1500mm五機架冷連軋邊部減薄控制系統(tǒng)開發(fā)與應用

宋君，劉寶權，吳萌，王奎越，李志鋒，金耀輝（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

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1500mm五機架冷連軋邊部減薄控制系統(tǒng)開發(fā)與應用

宋君，劉寶權，吳萌，王奎越，李志鋒，金耀輝
（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

摘要：依托于鞍鋼1500mm冷連軋機工作輥竄輥在線改造工程，利用1～3機架增加工作輥竄輥功能平臺，結合工藝技術設計及控制系統(tǒng)開發(fā)，實現了對帶鋼邊部減薄的自動控制。簡要介紹了邊降控制系統(tǒng)的硬件配置與軟件設計流程，并詳細闡述了邊降控制系統(tǒng)中過程控制的預設定計算方法及基礎自動化閉環(huán)反饋控制、彎輥補償算法。生產實踐表明，邊降控制系統(tǒng)的投入，能有效控制電工鋼產品的邊部減薄，并使之達到預定的控制目標，取得了很好的效果。

關鍵詞：冷連軋；邊降控制；工作輥竄輥；過程控制

宋君，碩士，高級工程師，2014年畢業(yè)于大連理工大學電氣工程專業(yè)。E-mail：junjun.s@163.com

冷軋硅鋼產品是冷軋生產中的高附加值產品，由于產品大多數應用到變壓器、發(fā)電機和電動機中，所以對硅鋼片產品帶鋼的橫向厚度均勻性有著嚴格的要求，一般要求帶鋼邊部厚度與中心厚度的差不大于7μm。但是在冷軋硅鋼生產中帶鋼經常會出現邊部減薄的現象，該現象主要是由于帶鋼邊部的金屬橫向流動以及軋輥的彈性壓扁影響的。世界各鋼鐵企業(yè)為了提高帶鋼橫向厚度均勻性，一般采用帶錐度、可橫向竄動的軋輥對帶鋼進行軋制。而不具備竄動能力的HC、UC軋機，為了滿足橫向厚差要求，只有在后續(xù)工序進行切邊處理［1］。解決冷軋無取向電工鋼邊部減薄問題，不僅要從工作輥輥徑或輥形曲線設計方面考慮，還應包括：工作輥竄輥功能預設控制、工作輥彎輥補償和邊降反饋控制等方面綜合控制［2］。

鞍鋼股份有限公司冷軋硅鋼廠1500mm冷連軋機2005年建成投產，主要產品定位于電工用鋼，機組不具備工作輥竄輥功能。為提高中低牌號無取向電工鋼產品的橫向厚度差控制精度，更好地滿足客戶對電工鋼質量的不斷要求，鞍鋼集團公司決定對鞍鋼1500mm冷連軋機進行技術升級改造，其中，鞍鋼鋼鐵研究院負責整個邊部減薄電氣自動化控制部分。項目利用鞍鋼1500mm冷連軋機1～3機架增加工作輥竄輥功能平臺，結合工藝技術設計及控制系統(tǒng)開發(fā)，實現對帶鋼邊部減薄的控制，以提高鞍鋼電工鋼產品的市場競爭力。

1　邊降控制系統(tǒng)介紹

1.1定義

冷軋帶鋼在被軋輥壓扁的過程中，帶鋼在距離邊部某一位置向邊部方向厚度會發(fā)生快速減少，這種情況被稱為帶鋼邊緣降。軋后帶鋼的理想斷面形狀如圖1（a）所示，為一規(guī)則的矩形，斷面各點處厚度完全相同。但由于軋輥彈性彎曲變形、軋輥彈性壓扁、來料凸度和硬度變化等原因，軋后帶鋼實際斷面如圖1（b）所示，呈中間厚兩邊薄的形狀，各點處帶鋼的厚度不同，且存在局部高點。

圖1　帶鋼斷面理想和實際形狀

圖中hc為帶鋼斷面中間處的厚度；he1和he2為距帶鋼兩側一定距離處的帶鋼厚度；he3和he4為帶鋼兩側邊部的厚度。通常將（he1-he2）定義為楔形，hc-（he1+he2）/2定義為帶鋼的中心凸度，（he1-he3）和（he2-he4）定義為邊部減薄。he3、he4為距離邊部15mm處的帶鋼厚度；he1、he2為距離邊部115mm處的帶鋼厚度［3］。

1.2邊降控制系統(tǒng)概述

整個邊降控制系統(tǒng)分為三層，最底層儀表層，包括軋機1機架前入口的32點凸度儀與軋機5機架出口的32點邊降儀（兩臺儀表型號一致，因作用不同所以叫法不同）；第二層為基礎自動化（簡稱一級），負責采集兩臺大儀表的實際值數據，根據帶鋼實際的入口出口邊降情況通過對工作輥竄輥、彎輥等參數的調整對帶鋼的邊降進行閉環(huán)控制；第三層為過程控制系統(tǒng)（簡稱二級），二級系統(tǒng)負責根據入口凸度儀檢測的帶鋼來料凸度和帶鋼的原料主數據，查表計算得到1～3機架的工作輥竄輥插入量參數與工作輥彎輥補償值，作為邊部減薄控制系統(tǒng)的預設定參數，下發(fā)到基礎自動化一級。邊部減薄系統(tǒng)的核心除了整個控制系統(tǒng)，同時軋制帶鋼使用的單錐度工作輥錐形段的輥型也非常重要，帶鋼軋制時，邊部會進入工作輥的錐形段區(qū)域，作用主要是補償帶鋼邊部的軋輥壓下作用力。

