基于多點(diǎn)設(shè)定的中厚板平面形狀控制技術(shù)開(kāi)發(fā)

許智平

（福建三鋼閩光股份有限公司中板廠， 福建 三明 365000）

在中厚板的成材率損失中，切頭尾損失和切邊損失約占總成材率的2%和4%。中厚板軋制過(guò)程的特殊性造成其軋后的平面形狀大多不呈矩形，因此采用平面形狀控制技術(shù)，使成品板平面形狀矩形化，以提高成材率。隨著軋機(jī)設(shè)備和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展，1978年，日本水島厚板廠開(kāi)發(fā)了平面形狀軋制法，簡(jiǎn)稱MAS軋制法。其基本思想是對(duì)成品鋼板的平面形狀進(jìn)行定量預(yù)測(cè)，依據(jù)“體積不變?cè)怼?，在成形階段或展寬末道次給予板厚的超常分布量，以改善成品板最終的矩形度。

為實(shí)現(xiàn)成品板的高度矩形化，理論上其控制模型為高次曲線形式。傳統(tǒng)上采用的6點(diǎn)設(shè)定法形式簡(jiǎn)單且易于實(shí)施，但因與高次曲線接近度偏低，限制了平面形狀控制效果。通過(guò)大量的理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，開(kāi)發(fā)了9點(diǎn)平面形狀設(shè)定技術(shù)。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)平面形狀控制過(guò)程楔形段的高靈活度調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)可增強(qiáng)邊部金屬流動(dòng)的可控性，使產(chǎn)品的矩形度大幅度提高。

1 鋼板的軋后形狀特點(diǎn)

1.1 正常軋制的鋼板形狀

正常軋后鋼板形狀如圖1所示：對(duì)于展寬比較小的鋼板（展寬比＜1.2），由于頭尾端存在局部展寬，軋后鋼板邊部呈凹形，并且頭尾“舌頭”較長(zhǎng)；對(duì)于展寬比較大的鋼板（展寬比＞1.35），鋼板頭尾部分比中間部分展寬小，導(dǎo)致產(chǎn)生了“桶形鋼板”。

1.2 平面形狀控制的鋼板形狀

MAS軋制采用的是：“縱—橫—縱”的軋制方式，MAS軋制法板坯成形軋制時(shí)，大展寬比時(shí)改變板坯長(zhǎng)度方向的兩端厚度為楔形（小展寬比時(shí)反之），其目的是為改善鋼板軋制后鋼板寬度的均勻性而減少切邊量，MAS軋制鋼板形狀如圖1所示。

圖1 MAS軋制后鋼板形狀

2 平面形狀數(shù)學(xué)模型

2.1 頭部和邊部形狀預(yù)測(cè)模型

通過(guò)有限元模擬軟件ANSYS建立與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程一致的模擬環(huán)境，針對(duì)不同的坯料尺寸、道次壓下量以及設(shè)備條件進(jìn)行軋制模擬，得到最終的平面形狀預(yù)測(cè)模型[1-3]，模型相加的三個(gè)部分為“縱-橫-縱”三個(gè)階段對(duì)最終平面形狀的影響。

邊部形狀函數(shù)：

邊部形狀函數(shù)：

式中：h表示各道次軋后厚度；R表示各階段道次的延伸系數(shù)。

2.2 平面形狀控制模型

根據(jù)平面形狀預(yù)測(cè)模型的軋后鋼板頭部和邊部曲線，計(jì)算MAS軋制控制模型[1-3]，在相應(yīng)道次進(jìn)行變厚度軋制控制，以實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品的矩形化。

2.2.1 邊部形狀控制模型

式中：x為成形階段平面形狀控制部分某點(diǎn)距頭部的距離；wS、hS為成形階段軋制后的中間坯寬度和厚度；RF、lF為軋制結(jié)束時(shí)中間坯的延伸系數(shù)和長(zhǎng)度。

2.2.2 頭尾形狀控制模型

采用N2吸附法測(cè)定礦物的比表面積，試驗(yàn)時(shí)每次稱取樣品0.1 g，放入專用玻璃測(cè)試管中。工作條件為：樣品質(zhì)量100～500 mg，脫氣時(shí)間3～6 h，預(yù)處理溫度80 ℃，載氣H2(>99.99%)，N2/H2=14。針鐵礦比表面積測(cè)定為13.57 m2/g。

通過(guò)在展寬階段的末道次進(jìn)行變厚度軋制，以控制鋼板頭尾形狀：

式中：y為展寬末道次平面形狀控制部分某點(diǎn)距邊部的距離；wF、hF為延伸結(jié)束后的中間坯寬度和厚度；lB為展寬軋制結(jié)束后的中間坯長(zhǎng)度。

3 平面形狀控制功能實(shí)現(xiàn)

3.1 平面形狀控制參數(shù)確定

3.1.1 成形階段平面形狀控制參數(shù)

在l′長(zhǎng)度范圍內(nèi)，對(duì)理論控制模型進(jìn)行離散化，將平面形狀控制部分的體積離散化為n個(gè)長(zhǎng)方體，平面形狀控制在線控制部分的體積計(jì)算如下式：

當(dāng)Δh（Sx）值理論計(jì)算的厚度改變量近似為零時(shí)[4]，即x=l′，Δh（Sl′）≈0；

因此：

在線控制部分體積與理論計(jì)算體積應(yīng)相等，有下式成立：

整理上式得到：

3.1.2 展寬階段平面形狀控制參數(shù)

同理，可確定展寬階段平面形狀控制參數(shù)，當(dāng)ΔhB（y）值理論計(jì)算的厚度改變量近似為零時(shí)，即y=l′，Δh（Bl′）≈0。ΔhB′的計(jì)算公式推導(dǎo)過(guò)程與成形階段類似，公式如下：

