熱軋帶鋼板形設定控制在萊鋼的研究與應用

趙 波

（山鋼股份萊蕪分公司 自動化部，山東 萊蕪 271104）

0 引言

衡量熱軋帶鋼工藝水平和產品質量的一個重要指標就是板形。成材率的提高需要良好的板形，因此在實際的軋鋼生產中尤為迫切和重要的是提高熱軋帶鋼的平直度、板凸度、邊部減薄等橫斷面指標。

過程自動化控制系統負責板形的設定計算，包括竄輥設定、彎輥力設定和彎輥力自學習，其主要任務是根據精軋設定的計算結果來設定計算各機架工作輥的竄輥量和彎輥力的大小。基礎自動化控制系統負責按照凸度和平直度設定要求、軋輥均勻磨損要求等接收過程自動化控制系統下達的竄輥位置指令和彎輥力指令，控制液壓執行機構動作到位，進行竄輥位置APC（自動位置控制）控制。同時，自動控制系統還有彎輥力前饋調節、板形板厚解耦控制等功能。

1 板形設定控制

板形控制在精軋區域執行，它既可以在基礎自動化控制系統（簡稱L1）中完成，也可以在過程自動化控制系統（簡稱L2）中完成，也可在人機界面接口（簡稱HMI）上由操作工選擇。L1為半自動狀態時，在HMI輸入工作輥的竄輥量和彎輥力的設定值；L2為自動狀態時，由板形設定模型根據精軋設定模型的計算結果來計算F1～F6機架工作輥竄輥的位置以及彎輥力的大小，并將設定值傳送給一級系統。軋制每卷帶鋼可進行1～2次設定計算。精軋區域主體設備簡圖如圖1所示。

為保證帶鋼頭部的凸度目標值和精軋機下游各機架比例凸度就需要板形設定控制，從而達到控制帶鋼平坦度目標值的目的。板形設定控制在整個板形控制中起著非常重要的作用，它直接決定帶鋼頭部的板形控制精度，又能夠作為板形反饋控制的起點來影響反饋控制的效果。板形設定分為工作輥竄輥設定和工作輥彎輥設定，每次板形設定需經過以下幾個過程：①讀入各設定已知參數，即數據準備，包括對讀入數據的初步處理；②計算工作輥的綜合輥形，包括初始輥形、熱輥形和磨損輥形；③計算支持輥的綜合輥形，包括初始輥形、熱輥形和磨損輥形；④工作輥竄輥位置的設定計算；⑤根據來料凸度及平坦度、目標凸度和目標平坦度，考慮板形良好條件，計算各機架的入口凸度及平坦度、出口凸度及平坦度，設定F1～F6各機架的彎輥力大小；⑥各機架設定的彎輥力優化，以保證精軋出口目標凸度和平坦度，同時改善機架間帶鋼的板形；⑦數據輸出及存儲。

圖1 精軋區域主體設備簡圖

2 板形設定控制的詳細過程

2.1 數據準備

數據準備模塊主要完成SSU（板形設定模型）所需數據的初始化、從HMI和其他功能（如FSU）讀取所需數據及一些相關的實測數據以及從其他文件讀取板形設定計算所需數據。

2.2 工作輥綜合輥形的設定

2.2.1 工作輥綜合輥形的設置

初始輥形設置就是指計算磨削輥形參數、磨損輥形參數、熱輥形參數和將三者結合及作出相對應的計算處理，得到能應用于彎輥設定的工作輥綜合輥形的數值。工作輥的輥形在工作輥初始輥形計算中起著重要的作用，工作輥的磨損和熱脹是熱軋的一個顯著特點，也是影響板形最主要的兩個干擾因素。磨損輥形計算模型和熱輥形計算模型是板形設定的兩個基礎模型，也是提高板形設定精度的重要因素。由于軋制過程中影響工作輥磨損的因素很多，且各因素多具時變性，因此只能考慮影響磨損的主要因素，通過大量的現場實測來評估模型參數，從而計算出符合現場的工作輥磨損計算模型參數。工作輥熱輥形的計算同樣復雜，而且不好直接驗證，為提高計算的速度并且同時保證計算精度，在合理處理好邊界條件的基礎上，選用二維差分法來計算軋鋼過程中任意時刻的熱輥形。

2.2.2 計算支撐輥綜合輥形參數

支撐輥綜合輥形參數的計算包括磨削輥形的計算方法、磨損輥形的計算方法、熱輥形的計算方法以及將三者合并且作出相應的等效處理。能應用于彎輥設定的支撐輥綜合輥形的特征參數計算公式如下：

其中：CBS（x）為支撐輥綜合輥形；CBG（x）為支撐輥初始輥形；CBW（x）為支撐輥磨損輥形；CBT（x）為支撐輥熱輥形。

2.3 設定工作輥竄輥參數

F1～F6工作輥竄輥位置的設定計算取決于工作輥竄輥設定。對于普通輥形的工作輥，竄輥的設定對象是以軋鋼過程中每個鋼坯為單位，根據軋制規格選擇適合的工作輥竄動量的設定（包括工作竄輥步長的設定、工作竄輥模式的設定、工作竄輥頻率的設定和工作竄輥行程的設定等），F1～F6機架工作輥的竄輥量或竄輥位置的設置需要在帶鋼進入精軋機前計算出。