邊降控制系統(tǒng)的硬件主要包括機組出入口的兩臺邊降儀及其信號連接模板、1到3機架工作輥竄輥輸入輸出信號模板、兩臺查看帶鋼出入口邊降實際值的HMI人機接口服務器。兩臺儀表采集的數據通過工業(yè)以太網發(fā)送到基礎自動化TDC控制系統(tǒng)中，如圖2所示。

整個控制系統(tǒng)的核心在于帶鋼在進入軋機前，二級過程控制系統(tǒng)根據入口凸度儀采集到的原料實際邊降值和原料鋼卷的寬度、厚度和鋼種信息，對1～3機架的工作輥竄輥設定值進行修正計算，并把工作輥竄輥的預設定值下發(fā)到基礎自動化系統(tǒng)，基礎自動化接收到預設定值后會在帶鋼焊縫進入軋機前，把工作輥軸向竄動到預設位置。當帶鋼進入軋機軋制后，基礎自動化會根據軋機出口邊降儀采集到的帶鋼實際邊降信息，對上下工作輥竄輥進行實時調節(jié)，保證帶鋼出口的邊降值達到目標要求。邊降閉環(huán)控制示意圖見圖3。

2　二級過程控制系統(tǒng)

整個二級過程控制系統(tǒng)由許多的相互間通訊的進程組成，在邊降自動控制系統(tǒng)中二級主要負責計算1到3機架的工作輥竄輥預設定值發(fā)送給基礎自動化，其計算流程如圖4所示。

（1）操作工錄入1～3機架軋輥類型數據。

（2）帶鋼進入軋機序列后，一級向二級請求設定值。

（3）二級跟蹤進程接收讀取軋輥數據和邊降工藝參數，并利用模型公式計算出工作輥竄請求并轉發(fā)給軋制策略進程。

（4）軋制策略進程準備好數據向模型計算進程發(fā)送設定值計算請求。

圖2　邊降控制系統(tǒng)網絡配置圖

圖3　邊降閉環(huán)控制示意圖

圖4　過程控制系統(tǒng)功能流程圖

（5）模型計算進程從數據庫中輥設定值發(fā)送給設定值處理進程。

（6）二級設定值處理進程把工作輥竄輥設定值發(fā)送給基礎自動化。

（7）采集完成帶鋼入口實際凸度值后二級利用實際凸度值對邊降工藝參數進行優(yōu)化后重新計算工作輥竄輥設定值下發(fā)給基礎自動化。

2.1預設定計算

對原料的鋼種、寬度和出口厚度進行分類，不同的原料帶鋼邊部進入錐形段的距離會不一樣；根據三類層別數據最終確定帶鋼插入工作輥錐形段的長度，負數為進入錐形段，正數為帶鋼邊部還有多遠進入錐形段。進入錐形段的距離參考西馬克和日本三菱公司的經驗值。工作輥竄輥模型計算公式：

式中，WSs為工作輥竄輥設定值；Wst為帶鋼寬度；EL為帶鋼進入工作輥錐形段距離。

2.2入口凸度儀修正

由于入口熱軋卷原料的凸度對軋機出口帶鋼邊部減薄有一定影響，所以安裝入口凸度儀可以有效地檢測原料的實際凸度情況。當入口凸度儀實際檢測值與三級下發(fā)鋼卷主數據凸度差別較大時，二級系統(tǒng)會根據入口凸度儀實際檢測的數據，對1～3機架的工作輥竄輥設定值進行修正。計算公式如下：

式中，Wsδt，icr、Wsδb，icr分別為機架上、下工作輥竄動的凸度修正量；Cr為凸度的實績；αi、βi為不同機架凸度補正系數；Wsδt，i、Wsδb，i分別為i機架操作人員手工修正量。

入口凸度儀檢測的原料實際凸度數據不僅用于二級的預設定值修正，同時基礎自動化在對帶鋼邊降進行閉環(huán)控制的時候，也會根據入口凸度儀實際檢測值對1～3機架的工作輥竄輥設定值進行實時修正。

