CN103949481A - 兼顾热轧带钢轧制稳定性和质量的平坦度分段控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种兼顾热轧带钢轧制稳定性和质量的平坦度分段控制方法。包括以下步骤：a）将热轧带钢全长分为四段，每段采用不同的平坦度目标控制策略；b）按照带钢成品宽厚比，确定第一段长度，第一段平坦度采用零目标控制；c）将第一段末尾到卷取机咬钢时精轧出口带钢位置作为第二段，第二段采用平坦度非零控制；d）将第二段末尾到精轧前飞剪切尾时精轧出口带钢位置作为第三段，第三段锁定第二段末尾的弯辊力，实施潜在的平坦度非零控制，且加大平坦度不良时弯辊反馈调节量；e）将第三段末尾到带钢尾部作为第四段，第四段平坦度采用零目标控制。可解决带钢穿带和抛尾时平坦度不良对轧制稳定性的影响，同时可预防带钢冷却到常温以后平坦度不良。

Description

兼顾热轧带钢轧制稳定性和质量的平坦度分段控制方法

 

技术领域：

本发明涉及一种热连轧带钢轧制工艺技术，具体指兼顾热轧带钢轧制稳定性和质量的平坦度分段控制方法。

背景技术：

热连轧带钢轧制流程示意图如图1所示，板坯经过加热炉加热到指定温度后出炉，经过粗轧前除鳞后进入粗轧机进行多道次往复轧制，轧制到一定的厚度后，经过热卷箱（或者保温罩）保温，飞剪切头，高压水除鳞，送入多机架精轧机组进行轧制，之后进入层流冷却输出辊道进行冷却，然后进入地下卷取机成卷。热轧带钢的轧制，特别是薄规格热轧带钢轧制一直是板带轧制的前沿技术，平坦度不但是其主要的质量控制指标，而且平坦度不良易造成薄规格带钢轧制不稳定，严重则导致废钢，进而影响生产的顺行。

平坦度控制系统作为板形控制系统的一部分，在热连轧带钢的运用已经比较成熟，主要分为平坦度设定控制系统和平坦度反馈控制系统，在精轧出口尚未检测到带钢平坦度前，主要采用设定控制系统所设定的弯辊力保证带钢平坦度达到目标值，当平坦度仪表检测到带钢平坦度后，依据平坦度检测值与目标值的偏差，实时调节弯辊力大小，使得带钢全长平坦度向目标值靠近，消除目标值与实测值的偏差，如图2所示为平坦度反馈控制系统。带钢进入到卷取机后，卷取机和轧机末机架建立张力，由于张力的影响，带钢可见浪形基本消失，此时平坦度反馈一般不再参与调节，轧机末机架锁定卷取建张前的弯辊力大小。

上述平坦度控制技术主要在精轧机组实现，目的是保证精轧轧后带钢浪形良好，但带钢轧后还经过层流冷却，卷取，空冷等一系列过程，由于初始横向温度不均、层冷边部冷却不均等影响，在开卷后容易造成双边浪，为此，对轧后目标进行补偿，即在轧制过程中轧出中间浪，通过冷却、卷取、空冷后，达到开卷无浪的效果，此方法目前也被广泛运用。

从目前所查的文献看，介绍平坦度控制系统的算法设计及通过设置平坦度非零目标进而改善成品浪形的报道较多，如文献1（热连轧机平坦度反馈控制系统的应用，钢铁，2006，Vol.41，No.2）中提到了平坦度反馈控制系统，全长采用单一的0-8IU的平坦度非零补偿，保证最终的浪形；专利1（热轧带钢中浪板形控制法，02133073.5）提出采用中浪目标控制最终平坦度；专利2（热轧带钢板形多元化交叉控制方法，200810079592.5）提出采用微中浪的目标值保证最终平坦度；专利3（中薄板坯连铸连轧板形综合控制方法，03111285.4）介绍了基于平坦度偏差的弯辊力反馈模型。但如上等众多公开报道的文献均未见有对带钢全长平坦度实施分段控制内容。

