1780mm 熱連軋板形控制系統(tǒng)的研究和優(yōu)化

蔡秀麗

（1.河鋼股份有限公司承德分公司，河北 承德 067102；2.河北省釩鈦工程技術(shù)研究中心，河北 承德 067102）

本文通過工作輥型的改進(jìn)、工藝模型及其控制參數(shù)的優(yōu)化，使1780mm 熱連軋生產(chǎn)線的生產(chǎn)過程更加穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量特別是板形質(zhì)量不斷提高，并取得了良好的效果。

1 熱連軋帶鋼發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

1924 年美國在阿瑟蘭建成1470mm 熱連軋帶鋼生產(chǎn)線，1926年在巴特勒建成1070mm 熱連軋帶鋼生產(chǎn)線，開創(chuàng)了大規(guī)模生產(chǎn)熱連軋帶鋼的歷史。在此后的80 多年里，帶鋼熱連軋技術(shù)迅速發(fā)展，特別是自20 世紀(jì)60 年代以來，隨著計算機(jī)自動控制和可控硅技術(shù)等新技術(shù)的出現(xiàn)，升速軋制、層流冷卻、液壓傳動等新工藝的應(yīng)用，帶鋼熱連軋發(fā)展更為迅速，由于熱軋帶鋼生產(chǎn)的高經(jīng)濟(jì)性和高效率性，以上技術(shù)在軋鋼生產(chǎn)中得到了更為廣泛的應(yīng)用，軋鋼領(lǐng)域成為各種新技術(shù)應(yīng)用最普遍的一個領(lǐng)域。帶鋼熱連軋生產(chǎn)線的建設(shè)己成為國際鋼鐵企業(yè)迅速提高產(chǎn)能、有效增加投資收益的首選項(xiàng)目。

我國擁有的第一條熱連軋鋼材生產(chǎn)線是建于1959 年的鞍鋼1700mm 半連軋生產(chǎn)線，成套設(shè)備從前蘇聯(lián)引進(jìn)，產(chǎn)品厚度規(guī)格為1.8mm～8mm，寬度為500mm～1500mm；1978 年武鋼建成投產(chǎn)的1700mm 熱連軋生產(chǎn)線在當(dāng)時已達(dá)到世界先進(jìn)水平；20世紀(jì)80 年代寶鋼2050mm 熱帶鋼軋機(jī)的投產(chǎn)，使我國熱軋寬帶鋼軋機(jī)的生產(chǎn)技術(shù)和裝備上了一個新的高度。

2 板形控制系統(tǒng)的組成

（1）板形控制系統(tǒng)設(shè)備。某1780mm 熱連軋線電氣控制系統(tǒng)及工藝模型采用了Siemens 技術(shù)，并配備相應(yīng)的L3 系統(tǒng)，大幅度提高了生產(chǎn)過程的自動化程度及產(chǎn)品的控制精度。板形控制區(qū)主要在精軋區(qū)域，精軋機(jī)組為七機(jī)架四輥連軋機(jī)組，每個機(jī)架均具有正彎輥及竄輥功能，F(xiàn)1～F4 最大彎輥力為1800kN，精軋機(jī)組Fl～F4 工作輥使用了改進(jìn)型的CVC 輥型，F(xiàn)5～F7 最大彎輥力為1200kN，最大竄輥量150mm，為sin 輥型。在精軋出口分別安裝X-ray 凸度儀和平直度儀，為板形反饋控制提供必要的凸度及平直度測量值。其中，凸度儀將帶鋼的橫向厚度數(shù)據(jù)傳輸給模型，模型再將凸度反饋值發(fā)送給基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)彎輥力實(shí)現(xiàn)板形的動態(tài)控制。

（2）板形控制數(shù)學(xué)模型。通過數(shù)學(xué)模型控制，進(jìn)一步提高了1780mm 熱連軋生產(chǎn)線的板形控制精度。

精軋設(shè)定模型按來料材質(zhì)、尺寸、溫度和目標(biāo)尺寸等設(shè)定精軋工藝參數(shù)，包括各機(jī)架的負(fù)荷分配、軋制速度、機(jī)架間張力等。

板形設(shè)定模型基于PDI 數(shù)據(jù)及預(yù)設(shè)定數(shù)據(jù)計算軋輥的熱輥形，從而設(shè)定板形控制參數(shù)，包括各機(jī)架的竄輥設(shè)定及各機(jī)架的彎輥設(shè)定等。

