慮影響磨損的主要因素，通過大量的現(xiàn)場實(shí)測來評估模型參數(shù)，從而計算出符合現(xiàn)場的工作輥磨損計算模型參數(shù)。工作輥熱輥形的計算同樣復(fù)雜，而且不好直接驗(yàn)證，為提高計算的速度并且同時保證計算精度，在合理處理好邊界條件的基礎(chǔ)上，選用二維差分法來計算軋鋼過程中任意時刻的熱輥形。

2.2.2 計算支撐輥綜合輥形參數(shù)

支撐輥綜合輥形參數(shù)的計算包括磨削輥形的計算方法、磨損輥形的計算方法、熱輥形的計算方法以及將三者合并且作出相應(yīng)的等效處理。能應(yīng)用于彎輥設(shè)定的支撐輥綜合輥形的特征參數(shù)計算公式如下：

其中：CBS（x）為支撐輥綜合輥形；CBG（x）為支撐輥初始輥形；CBW（x）為支撐輥磨損輥形；CBT（x）為支撐輥熱輥形。

2.3 設(shè)定工作輥竄輥參數(shù)

F1～F6工作輥竄輥位置的設(shè)定計算取決于工作輥竄輥設(shè)定。對于普通輥形的工作輥，竄輥的設(shè)定對象是以軋鋼過程中每個鋼坯為單位，根據(jù)軋制規(guī)格選擇適合的工作輥竄動量的設(shè)定（包括工作竄輥步長的設(shè)定、工作竄輥模式的設(shè)定、工作竄輥頻率的設(shè)定和工作竄輥行程的設(shè)定等），F(xiàn)1～F6機(jī)架工作輥的竄輥量或竄輥位置的設(shè)置需要在帶鋼進(jìn)入精軋機(jī)前計算出。

竄輥數(shù)值的設(shè)定計算主要根據(jù)軋鋼情況和竄輥的設(shè)置，對F1～F6機(jī)架的工作輥的竄輥位置進(jìn)行設(shè)置計算，能有效改善軋輥輥面的不均勻磨損，從而實(shí)現(xiàn)自由規(guī)程軋制的目的。竄輥設(shè)定模型的計算結(jié)果具體體現(xiàn)為F1～F6機(jī)架上工作輥的軸向竄動數(shù)值，“＋”代表向操作側(cè)竄動，“－”代表向傳動側(cè)竄動，下工作輥的軸向竄動與上工作輥的軸向數(shù)值相同但是方向相反，上下工作輥軸向竄動是以軋制中心線作為標(biāo)定零點(diǎn)。

2.4 計算彎輥力模型系數(shù)

彎輥力模型系數(shù)包括帶鋼竄輥量、支撐輥輥徑、軋機(jī)的軋制壓力、導(dǎo)衛(wèi)的設(shè)定寬度、工作輥輥徑的選擇和工作輥輥形的打磨等。大量的離線計算采用有限元離線模型來進(jìn)行，然后對結(jié)果進(jìn)行回歸分析整理，從而計算出在線彎輥力模型系數(shù)的公式。進(jìn)行彎輥力設(shè)定計算時，需要引入各種計算參數(shù)，就可得出F1～F6機(jī)架彎輥力模型系數(shù)，包括彎輥力、軋制壓力、支撐輥輥身邊部輥形、支撐輥輥身中部輥形、工作輥輥身中部輥形、工作輥輥身邊部輥形的影響系數(shù)和常數(shù)項(xiàng)等。

2.5 計算機(jī)架間帶鋼平坦度和凸度

依據(jù)等比例凸度的原則，根據(jù)目標(biāo)精軋出口預(yù)期凸度和預(yù)期平坦度，從F6機(jī)架開始往前推計算出各機(jī)架出口預(yù)期凸度和預(yù)期平坦度。

2.6 計算F1～F6機(jī)架彎輥力

由彎輥力計算模型和機(jī)架入口和出口的凸度、平坦度計算模型，按照彎輥設(shè)定策略，根據(jù)各機(jī)架出口帶鋼目標(biāo)凸度和平坦度，自F1機(jī)架開始往后計算出各機(jī)架所需彎輥力。進(jìn)行F1～F6機(jī)架的彎輥力大小設(shè)定計算時，當(dāng)所需要計算設(shè)置機(jī)架的工作輥為帶特殊