采用平坦度非零目标（如中浪，微中浪）补偿轧后冷却等对板形的影响是可行的，但是由于热轧带钢对轧制稳定性的要求高，特别是薄规格轧制，带钢头部进入轧机和仪表，以及尾部离开轧机时，有浪形则会产生如下问题：

1）薄带钢进入轧机前如果有浪形，带钢跳动、翘头或跑偏的几率大幅度增加，容易造成咬入失败，导致废钢。

2）薄带钢离开轧机末机架，如果存在中间浪，则头部容易在层流辊道上剧烈跳动，且头部上翘，导致卷取咬入困难，同时还影响仪表对头部厚度、宽度、温度的测量，干扰其他模型的正常设定计算。

3）带钢离开轧机时如果带有中间浪，则带钢很容易跑偏，导致甩尾和轧破，影响生产的稳定性。

为此，带钢全长均采用板形补偿策略虽然在一定程度上解决了轧后冷却对板形的影响，但带来了轧制稳定性的风险。

发明内容：

本发明内容为一种兼顾热轧带钢轧制稳定性和质量的平坦度分段控制方法，主要通过对热轧带钢全长进行分段，不同的分段采用不同的平坦度控制策略，保证板形质量的同时，提高薄规格带钢轧制头尾的稳定性，如图3所示。其主要步骤如下：

（a）把带钢全长分为4段，分别用头部长度计算方法、卷取咬钢信号、精轧飞剪切尾信号来确定分段关键点位置。

（b）带钢第一段长度及平坦度控制策略的确定。如图4所示，设带钢头部的控制长度为L ₁，当带钢头部离开精轧末机架时，在0-L ₁的带钢长度范围内，采用平直的方式控制浪形，即不采用任何补偿措施，带钢平坦度目标为零，减少浪形对卷取咬钢和厚度、宽度、温度仪表检测的影响。L ₁的长度确定和带钢的宽厚比有关，第一段长度L ₁的计算公式如下：

 （若，则）

其中：

L ₁：第一段带钢长度，m；

L _b：头部基准长度，和平坦度仪表的检测周期快慢有关。若仪表检测周期小于100ms，则取值可为25-30m，若仪表检测周期大于100ms，则取值可为30-45m；

B：带钢成品宽度，mm；

H：带钢成品厚度，mm；

L _g：精轧末机架到卷取机的距离，m。

（c）带钢第二段长度及平坦度控制策略的确定。精轧出口带钢长度累计达到L ₁时，开始进入第二段长度，当带钢头部进入卷取机时，卷取机有钢信号由OFF变为ON，此时精轧出口处带钢为第二段长度的末尾，第二段长度L ₂的计算公式如下：

 

其中：

L ₂：第二段带钢长度，m。

如图5所示，在这一长度内，平坦度非零值大小和热轧带钢成品宽度B与成品厚度H之间的比值有关，若500≤B/H，则平坦度非零目标取30IU；若300≤B/H<500，则平坦度非零目标取20IU；若B/H<300，则平坦度非零目标取10IU。

（d）带钢第三段长度及平坦度控制策略的确定。从第二段带钢长度末尾开始，到带钢尾部飞剪剪切信号为ON时，此时精轧出口处带钢位置记为第三段长度末尾，第三段长度L ₃的计算公式如下：

其中：

L ₃：第三段带钢长度，m；

v_s：末机架出口带钢速度，m/s；

t：时间，s；

T₁：卷取机咬入时刻，s；

T₂：精轧前飞剪切尾时刻，s。

如图6所示，在这一长度内，此时精轧末机架锁定第二段带钢末尾的弯辊力值，实施平坦度潜在的非零控制方式。但如果浪形过大，卷取张力不足以拉平带钢，平坦度仪表检测到第三段带钢出现可见非零平坦度偏差，则第三段带钢平坦度反馈功能弯辊调节量为第二段对应调节量的3.0倍。

（e）带钢第四段长度及平坦度控制策略的确定。从第三段末尾到带钢尾部定义为带钢第四段，第四段长度L ₄的计算公式如下：

其中：

L ₄：第四段带钢长度，m；

T₃：末机架抛钢时刻，s。

如图7所示，在这一长度内，弯辊力按带钢平坦度零目标进行控制，依据这一时刻的负荷大小以及轧辊状态重新计算弯辊力大小，保证抛钢的稳定性，减少因为中间浪轧制引起的轧破或甩尾。

