宝钢2050热轧过程厚度控制技术.pdf

宝钢2050热轧过程厚度控制技术 叶红卫 宝钢股份公司 设备部,上海 200941 摘要通过对宝钢热轧2050精轧过程控制计算机中原有相关程序的研究,并结合过程计 算机中的控制方法及其模型公式,分析了现场生产中精轧带钢厚度的静态设定、 动态调整以及 自适应反馈的整个闭环控制过程,将有助于宝钢自主进行2050热轧过程控制系统的改造。 关键词厚度控制;辊缝;硬度 中图分类号TP3 ,TG335111 文献标识码B 文章编号1008 - 0716200301 - 0023 - 05 Thickness Control Technology During 2050mm Hot Rolling Process YE Hong2wei Baosteel Equipment Department ,Shanghai China ,200941 Abstract Based on research of the programm of 2050mm process control computer in hot rolling fi2 nishing mill at Baosteel ,combining with the control and model ula of process computer ,the static setting ,dynamic setting and close2cycle control process of the adaptive feedback are investigated. It will be effective to revamp the process control system of 2050 hot rolling mill. Key WordsThickness control ;Roll gap ;Hardness 1 概述 宝钢2050热轧机组是20世纪80年代末从 德国的西马克SMS公司引进的,成品厚度精度 的控制主要由预设定、 入口修正、 后计算及自适应 四个部分来完成,他们之间的相互关系及计算流 程参见图1。 2 模型功能描述 2050热轧精轧预设定模型的任务是计算精 轧轧线操作所需要的设定值,以便精确地达到预 定的精轧带钢最终尺寸。计算所使用的模型方程 考虑了粗轧带钢的尺寸,并根据负荷值采用相对 化过程来计算各个机架的相对压下;模型方程采 用模型系数的方法与由轧件的几何形状和材料质 量所确定的工作点相适应,计算出轧制力以及辊 缝设定值;再将轧制过程中经过改善的各种模型 叶红卫 工程师 1971年生 1993年毕业于武汉大学 现从事 计算机专业 电话 26645890 系数,应用于预设定的轧制力以及辊缝设定值计 算中;最后,道次计划预计算将结果传送给基础自 动化、 层流冷却系统作为设定值,并激活精轧系统 其他功能。 由于轧件温度的变化会使材料温度、 硬度发 生偏差,导致计算的设定值发生错误,从而使带钢 达不到预期的出口厚度。入口修正功能是在道次 计划预计算的基础上,当带钢进入F1、F2、F3机架 后,使用辊缝、 轧制力等实际值数据代替原预计算 的数据,再一次使用弹跳方程计算后续机架的辊 缝及轧制力。根据重新计算的轧制力和辊缝,对 后续机架进行动态修正,使得带钢出口厚度更加 精确。 道次计划后计算功能确定机架出口厚度、 轧 制力、 轧制力矩、 压下零点的模型系数。为计算模 型系数,模型把带钢在精轧轧线上运行的时间分 成各个段,对这些预先规定的带钢段收集测量值 并进行统计计算。后计算借助模型方程和前3个 带钢段的测量值来确定遗传系数,用新的系数来 322003年第1期 宝 钢 技 术 图1 热轧过程控制示意图 Fig.1 Hot mill process control 修正老的遗传系数,修正后的系数存储起来作为 下一次遗传的基础。遗传系数由后计算分成材料 相关和机架相关的两个部分,它们和材料及厚度 有关的数据一起存放在外存的长时遗传文件中。 由于2050所用的模型都是依据SMS的生产 经验简化了的模型,为了与现场生产实际相一致, 故采用了自适应的方式不断修正模型系数,使模 型精度提高。道次计划自适应的目的是,根据道 次后计算得到的实际值和预设定值之间的差别进 行自适应学习计算,获得全局自适应系数以修正 下一块带钢的轧制参数,调整由于模型计算带来 的误差。道次计划自适应一开始必须确定当前运 行带钢头部典型的实际值,以便于计算全局自适 应系数。为此,道次计划自适应采用前3个带钢 段的测量结果的平均值参与模型计算,这些平均 值是在后计算中计算的,而不是在自适应中进行 的。 3 精轧厚度控制相关模型原理和计算方法 下面通过各机架相对化厚度压下的确定、 轧 制力的设定计算与修正以及辊缝的设定计算与修 正三个部分对2050热轧精轧厚度控制具体方法 进行介绍。 