3　基礎自動化閉環(huán)控制

邊部減薄控制系統(tǒng)由兩部分功能組成：將出口帶鋼邊降實際值用于工作輥竄輥位置反饋控制、根據工作輥竄輥位置變化對工作輥彎輥進行補償控制。

3.1邊降反饋控制

邊降反饋控制根據5#機架出口邊降儀檢測的成品橫向斷面的厚度實際值，分為邊升控制和邊降控制兩部分，而邊升控制的優(yōu)先控制等級要高于邊降控制。針對邊部減薄的問題，閉環(huán)控制根據檢測到的邊部厚度偏差量，通過插值運算計算1機架的竄輥插入調節(jié)量，將總的偏差減去1機架工作輥竄輥影響量，然后插值運算計算2機架的竄輥插入調節(jié)量，3機架的竄輥插入調節(jié)量同理求出。插值運算所用的曲線如圖5所示，根據理論計算和現場調試獲得。

圖5　反饋控制示意圖

3.2彎輥補償

在基礎自動化對帶鋼邊部減薄進行閉環(huán)控制的時候，由于1～3機架的工作輥竄輥會對帶鋼的板形控制產生不良的影響，為了消除影響，需要對工作輥彎輥設定進行一定補償，補償的彎輥值會與基礎自動化板形控制中的彎輥設定相結合［4］。彎輥補償公式如下：

式中，ΔFw，iact為機架彎輥補償量；ΔSw，iact為機架WR竄動位置變化量；ΔSw，iact、Swb，iact為上/下工作輥竄動位置實際值；Kwi為彎輥影響系數。

4　現場應用效果

整個邊降控制系統(tǒng)已投入運行6個多月，系統(tǒng)投入前后現場采集數據統(tǒng)計結果見圖6、圖7所示。

圖6　系統(tǒng)投入前邊部減薄統(tǒng)計情況

圖7　系統(tǒng)投入后邊部減薄統(tǒng)計情況

圖6所示帶鋼寬度為1120mm，出口厚度0.5mm，連續(xù)軋制16卷，邊降控制系統(tǒng)不投入使用。穩(wěn)態(tài)軋制時，邊降平均值9.43μm。動態(tài)變規(guī)格時，邊降值11.2μm。

圖7所示帶鋼寬度為1120mm，出口厚度0.5mm，1機架插入量為60mm，2機架插入量為30mm，3機架插入量為10mm，連續(xù)軋制16卷。穩(wěn)態(tài)軋制時，邊降控制2σ值3.75μm。動態(tài)變規(guī)格時，邊降控制值7μm。

通過整個邊降控制系統(tǒng)的在線調節(jié)，使帶鋼的出口邊降值減少了50％以上，大大提高了產品的橫向厚度精度和機組的成材率，增強了鞍鋼冷軋電工鋼產品的市場競爭力。

5　結論

（1）具備有邊降控制手段的冷連軋機通過單錐度工作輥的運用，可有效改善帶鋼邊部的厚度控制效果，減少邊降產生，同時也可減少后道工序的切邊量，提高成材率。

（2）整個邊降控制系統(tǒng)的在線投入對機組1～3機架的軋制力閉環(huán)控制、張力控制、厚度控制基本沒有影響，可以保證機組高速穩(wěn)定的運行。

（3）具有工作輥竄輥功能的軋機邊部厚度控制功能目前大多數應用于電工鋼產品，對于擴展應用到其它冷軋產品應進一步開展研究。

參考文獻

［1］朱簡如，林秀貞，吳平，等.五機架UCMW冷連軋機板形平坦度自動控制系統(tǒng)［J］.銅業(yè)工程，2005（2）：26～28.

［2］張清東，黃偉倫，周曉敏.寬帶鋼軋機板形控制技術比較研究［J］北京科技大學學報.2000，Vo.l 22（2）：177～181.

［3］Toshinobu Nakanishi.Edge -Drop Control of Hot and Col dRolled Strip by Tapered-Crown Work Roll Shifting Mill［J］.I-ron and Steel Engineer，1995（2）：27～32.

［4］Tetsuo Kajihara.Rolling Characteristics of Cold Strips onCross Rolling［J］.Journal of the JSTP，1995（12）：1403～1408.

（編輯袁曉青）

修回日期：2015-06-04

Development and Application of Control System for Edge-drop of Steel Strips Produced by 1500mm Five-stand Tandem Cold Mill

Song Jun，Liu Baoquan，Wu Meng，Wang Kuiyue，Li Zhifeng，Jin Yaohui
（Iron & Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporation，Anshan 114009，Liaoning，China）

Abstract:Based on the online upgrading project for solving the shifting problem work rolls in Angang 1500mm tandem cold mill，the function platform for controlling the shifting of work rolls was constructed by making use of the strands from No.1to No.3 so that the automatic control for edge-drop of steel strips can be achieved with the help of technologies or processes and development of control systems.And the configuration of hardware for the control system for edgedrop and the software design flow were also introduced.The preset calculation method for the process control of the control system for edge-drop was discussed and the compensation algorithm for the basic automatic closed-loop feedback control and the bending compensation of bending rolls were also explained.The production practice shows that the edge-drop of silicon steel sheets can be effectively controlled with the expected results by application of the control system for the edge-drop.

Key words:tandem cold mill；control of edge-drop；shifting of work rolls；process control

中圖分類號：TG335

文獻標識碼：A

文章編號：1006-4613（2016）03-0023-05