帶鋼冷連軋機(jī)組同板厚差控制系統(tǒng)研究

陳 浩，宋美娟，周振宇，曹秉宇，李 洋

（徐州工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，鋼鐵市場的競爭日益激烈，國內(nèi)鋼鐵產(chǎn)品也需要更高的標(biāo)準(zhǔn)。各鋼鐵公司也急需更新生產(chǎn)技術(shù)，降低成本的同時(shí)獲得更好的產(chǎn)品，在市場競爭中穩(wěn)定地位。冷軋產(chǎn)品的重要質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是厚度精度，因此厚度控制是帶鋼軋制域的核心技術(shù)。AGC系統(tǒng)利用測厚儀或傳感器對(duì)帶鋼軋出厚度測量，獲得實(shí)際出口厚度與設(shè)定值的偏差信號(hào)，一旦該差值不在公差范圍內(nèi)，系統(tǒng)計(jì)算出消除偏差的調(diào)節(jié)量，借助調(diào)節(jié)裝置改變軋制張力、金屬秒流量、輥縫或軋制速度等，把厚度控制在公差范圍內(nèi)。面對(duì)國內(nèi)的需求及資金有限的情況，吸收國外AGC先進(jìn)控制的優(yōu)點(diǎn)，研發(fā)高精度自控系統(tǒng)，進(jìn)一步提高我國鋼鐵冷軋?jiān)O(shè)備的控制水平[3]。

1 厚度控制系統(tǒng)及其基本原理

1.1 厚度自動(dòng)控制系統(tǒng)分類

連軋厚度控制技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，根據(jù)在線檢測儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及作用情況，AGC控制方法可歸納為以下3種基本形式：

（1）前饋AGC?；跍y厚儀的反饋式厚度自動(dòng)控制系統(tǒng)，避免不了控制上的傳遞滯后或過渡過程的滯后，因而限制了控制精度的進(jìn)一步提高。特別是當(dāng)來料厚度波動(dòng)較大時(shí)，更會(huì)影響帶鋼的實(shí)際軋出厚度的精度。為了克服此缺點(diǎn)，在冷連軋機(jī)上廣泛采用前饋式厚度自動(dòng)控制系統(tǒng)，簡稱前饋AGC。對(duì)于冷連軋而言，前饋AGC可通過3種控制手段實(shí)現(xiàn)對(duì)厚度的控制，即調(diào)節(jié)本機(jī)架的輥縫、調(diào)節(jié)上游機(jī)架的速度、調(diào)節(jié)本機(jī)架的速度。

（2）監(jiān)控AGC。監(jiān)控AGC是根據(jù)軋機(jī)出口測厚儀檢測到的帶鋼厚度偏差來調(diào)節(jié)輥縫或軋制速度以達(dá)到消除厚度偏差的目的。應(yīng)用于冷連軋機(jī)的監(jiān)控AGC具有3種厚度控制手段，即調(diào)節(jié)本機(jī)架的輥縫、調(diào)節(jié)上游機(jī)架速度、調(diào)節(jié)本機(jī)架速度。然而，監(jiān)控AGC具有檢測上的滯后，這就限制了其性能的提高，隨著控制理論的發(fā)展和Smith預(yù)估器等消除大滯后環(huán)節(jié)的控制算法的使用，監(jiān)控AGC已經(jīng)成為厚度控制系統(tǒng)一個(gè)必不可少的組成部分。

（3）秒流量AGC。在冷連軋機(jī)的厚度控制系統(tǒng)中，普遍應(yīng)用秒流量AGC。通過秒流量相等原則估算機(jī)架出口厚度，將該厚度與目標(biāo)厚度進(jìn)行比較得到出口厚度偏差，通過調(diào)整本機(jī)架輥縫、上游機(jī)架速度或本機(jī)架速度來消除厚度偏差。

此外智能控制也被引入到了AGC控制中，主要有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、遺傳算法、專家系統(tǒng)和學(xué)習(xí)控制等[1]。

1.2 厚度控制基本原理

帶鋼冷連軋厚度控制通過調(diào)整輥速、輥縫和張力等，將軋制過程中的厚度偏差清除，以此使得帶鋼軋制厚度滿足理想厚度。軋件的塑性變形和軋機(jī)彈性變形在軋制時(shí)同時(shí)發(fā)生，二者關(guān)系由P—H圖表示，見圖1。造成厚度波動(dòng)的因素對(duì)軋制的影響均可以利用P—H圖中的塑性變形線和彈性變形線來描述。帶鋼軋制厚度h由彈跳方程h=S0+（P-P0）／K確定（式中，P為軋制力；K為軋機(jī)剛度）。為了能夠消去非線性區(qū)的影響，一般軋制前將軋輥按照初始?jí)毫0壓靠一定程度，將這時(shí)候的輥縫S0定為軋機(jī)調(diào)整的零輥縫。

圖1 P—H圖

由P—H圖可以看出，出于其他因素的作用，軋件塑性線由B變化到B’時(shí)，要使得軋機(jī)出口帶鋼厚度h不變，需調(diào)整軋機(jī)輥縫S，保證軋機(jī)彈性線由A變化到A’?？芍穸瓤刂频脑硎牵翰还苘堉七^程怎么變化，總是使軋機(jī)彈性線A與塑性線B相交于等厚軋制線C，從而得到恒定厚度的帶鋼[5]。

1.3 厚度偏差產(chǎn)生的原因

厚度是冷軋帶鋼產(chǎn)品的重要尺寸指標(biāo)，帶鋼實(shí)際出口厚度主要有空載輥縫S0、軋機(jī)剛度CP和軋制力P這三個(gè)影響因素。其中軋機(jī)剛度CP在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)一般可認(rèn)為是不變的。S0變化的因素主要都是在不改變壓下位置的情況下發(fā)生[9]。