3.1 各机架相对化厚度压下的确定 各机架相对化厚度压下的确定是精轧厚度控 制的基础。由于在精轧设定模型的初始条件中给 出了粗轧带钢的厚度以及精轧带钢的设定厚度, 所以在整个精轧区的厚度压下要保持固定。而分 配在活动机架的整个压下有许多可能性,但都要 限制不能超出机械、 电气的轧制工艺极限参数。 因此,2050精轧预设定模型在考虑厚度压下分配 时必须给出另外的指示,这些附加的指示包含在 负荷规程中。 原则上允许以下的负荷规程 1负荷值为相对压下入口厚度与出口厚度 的差对于入口厚度的比率 ; 2负荷值为相对轧制功率实际轧制功率对 机架的额定功率的比率 ; 3负荷值为相对轧制力机架的实际轧制力 对最大轧制力的比率。 这些负荷标识参数并非相互独立的,负荷值 能够通过这三个标识中的一个来进行清楚的定 42 宝 钢 技 术 2003年第1期 义。2050精轧预设定模型根据这些负荷值计算 各个机架的相对压下,这中间存在一个问题,即在 用计算的相对压下和粗轧带钢厚度来确定精轧带 钢的厚度时,这些预确定的负荷值显然不可能精 确地适合各个机架,并不能保证根据这些负荷值 的相对压下直接满足目标厚度。为了解决这个问 题,在2050精轧预设定模型中用一个相对化过程 来计算相对压下,即厚度压下过程的相对化。 相对负荷规程仅仅决定一个机架的单独变形 对机架组总变形的相对值,而绝对负荷规程决定 的是机架在精轧区中总变形过程中的分担。 在相对化过程中,2050精轧预设定模型确定 一个公共的 “相对化因子”XRK,用相对化因子对 相应机架进行比例放大或比例缩小,而关于这些 机架的相对压下的关系保持不变。 相对化因子XRK采用如下公式计算 XRK { - K BXS1 [ K B XS1 2 4 K AXS2]1/ 2}/ 2K A XS2 1⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 式中,XS1 ∑ IREL EPS i ; XS2 ∑ IREL EPS i 2 ; K A ,K B为相关模型参数; IREL为可相对化的机架; EPS为相对压下率; i为机架号。 由计算出的XRK即可用下式计算出第一次 相对化后的精轧带钢厚度 RDB′ RVBD∏ IABS[1 - EPS i ] ∏ IREL [1 - XRK EPS i ] 2⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 式中,RDB′ 终轧带钢厚度,mm; RVBD 粗轧带钢厚度,mm; IABS 绝对机架。 RDB′ 通常与厚度的设定值有一个不太大的 偏差,这是因为计算XRK时采用了近似表达式, 但这一偏差将在第二次相对化过程中作进一步消 除。即经过相对化后的压下率为 EPS′i XRK EPS i3⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 而再次进行相对化后的结果通过下式进行修正 EPS″i EPS′i1 - XC4⋯⋯⋯⋯⋯ 其中 XC ln RBD RBD′ ∑ IREL j 1 EPS′j 1 - EPS′j 经过两次相对化后的带钢出口厚度为RBD″ 。 这时总的相对化因子R为 R XRK1 - XC 通过两次相对化计算后各个具有相对化负荷 规程机架的相对压下量EPS″ 就由4式确定了。 在带钢出F7机架后进行道次计划自适应,计 算入口厚度修正值,供下一块带钢预计算时使用 RKHKi RKHKi [NMMHE i 1 - RHEi 1 ] 5⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 式中,RKHKi 出口厚度修正值,mm; NMMHEi 1 机架入口厚度平均值 , mm; RHEi 1 机架入口厚度 ,mm。 这样,根据相对化计算以及自适应提供的入 口厚度修正值,道次计划预计算就可以较为合理 地计算出带钢在各个机架的入口厚度了。 3.2 轧制力的设定计算与修正 轧制压力的计算采用的是材料硬度及压下率 的乘积。在技术文献上可以看到硬度是一个固 体对于另一个固体侵入其表面的抵抗。为了对材 料测试,人们定义了许多不同的硬度即压入强 度、 冲击强度、 划浪硬度等 , 许多金属的压入强度 可以通过BRISSELL硬度实验求得和拉伸强度 时间存在着密切的联系。Siemens在道次计划计 算中所采用的材料硬度,与技术文献中所使用的 延展性和强度的定义毫无关系。这里材料硬度的 计算采用了Siemens发展起来的公式。 在2050精轧预计算模型中,把材料硬度用作 压下率 EPS i和轧制力 WK i间的比例因子。 