在一級自動控制系統(tǒng)中，自動平直度控制系統(tǒng)依據(jù)精軋F(tuán)7出口平直度儀檢測到的數(shù)據(jù)對F7 彎輥力進(jìn)行動態(tài)閉環(huán)控制，以保證帶鋼出口平直度。

板形保持系統(tǒng)依據(jù)軋制過程中軋制力的變化動態(tài)補(bǔ)償和調(diào)整軋制力，根據(jù)軋制過程中軋輥熱凸度及熱磨損變化，調(diào)整軋輥彎曲力，以保證精軋過程中有載輥縫凸度的穩(wěn)定，進(jìn)而保證帶鋼板形。

3 板形控制系統(tǒng)原理

板形是指帶材的平直度，即波形、瓢曲的有無和程度。一般情況下，當(dāng)板坯來料板形良好時，板形的好壞取決于帶鋼在寬度方向上的延伸率是否相等，即壓下率是否相同。

為了保證帶材具有良好的板形，帶鋼必須在寬度方向上有一定的延伸率，即以“比例凸度一定”的原則來確定壓下量。

標(biāo)準(zhǔn)凸度的引入是板形控制的核心，通常較好的板形判別式為：

式中：Ch—帶鋼出口凸度；CH—帶鋼入口凸度；h—帶鋼出口厚度；H—帶鋼入口厚度。

嚴(yán)格來說，帶鋼的各縱向纖維延伸是相等的，但往往不可能完全相等，良好的板形可控制在一定范圍內(nèi)。對熱連軋而言，因前幾個機(jī)架出口厚度較厚，軋制時仍有一定的寬展，從而降低了嚴(yán)格的比例凸度恒定要求。通常，當(dāng)軋件厚度小于6mm 時，不存在橫向流動，必須嚴(yán)格遵守一定比例的凸度條件，以保持良好的平直度；軋件厚度在6mm～12mm 間屬于過渡區(qū)，橫向流動從0 變化到100%；當(dāng)軋件厚度大于12mm 時，其限制較少，即適度的比例凸度變化不會影響板帶的平直度。

根據(jù)1780mm 生產(chǎn)線設(shè)備情況，采用以下控制策略。1780mm 熱連軋精軋機(jī)組前4 個機(jī)架采用改進(jìn)型的CVC 工作輥，凸度控制能力強(qiáng)，并在前四機(jī)架軋制時，坯料厚度較厚，適度的凸度變化不會影響帶鋼的平直度，所以在前四機(jī)架軋制時可根據(jù)需要調(diào)整板帶鋼的平直度。在后三機(jī)架為了保證板帶鋼的平直度，需嚴(yán)格遵守等比例延伸原則，即后三機(jī)架的比例凸度恒定。

板形預(yù)設(shè)定及厚度設(shè)定一樣，只能保證帶鋼經(jīng)過精軋機(jī)組后的頭部質(zhì)量，但帶鋼全長厚度因各種因素而出現(xiàn)變動，所以使用自動厚度控制（AGC）系統(tǒng)來保持帶鋼全長的厚度質(zhì)量；同樣，帶鋼全長的板形質(zhì)量（凸度及平直度）也需由相應(yīng)的自動板形控制系統(tǒng)控制。在1780mm 熱連軋自動板形控制系統(tǒng)中，主要采用三個模型，即板形維持控制、凸度反饋控制、平直度反饋控制來保證帶鋼全長的板形質(zhì)量。

4 生產(chǎn)中存在的問題

通過對現(xiàn)場產(chǎn)品質(zhì)量的統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)常規(guī)鋼種、常規(guī)規(guī)格產(chǎn)品軋制時板形缺陷較少，但在軋制薄型或厚型等極限規(guī)格產(chǎn)品時，會出現(xiàn)表現(xiàn)或潛在的板形問題，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。如產(chǎn)品厚度小于2.0mm 時，易出現(xiàn)邊部浪形的板形缺陷；當(dāng)產(chǎn)品軋制厚度大于15.0mm 時，易產(chǎn)生鐮刀彎板形缺陷。

通過在生產(chǎn)中的跟蹤調(diào)查及產(chǎn)品發(fā)生板形問題的統(tǒng)計分析，其原因包括：①在軋制過程中，前幾機(jī)架凸度控制能力不夠，給后機(jī)架凸度控制帶來壓力，易導(dǎo)致熱軋板帶存在潛在的板形缺陷；②模型中不同寬厚比產(chǎn)品的屈服系數(shù)設(shè)置存在問題；③軋輥彈性變形及磨損計算偏差大；④軋制負(fù)荷分配需優(yōu)化。