P的變化是帶鋼軋出厚度波動(dòng)的主要因素。軋制力變化的影響因素主要有：

（1）對(duì)冷軋而言化學(xué)成分與組織性能的不均則是導(dǎo)致軋制力波動(dòng)的重要原因。

（2）坯料厚度的變化會(huì)影響P-H圖中的線B，導(dǎo)致軋制壓力和彈跳發(fā)生波動(dòng)，從而影響軋件出口厚度。冷軋時(shí)軋件厚度不均難以完全消除，故應(yīng)該盡可能選擇高精度的原料以提高產(chǎn)品厚度精度。

（3）張力的變化會(huì)使軋制力產(chǎn)生相應(yīng)變化。這主要是因?yàn)閺埩τ绊懥塑埣膽?yīng)力狀態(tài)及變形抗力。

（4）速度的變化改變了變形抗力和摩擦系數(shù)，從而使軋制力發(fā)生波動(dòng)[2]。

2 研究方法技術(shù)路線

（1）帶鋼冷連軋機(jī)組厚度控制AGC系統(tǒng)方案。主軋線設(shè)備和檢測儀表布置：第一機(jī)架前后各配置一套測厚儀，第五機(jī)架后配置一套高精度測厚儀（用于監(jiān)控AGC），確保最終產(chǎn)品精度。第二機(jī)架后安裝測速儀。

（2）主軋線設(shè)備和檢測儀表布置及技術(shù)性能參數(shù)。1720mm冷連軋機(jī)采用5機(jī)架6輥UCM軋機(jī)的形式[4]。六輥UCM軋機(jī)有一個(gè)顯著的特點(diǎn)，能夠找到一個(gè)中間輥橫移量，保證軋機(jī)的橫向剛度達(dá)到無窮大，無論軋制壓力如何發(fā)生變化，這個(gè)時(shí)候的板形也不會(huì)改變[8]。其主軋線設(shè)備和檢測儀表如下布置。

圖2 主軋線設(shè)備和檢測儀表的布置圖

第一機(jī)架的前饋AGC：當(dāng)入口測量儀測得來料厚差δH，進(jìn)行延遲t秒后壓下，調(diào)節(jié)量δS1為 ：δS1=δH·Q/CP。

延遲時(shí)間：t=L/V。

第一機(jī)架的反饋AGC：當(dāng)帶鋼運(yùn)行到第一機(jī)架出口，測厚儀實(shí)測到厚差δh，調(diào)節(jié)量δS2為 ：δS2=δh（CP+Q）/CP。

第一機(jī)架總調(diào)節(jié)量δS=δS1+δS2。

（式中δS為用來消除厚差所疊加的調(diào)節(jié)量；CP為軋機(jī)的彈性剛度系數(shù)；Q為軋件的塑性剛度系數(shù)；L為測厚儀到軋輥中心的水平距離；V為軋件的前進(jìn)速度）。

第二機(jī)架的前饋AGC：當(dāng)入口測量儀測得來料厚差δH，進(jìn)行延遲t秒后壓下，調(diào)節(jié)量δS3為 ：δS3=δH·Q/CP。

延遲時(shí)間：t=L/V。

第二機(jī)架的監(jiān)控AGC：當(dāng)帶鋼運(yùn)行到第五機(jī)架出口，測厚儀實(shí)測到的帶鋼厚度h5，然后根據(jù)秒流量公式h2v2=h5v5（v2為第二機(jī)架后的測速儀測得的帶鋼速度）計(jì)算出第二機(jī)架出口處的帶鋼厚度h2，h2與軋制規(guī)程中的厚度[7]（見表1表2）相減即可得到厚差為δh，調(diào)節(jié)量δS4：δS4=δh（CP+Q）/CP。

第二機(jī)架總調(diào)節(jié)量δS=δS3+δS4

第三、四、五機(jī)架不做調(diào)節(jié)。

當(dāng)實(shí)測厚度與設(shè)定厚度差值大于0.01mm（公差）時(shí)，則進(jìn)行調(diào)節(jié)。

根據(jù)近點(diǎn)法確定軋件的塑性剛度系數(shù)：Q=（Pb-Pa）/（hb-ha）[6]。

式中Pa、ha——實(shí)際軋制厚度為ha時(shí)，軋制力為Pa，一般取hb-ha=0.01mm。

（3）軋制工藝參數(shù)。選用厚度4.25mm的帶鋼生產(chǎn)厚度為1.50mm成品板帶鋼，選擇原料規(guī)格為1250mm×4.25mm，鋼種為Q235，設(shè)置預(yù)壓下力P0為10000KN，工作輥直徑為212.5mm，末機(jī)架出口速度為25m/s。

表1 Q235鋼的軋制工藝參數(shù)

表2 軋制鋼板的厚度和張力參數(shù)

（4）程序運(yùn)行結(jié)果。

表3 1720mm五機(jī)架帶鋼冷連軋機(jī)組輸出量參數(shù)

表4 第1、2、5架實(shí)測軋件輸入量和輸出量對(duì)比

3 結(jié)論

本文所研究的1720mm五機(jī)架帶鋼冷連軋機(jī)組AGC系統(tǒng)方案，用C++語言編寫厚度設(shè)定和厚度控制程序，對(duì)Q235鋼同塊鋼的厚度控制進(jìn)行模擬。從計(jì)算結(jié)果可以看出軋制壓力自第三機(jī)架越來越小，計(jì)算壓扁半徑時(shí)，壓扁半徑的值隨循環(huán)次數(shù)的增加趨于穩(wěn)定，隨著軋件變形程度的增加，其變形抗力增大，塑性剛度系數(shù)也隨之增大。