其中：BFN為彎輥力設(shè)定計算值；Cm為帶鋼機(jī)械凸度；RFS為軋制力設(shè)定值；CWE為工作輥輥身邊部的綜合輥形；CBE為支撐輥輥身邊部的綜合輥形；CWR為工作輥初始輥形；CWC為工作輥輥身中部的綜合輥形；kRF為軋制力影響系數(shù)；CBC為支撐輥輥身中部的綜合輥形；kCST為常量系數(shù)；kBC為支撐輥中部輥形影響系數(shù)；kWC為工作輥中部輥形影響系數(shù)；kBF為彎輥力影響系數(shù)；kCWR為工作輥初始輥形影響系數(shù)；kWE為工作輥邊部輥形影響系數(shù)；kBE為支撐輥邊部輥形影響系數(shù)。

2.7 優(yōu)化機(jī)架彎輥力

正常情況，精軋出口帶鋼的目標(biāo)凸度是固定值，控制偏差是允許存在的，即精軋出口帶鋼凸度控制在CRAIM±CRDET范圍內(nèi)均可（其中，CRDET為凸度偏差，CRAIM為目標(biāo)凸度）。在F1～F6機(jī)架彎輥力的設(shè)定計算中，對于特殊工況下，將精軋出口的目標(biāo)平坦度和目標(biāo)凸度都準(zhǔn)確地保持在一個值上是有很大難度的，盡管能滿足板形良好準(zhǔn)則，但有時不能保證機(jī)架間平坦度。所以在將精軋出口凸度控制在合理偏差范圍內(nèi)的前提下，各機(jī)架彎輥力或竄輥量是可以依次改變的，以有效降低F1～F6機(jī)架間的帶鋼寬度方向的不均勻延伸。我們采用的優(yōu)化計算方法是簡單的登山法，目標(biāo)函數(shù)是F1～F6機(jī)架出口平坦度的加權(quán)之和，出口平坦度的權(quán)值越大，代表機(jī)架越往后。

3 輸出數(shù)據(jù)和存儲板形數(shù)據(jù)的設(shè)定

板形設(shè)定計算完畢后需要將計算結(jié)果輸出并且保存，同時為便于離線分析，需將一些設(shè)定計算結(jié)果及相應(yīng)的工況參數(shù)保存，包括各機(jī)架軋制壓力設(shè)定值；各機(jī)架彎輥力設(shè)定計算值；各機(jī)架竄輥設(shè)定值SFTS；各機(jī)架工作輥輥身中部輥形；各機(jī)架工作輥輥身邊部輥形；各機(jī)架支撐輥輥身中部輥形；各機(jī)架支撐輥輥身邊部輥形；各機(jī)架出口凸度計算值；各機(jī)架入口凸度計算值；各機(jī)架入口平坦度計算值；各機(jī)架出口平坦度計算值。

4 應(yīng)用效果

本文通過對熱軋帶鋼板形設(shè)定控制進(jìn)行深入的研究，在掌握設(shè)定詳細(xì)過程的基礎(chǔ)上投入現(xiàn)場應(yīng)用，取得明顯的效果。本板形設(shè)定應(yīng)用極大地提高了板形的控制精度，使帶鋼成品的板形得到有效改善。該系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)領(lǐng)先于國內(nèi)水平，客戶對帶鋼板形的控制精度的要求得到了滿足。曲線的輥型時，應(yīng)給彎輥力設(shè)定一合力的數(shù)值，然后設(shè)定所計算機(jī)架工作輥竄輥的位置。等竄輥位置確定后，再計算出該機(jī)架所需彎輥力的大小數(shù)值。當(dāng)彎輥力正負(fù)超限時，還要根據(jù)軋制情況按一定的控制策略來調(diào)整上一機(jī)架彎輥力的設(shè)定大小。其計算模型如下：

［1］丁修堃.軋制過程自動化［M］.第3版.北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

［2］王國棟.板形控制和理論［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1993.