3.2 軋制時(shí)間計(jì)算

平面形狀控制功能在實(shí)際過(guò)程中關(guān)鍵的技術(shù)是保證中間坯楔形段兩側(cè)的對(duì)稱性，否則在后道次轉(zhuǎn)鋼后軋制時(shí)就會(huì)出現(xiàn)鐮刀彎現(xiàn)象。因此必須對(duì)軋制過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤，才能得到兩側(cè)對(duì)稱的楔形形狀[4]。

前滑現(xiàn)象對(duì)軋制時(shí)間的計(jì)算有較大影響，必須對(duì)前滑進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，得到準(zhǔn)確軋制時(shí)間。在變厚度軋制過(guò)程中，坯料溫度高，中間坯與軋輥的摩擦系數(shù)也較大。通過(guò)采用全黏著條件的西姆斯前滑公式，得出前滑模型如下：

式中：r為壓下率；R為工作輥半徑。

根據(jù)前滑值的定義，中間坯的出口速度計(jì)算如下：

式中：v為中間坯出口速度；vR為軋輥線速度。

在線控制時(shí)，工作軋輥的轉(zhuǎn)速為固定值，即vR為定值，則由式（12）和（13）可求得對(duì)應(yīng)不同厚度的出口速度。而兩端的楔形段，通過(guò)離散化處理將楔形段離散化為n個(gè)長(zhǎng)方體，計(jì)算得到總的楔形段軋制時(shí)間計(jì)算公式為：

3.3 設(shè)定過(guò)程

在線應(yīng)用時(shí)，通過(guò)對(duì)控制模型進(jìn)行分段線性化，因此可采用9點(diǎn)設(shè)定法，將厚度變化量與長(zhǎng)度簡(jiǎn)化成線性關(guān)系，通過(guò)確定厚度變化量Δh′和改變的長(zhǎng)度區(qū)間l′，如圖2所示。l′和Δh′確定的體積應(yīng)該與理論模型計(jì)算結(jié)果確定的體積相等。

圖2 鋼板平面形狀在線控制模型

因設(shè)定點(diǎn)太過(guò)精細(xì)，各個(gè)點(diǎn)的位置跟蹤出現(xiàn)些許誤差，就會(huì)導(dǎo)致變厚度軋制的嚴(yán)重不對(duì)稱，經(jīng)過(guò)縱軋后出現(xiàn)單側(cè)大斜角“跑偏”現(xiàn)象。因此，中間坯長(zhǎng)向位置精細(xì)化跟蹤是鋼板變厚度軋制控制的基礎(chǔ)，也是平面形狀控制過(guò)程中壓下和抬起對(duì)稱控制的保證。采用基于高精度變厚度前滑模型，通過(guò)中間坯長(zhǎng)度計(jì)算和滾動(dòng)優(yōu)化自適應(yīng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了中間坯長(zhǎng)向精細(xì)化位置跟蹤，跟蹤精度控制在20 mm以內(nèi)，見(jiàn)圖3。

圖3 中間坯長(zhǎng)度精細(xì)化位置跟蹤

同時(shí)，高速度高響應(yīng)液壓位置控制是實(shí)現(xiàn)軋機(jī)垂直與水平速度協(xié)調(diào)控制以及壓下與抬升速度匹配控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過(guò)采用高性能控制器、大流量雙伺服閥以及高精度控制模型，液壓缸壓下與抬起速度可達(dá)到20 mm/s，實(shí)現(xiàn)了大斜度深壓下變厚度控制，其控制曲線見(jiàn)圖4。

圖4 大斜度深壓下變厚度控制曲線

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在初始控制模型設(shè)定的基礎(chǔ)上，基于原料尺寸和成品尺寸條件建立層別表數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)初始控制參數(shù)進(jìn)行修正，獲得實(shí)際應(yīng)用的控制模型，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1所示。

表1 計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)

由數(shù)據(jù)表1可知，在軋制楔形段過(guò)程中，楔形段長(zhǎng)度和厚度基本都隨時(shí)間線性變化，出口厚度的變化對(duì)軋件速度和輥縫改變速度的影響較小，在現(xiàn)場(chǎng)控制過(guò)程中，軋制楔形段時(shí)輥縫的設(shè)定值可以近似取為線性變化。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果對(duì)比如圖5所示。

圖5 應(yīng)用效果對(duì)比圖

5 結(jié)論

1）根據(jù)中厚板軋制后的變形特點(diǎn)，對(duì)平面形狀控制理論模型進(jìn)行推導(dǎo)，將厚度變化量與長(zhǎng)度簡(jiǎn)化成線性關(guān)系，以滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求。

2）在某中厚板3000 mm軋機(jī)現(xiàn)場(chǎng)成功實(shí)現(xiàn)平面形狀控制功能，大大減少鋼板切損量，使其綜合成材率提高了1%以上，取得了較好的效果。

3）平面形狀控制技術(shù)滿足“減量化、節(jié)約型”生產(chǎn)效果，實(shí)現(xiàn)高效益、低成本、節(jié)能減排的要求，將極大提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益，增強(qiáng)企業(yè)抵御市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)能力，提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

[1]丁修壁，于九明，張延華，等.中厚板平面形狀數(shù)學(xué)模型的建立[J].鋼鐵，1998，33（2）：33-37.

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[3]劉慧.中厚板平面形狀控制技術(shù)概述[J].山西冶金，2008（1）：3-4.

[4]矯志杰，胡賢磊，趙忠，等.中厚板軋機(jī)平面形狀控制功能的在線應(yīng)用[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2007，19（2）：56-59.