附图说明：

图1 热轧带钢轧制流程示意图

图2 热轧平坦度反馈控制系统功能图

图3 热轧带钢平坦度分段控制示意图

图4 热轧带钢第一段长度L ₁示意图

图5 热轧带钢第二段长度L ₂示意图

图6 热轧带钢第三段长度L ₃示意图

图7 热轧带钢第四段长度L ₄示意图

具体实施方式：

现以某钢铁企业1780mm热连轧机为例说明平坦度分段控制方法的具体实施方式。该热连轧机精轧机组为7个机架，轧制钢种为Q235B，最终成品轧制厚度H=3.75mm，轧制宽度B=1260mm，精轧末机架到卷取机的距离L _g=95m。

（a）带钢第一段长度L ₁ 及平坦度控制策略

带钢头部长度L ₁平坦度控制采用平直的方法，通过设定各机架弯辊力大小，使得平坦度的目标值为0IU，依据平坦度仪表的响应特性，取L _b=30m，则L ₁的长度计算如下：

m

此计算长度小于精轧末机架到卷取机距离L _g的一半，所以确定带钢头部长度为42m。

在带钢头部长度到达平坦度仪表前，各机架弯辊力的大小采用过程控制计算机的弯辊力设定计算值。各机架弯辊力设定计算步骤如下：

1）获取带钢的精轧设定结果，如各个机架的厚度分配，轧制压力大小，带钢温度值等。

2）根据精轧末机架出口目标板形及机架间等比例凸度原则，确定精轧各个机架的出口和入口凸度大小。

3）根据工作辊和支持辊的温度计算轧辊热凸度大小。

4）计算工作辊和支持辊的磨损辊形。

5）根据工作辊和支持辊磨损辊形、热辊形，求得各自的综合辊形的特征值。

6）根据以上数据，求解各机架的弯辊力值。

如果忽略带钢轧后的弹性恢复，承载辊缝形状即为出口带钢的轮廓，各个机架的承载辊缝凸度计算模型可表示为：

 

上式中，C _h和C _H分别为带钢在某机架的出、入口凸度；h _out和H _in分别为各机架带钢出、入口厚度；η为凸度遗传系数，各机架取值不同；C _m为机械凸度，指不考虑来料凸度影响时利用力学模型计算出的负荷辊缝凸度。C _m的计算采用线性化模型，模型中各变量的影响系数通过有限元方法离线计算，然后经多元非线性回归得到，弯辊力模型的表达式如下：

式中，k _p为轧制力影响系数；P为轧制力设定值；k _f为弯辊力影响系数；B _f为弯辊力设定值；k _WC为工作辊中部辊形影响系数；C _WC为工作辊中部辊形特征值；k _WE为工作辊边部辊形影响系数；C _WE为工作辊边部辊形特征值；k _BC为支持辊中部辊形影响系数；C _BC为支持辊中部辊形特征值；k _BE为支持辊边部辊形影响系数；C _BE为支持辊边部辊形特征值；k _CWR为工作辊初始辊形影响系数；C _CWR为工作辊初始辊形特征值；C _const为常数项，其值与机架间凸度分配策略以及自学习有关。

采用如上公式，可得到各个机架的弯辊力设定值，如下表1所示。

各机架弯辊力的大小采用上述弯辊力设定值，可在带钢头部长度到达平坦度仪表前获得良好平坦度，确保穿带稳定性。当平坦度仪检测到信号时，则启动平坦度闭环反馈控制，根据实测平坦度大小对弯辊力进行调整。