在第i机架,轧制力 WK i表示为 WK i RMHi EPS i6⋯⋯⋯⋯⋯ 其中 RMHi RMHOAi PSI iRKFKi RK ALF7⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 上式中 PSI i考虑轧辊压扁对轧制力的影 响,并借助机架、 材料的自适应系数RKFKi和 RK ALF,让公式6能与工作点相适应。其中,实 际材料的性质由下式描述 RMHOAi XWZi XTWiXHWi GR i GRBi VBB8⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 式中,XWZ i 是在第i机架处的高温强度,它受 52叶红卫 宝钢2050热轧过程厚度控制技术 张力影响而被修正; XTWi是温度对材料硬度 的影响;VBB是带钢宽度 ;GR i 是第i机架轧辊 半径;GRB i 是第i机架标准半径。 厚度的影响XHW用HORNER函数描述为 XHWi KHW5 HE i 5 KHW4 HE i 4 KHW3 HE i 3 KHW2 HE i 2 KHW1 HE i KHW09⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 式中,KHW1～KHW5为常数系数; HE i 为第i 机架的入口厚度。 F1、F2、F3咬钢后,带钢每经过一个机架后可 测得实际轧制力和辊缝,入口修正根据实际值轧 制力与预计算轧制力的偏差来计算对后续机架的 轧制力修正系数该系数对后续机架的轧制力起 着放大或缩小的作用 , 并重新设定后续机架的轧 制力。 入口修正新的设定轧制力为 RdsuiRikFi10⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 式中,Rdsui 经过前三机架入口修正后的第i 机架的轧制力设定值; Ri 第i机架的预计算轧制力 i 1,2, ⋯,7 ; kFi 带钢经过前三个机架的轧制力修正 系数。 带钢前三段到达F7机架后面的测量点后,后 计算根据采集的实测值计算轧制力遗传系数,并 写入遗传系数文件,供下一块带钢预计算轧制力 时取用。 轧制力遗传系数机架相关的计算公式如 下 NMKFKi NNKFKi / XMFW 11⋯⋯⋯ 式中,NNKFKi为后计算本块带钢的机架相关轧 制力遗传系数,NNKFKi 上次相关轧制力遗传 系数 XV实际轧制力/后计算轧制力-上次 相关轧制力遗传系数 ; XV为比例系数; XMFW为平均机架相关轧制力遗传系数。 轧制力遗传系数材料相关的计算公式 NMK ALF NNK ALFXMFW12⋯⋯⋯⋯ 式中,NMK ALF 本次材料相关遗传系数; NNK ALF 上次材料相关遗传系数; XMFW 平均机架相关轧制力遗传系数。 3.3 辊缝的设定计算与修正 辊缝设定是带钢厚度控制的最直接的工艺参 数,辊缝设定不准确,就无法得到高质量的厚度精 度。根据经典的弹跳方程,就可以得到辊缝的计 算公式如下 RSISO RHEISO 1 - XHZ RCGRISO [RFRUEISO - KGRFBISO ] RS0KISO RKSKISO RKS0KISO LAUFXCS0KTISO XCS0K AISO XTHCOR13⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 式中,RS 压下位置; RHE 本机架的出口厚度; RCGR 弯辊模数; XHZ 弹跳; RFRUE 弯辊力板形计算机计算 ; KGRFB 基本凸度值; RS0K 压下0点; RKSK 压下修正; RKS0K 零点修正,后计算进行计算; LAUF 油膜补偿,查表可得; XCS0KT 温度对压下0点的影响 ; 板形 计算机计算 XCS0K A 轧辊磨损对0点压下的影响; XTHCOR 0段的厚度修正没有换规时 使用,换规取 0 。 F1、F2、F3机架咬钢后,入口修正中新的辊缝 设定是在对预计算的辊缝基础上,根据新的轧制 力进行修正,用下式表示 RScorrFiRSpre - calc - Rdsui-RiMFi 14 ⋯⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 式中, RScorrFi 第i机架入口后计算的辊缝; RSpre - calc 第i机架预计算辊缝; MFi 第i机架模数; Rdsui 修正的设定轧制力; Ri 预计算的设定轧制力。 带钢前三段到达F7机架后面的测量点后,实 测值采集启动后计算对各机架零点修正计算,用 于下一块带钢的辊缝预计算。 