竄輥數值的設定計算主要根據軋鋼情況和竄輥的設置，對F1～F6機架的工作輥的竄輥位置進行設置計算，能有效改善軋輥輥面的不均勻磨損，從而實現自由規程軋制的目的。竄輥設定模型的計算結果具體體現為F1～F6機架上工作輥的軸向竄動數值，“＋”代表向操作側竄動，“－”代表向傳動側竄動，下工作輥的軸向竄動與上工作輥的軸向數值相同但是方向相反，上下工作輥軸向竄動是以軋制中心線作為標定零點。

2.4 計算彎輥力模型系數

彎輥力模型系數包括帶鋼竄輥量、支撐輥輥徑、軋機的軋制壓力、導衛的設定寬度、工作輥輥徑的選擇和工作輥輥形的打磨等。大量的離線計算采用有限元離線模型來進行，然后對結果進行回歸分析整理，從而計算出在線彎輥力模型系數的公式。進行彎輥力設定計算時，需要引入各種計算參數，就可得出F1～F6機架彎輥力模型系數，包括彎輥力、軋制壓力、支撐輥輥身邊部輥形、支撐輥輥身中部輥形、工作輥輥身中部輥形、工作輥輥身邊部輥形的影響系數和常數項等。

2.5 計算機架間帶鋼平坦度和凸度

依據等比例凸度的原則，根據目標精軋出口預期凸度和預期平坦度，從F6機架開始往前推計算出各機架出口預期凸度和預期平坦度。

2.6 計算F1～F6機架彎輥力

由彎輥力計算模型和機架入口和出口的凸度、平坦度計算模型，按照彎輥設定策略，根據各機架出口帶鋼目標凸度和平坦度，自F1機架開始往后計算出各機架所需彎輥力。進行F1～F6機架的彎輥力大小設定計算時，當所需要計算設置機架的工作輥為帶特殊

其中：BFN為彎輥力設定計算值；Cm為帶鋼機械凸度；RFS為軋制力設定值；CWE為工作輥輥身邊部的綜合輥形；CBE為支撐輥輥身邊部的綜合輥形；CWR為工作輥初始輥形；CWC為工作輥輥身中部的綜合輥形；kRF為軋制力影響系數；CBC為支撐輥輥身中部的綜合輥形；kCST為常量系數；kBC為支撐輥中部輥形影響系數；kWC為工作輥中部輥形影響系數；kBF為彎輥力影響系數；kCWR為工作輥初始輥形影響系數；kWE為工作輥邊部輥形影響系數；kBE為支撐輥邊部輥形影響系數。

2.7 優化機架彎輥力

正常情況，精軋出口帶鋼的目標凸度是固定值，控制偏差是允許存在的，即精軋出口帶鋼凸度控制在CRAIM±CRDET范圍內均可（其中，CRDET為凸度偏差，CRAIM為目標凸度）。在F1～F6機架彎輥力的設定計算中，對于特殊工況下，將精軋出口的目標平坦度和目標凸度都準確地保持在一個值上是有很大難度的，盡管能滿足板形良好準則，但有時不能保證機架間平坦度。所以在將精軋出口凸度控制在合理偏差范圍內的前提下，各機架彎輥力或竄輥量是可以依次改變的，以有效降低F1～F6機架間的帶鋼寬度方向的不均勻延伸。我們采用的優化計算方法是簡單的登山法，目標函數是F1～F6機架出口平坦度的加權之和，出口平坦度的權值越大，代表機架越往后。

3 輸出數據和存儲板形數據的設定

板形設定計算完畢后需要將計算結果輸出并且保存，同時為便于離線分析，需將一些設定計算結果及相應的工況參數保存，包括各機架軋制壓力設定值；各機架彎輥力設定計算值；各機架竄輥設定值SFTS；各機架工作輥輥身中部輥形；各機架工作輥輥身邊部輥形；各機架支撐輥輥身中部輥形；各機架支撐輥輥身邊部輥形；各機架出口凸度計算值；各機架入口凸度計算值；各機架入口平坦度計算值；各機架出口平坦度計算值。

4 應用效果

本文通過對熱軋帶鋼板形設定控制進行深入的研究，在掌握設定詳細過程的基礎上投入現場應用，取得明顯的效果。本板形設定應用極大地提高了板形的控制精度，使帶鋼成品的板形得到有效改善。該系統的各項性能指標領先于國內水平，客戶對帶鋼板形的控制精度的要求得到了滿足。曲線的輥型時，應給彎輥力設定一合力的數值，然后設定所計算機架工作輥竄輥的位置。等竄輥位置確定后，再計算出該機架所需彎輥力的大小數值。當彎輥力正負超限時，還要根據軋制情況按一定的控制策略來調整上一機架彎輥力的設定大小。其計算模型如下：

［1］丁修堃.軋制過程自動化［M］.第3版.北京：冶金工業出版社，2009.

［2］王國棟.板形控制和理論［M］.北京：冶金工業出版社，1993.