5 板形控制系統(tǒng)的優(yōu)化

（1）優(yōu)化工作輥輥型。通過合理設(shè)計工作輥的形狀，利用軋輥的軸向移動功能，從而使其輥縫凸度在最小與最大凸度值間能無級調(diào)節(jié)，然后利用工作輥彎輥系統(tǒng)，擴(kuò)大板形調(diào)節(jié)范圍，以適應(yīng)不同軋制條件。

（2）規(guī)范精軋支撐輥倒角。精軋支承輥的倒角影響著承載輥縫(包括彎輥撓度)的計算，倒角過大會出現(xiàn)復(fù)合輥，導(dǎo)致模型設(shè)置異常。因此，對精軋支承輥的倒角進(jìn)行規(guī)范處理十分重要。倒角直徑深度為1.5mm，倒角曲線為自由圓弧曲線，F(xiàn)L～F4 倒角兩端寬度為130mm 和150mm 交替運(yùn)用，F(xiàn)5～F7 倒角兩端寬度為130mm 和100mm 交替運(yùn)用。

圖1 Shohet 臨界曲線

（3）優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。在帶鋼軋制過程中，不同寬厚比的板坯金屬流動方向不同，因此中浪與邊浪的限值也不同，也即是說，Shohet 曲線所反映的板帶屈服極限隨著寬厚比的變化而變化，并在其200 處差異明顯。Shohet 臨界曲線如圖1 所示。

圖1 中曲線的橫坐標(biāo)為寬厚比b/h，縱坐標(biāo)為變形區(qū)出口與入口的相對凸度差CR，Shohet 臨界曲線公式為：

上部曲線是產(chǎn)生邊浪的臨界曲線，當(dāng)CR 在曲線的上部時，會產(chǎn)生邊浪；下部曲線是產(chǎn)生中浪的臨界曲線，當(dāng)臨界CR 處于曲線下部時，則將產(chǎn)生中浪。

通過對板型控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的研究，修改模型源程序，使數(shù)學(xué)模型根據(jù)不同的帶鋼寬厚比數(shù)值范圍自動切換bckl_mul參數(shù)。

（4）優(yōu)化模型參數(shù)。根據(jù)軋輥磨損統(tǒng)計的實(shí)際反饋，將F7 磨損系數(shù)由1.16 調(diào)整為1.05，從而使模型計算軋輥磨損更為準(zhǔn)確。

（5）改進(jìn)溫度，提高頭部厚度的預(yù)測精度。根據(jù)帶鋼的材質(zhì)、溫度等參數(shù)，由二級計算機(jī)對軋件頭部進(jìn)行設(shè)定，從而使帶鋼進(jìn)入軋機(jī)后的實(shí)際軋制厚度和預(yù)測的軋制厚度相同，其中軋制壓力是較易檢查判定控制精度的一個參數(shù)。若預(yù)測軋制壓力與實(shí)測軋制壓力相同，控制精度則較高，檢測軋制壓力的預(yù)測誤差已成為衡量軋機(jī)厚度設(shè)定精度及板形控制的重要指標(biāo)之一。

若頭部厚度精度的設(shè)定誤差大，常會導(dǎo)致AGC 的頻繁過度調(diào)整，這會影響成品機(jī)架秒流量控制，在軋制薄規(guī)格時，易導(dǎo)致頭部浪形大，甚至堆鋼。

經(jīng)統(tǒng)計改進(jìn)后，軋制力的預(yù)測偏差約為5%，其原因在于原來的頭部溫度在取點(diǎn)計算時，未對失真數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行過濾，而且采用的是線性算法，當(dāng)出現(xiàn)溫度低點(diǎn)時，會導(dǎo)致計算偏差過大，現(xiàn)對失真點(diǎn)進(jìn)行了過濾處理，并對線性算法進(jìn)行了優(yōu)化，軋制力預(yù)測精度提高到3%，從而提高了頭部板形控制能力。

6 板形控制系統(tǒng)的優(yōu)化效果

經(jīng)優(yōu)化，1780mm 生產(chǎn)線的板形控制能力逐步提高，甚至當(dāng)軋制薄型或厚型等極限規(guī)格產(chǎn)品時，也顯示出其強(qiáng)大的板形控制能力，精軋中板帶鋼的比例凸度及平直度均在控制范圍內(nèi)。應(yīng)用這些優(yōu)化措施后，1780mm 生產(chǎn)線的板形控制精度不斷提高，產(chǎn)品合格率不斷提升。