XV i KVASO 1 KVBSON 2 HEG V i N 2 HEV i 1 NK OSK iNK OSK iXv i[ NHEG i 1- NHE i 1]15⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 62 宝 钢 技 术 2003年第1期 式中,XV i 为第i机架零点修正的自适应因子; KVASO为最大阻尼因子; KVBSO为全局可信度加强因子; NHEGi 1为第i机架出口厚度计算值, mm; NHE i 为第i机架出口厚度的再计算值, mm; NHEG Vi为出口厚度的可信度值; NHEVi为出口厚度再计算值的可信度值; NK OSK i 为第i机架的零点修正,mm。 值得注意的是如果XVi[NNEGi 1 - NHEi 1 ]超过某一极限值,则不进行零点修 正,NK OSKi保持不变。 整个带钢出F7机架后,道次计划自适应程序 被后计算激活,并根据如下公式计算压下修正值, 供下一块带钢辊缝预计算时使用 RKSKIDI NMMSIDI - RSIDI16⋯ 式中,RKSKIDI 压下修正; NMMSIDI 带钢头部压下位置平均值; RSIDI 机架压下位置。 4 模型应用情况 以上模型在过去的生产中投入率为100 , 目前精轧产品厚度偏差在 50μm之内的占生产 总量的96.5 ,效果良好,因此,在2050热轧过程 机改造中基本使用了上述厚度控制模型。但是对 于模型使用的参数将重新进行调整和标定,对于 原有模型不合理的设计也进行了适当的改进,例 如原来模型中,F1、F2、F3机架咬钢后,入口修正 中新的辊缝设定是在对预计算的辊缝基础上根据 新的轧制力进行三次修正和设定,造成了生产过 程的不稳定。改造中将采用三次计算后,按加权 平均方法计算实际值,然后再进行放大修正,从而 减少因设定修正造成穿带的波动。目前这部分厚 度控制模型的程序编制工作已经完成,即将进入 调试阶段,预计2003年5月投入生产运行。 编辑 马凯利 改稿日期2002 - 09 - 28 上接第4页 3 安齐荣尚,安藤贞一,重住忠义et al1 连续铸造铸片间 の 溶融 流入润滑机构 1 制铁研究,1987;32430 4 堤康一,村上信一,多田光宏et al1 连续铸造 における 消费量 の 评价 1 铁 と 钢,1998;84617 5 浅井滋生 1 电磁气冶金 の 诞生 と 最近 の 动向 1 第129130回 西山记念技术讲座,东京,日本铁钢协会,198965 6 鹫见郁宏,佐 々 健介,浅井滋生.连铸铸片 の表面性状 におよ ぼす 磁气压力 の 效果 に 关 する 实验 と理论解析.铁 と 钢,1992;78447 7 Li T,Sassa K,Asai S. Surface Quality Improvement of Continuously Cast Metals by Imposing Intermittent High Frequency Magnetic Field and Synchronizing the Field with Mold Oscillation. ISIJ int. ,1996; 36353 8 Y- W. Cho , Y- J. Oh ,S - H. Chunget al1Mechanism of Surface Quality Improvement in Continuous Cast Slab with Rectangular Cold Crucible Mold. ISIJ Int. ,1998;38723 9 吉田政弘 1 电磁铸造法 の 现状 と 将来.铁 と 钢,1987;73403 10 周月明,佐 々 健介,浅井滋生.连铸过程中间歇式高频磁场代 替结晶器机械振动的可行性实验研究.金属学报,2001;37 776 11 Li T,Sassa K,Asai S. Study of Meniscus Behavior and Surface Prop2 erties during Casting in a High - Frequency Magnetic Field.Metallur2 gical and Materials Transactions B ,1995;26B353 12 李廷举,佐 々 健介,浅井滋生.间欠型高周波磁场 の 印加 およ び ˙ との同期印加 による连铸片表 面性状 の 改善.铁 と 钢,1996;82197 13 谷雅弘,田中纯,竹内荣一et al.室兰 ≥ ≤ 实机铸造试验 における 交流磁场 の 冶金效果,CAMP - ISIJ ,2000;13 815 14 渡部忠男 1 钢 の连续铸造法.第2版,大阪住友金属工业 株综合技术研究所,1996488 15 周月明,佐 々 健介,浅井滋生. ˙ 电磁铸造 における 基础 の 评价 1 铁 と 钢,2000;86446 编辑 刘宏娟 改稿日期2002 - 05 - 22 72叶红卫 宝钢2050热轧过程厚度控制技术