表1 第一段弯辊设定计算中间过程值

	F1	F2	F3	F4	F5	F7	F7
								H in (mm)	35.02	21.24	13.52	9.29	6.85	5.33	4.36
h out (mm)	21.24	13.52	9.29	6.85	5.33	4.36	3.75
								η(-)	0.11	0.15	0.21	0.28	0.37	0.41	0.44
C H (μm)	369	224	143	98	72	56	46
								C h (μm)	224	143	98	72	56	46	40
C m (μm)	224.02	143.07	97.93	71.9	55.99	46.13	40.34
								P (kN)	22400	22070	17200	15000	11350	10480	9030
k p (μm/kN)	0.0046	0.0041	0.0041	0.0041	0.0059	0.006	0.0058
								B f  (kN)	652.38	611.44	659.11	695.72	510.37	487.74	657.61
k f (μm/kN)	-0.0786	-0.0542	-0.0482	-0.0575	-0.1126	-0.1141	-0.1093
								C WC (μm)	65	46	41	12	14	11	9
k WC(-)	-0.106	-0.115	-0.115	-0.131	-0.137	-0.133	-0.137
								C WE (μm)	168	156	128	85	39	26	12
k WE(-)	-0.102	-0.093	-0.091	-0.092	-0.118	-0.12	-0.116
								C BC (μm)	0	0	-1	-1	-2	-2	-2
k BC(-)	0.008	0.005	0.003	0.004	0.008	0.008	0.008
								C BE (μm)	-1	-2	-11	-18	-23	-24	-27
k BE(-)	-0.146	-0.103	-0.069	-0.082	-0.123	-0.125	-0.117
								C CWR (μm)	-271	-235	-187	-112	-100	-100	-125
k CWR(-)	-0.447	-0.249	-0.278	-0.302	-0.366	-0.368	-0.361
								C cons t(μm)	75	46.8	22.8	24.5	13.6	3.7	14.2

   在平坦度控制系统中，使用的是数字PID控制器，数字PID控制算法形式为：

上述式中：

：末机架第k个控制周期末时刻弯辊力修正量的计算值，kN。当末机架不空过时，i=7，否则i=6。

e(k)：第k个控制周期平坦度的偏差值，IU。Flat(k)为本周期平坦度实测值，Flat _Aim为平坦度目标值，则e(k)= Flat _Aim- Flat(k)。

e(k-1)：第(k-1)个控制周期平坦度的偏差值，IU。其计算同e(k)；

k：控制周期序号，k＝1，2，…；

K _P：比例系数，其值来自过程控制计算机；

K _I：积分系数，其值来自过程控制计算机；

K _D：微分系数，其值来自过程控制计算机；

K _F：弯辊力对平坦度影响系数，单位IU/kN，其值来自过程控制计算机；

例如，对于本段第7个检测周期，实测Flat(7) =15IU，平坦度目标Flat _Aim=0，系数K _P =0.8，K _I =0.1，K _D =0.3，K _F =0.5517，上一周期的积分项=-173，上一周期的平坦度偏差e(6)=-18，可以得到：

本周期的平坦度偏差：

积分项：

微分项：

弯辊力修正量：

末机架弯辊力大小调整为：

其中，B_f为末机架弯辊力设定值。

（b）带钢第二段长度L ₂ 平坦度控制策略

带钢第二段长度L ₂平坦度控制采用微中浪控制方法，由于目标厚度为3.0mm，设定平坦度的目标值为10IU。平坦度反馈的PID控制算法同第一阶段。

例如，对于本段第4个检测周期，实测Flat(7) =3IU，平坦度目标Flat _Aim=10，系数K _P =0.8，K _I =0.1，K _D =0.3，K _F =0.5517，上一周期的积分项=19，上一周期的平坦度偏差e(3)=9，可以得到：

本周期的平坦度偏差：

积分项：

微分项：

弯辊力修正量：

末机架弯辊力大小调整为：

（c）带钢第三段长度L ₃ 平坦度控制策略

带钢进入卷取机后，由于张力的建立，可见浪形消失，此时保持第二段长度的弯辊力，若在第三段轧制过程中，仍有可见浪形，则继续按照第二阶段的方法进行闭环控制，但此时，调节系数放大为原来的3.0倍，即采用如下的弯辊力计算方式：

例如，对于本段第9个检测周期，实测Flat(9) =17IU，平坦度目标Flat _Aim=10，系数K _P =0.8，K _I =0.1，K _D =0.3，K _F =0.5517，上一周期的积分项=-7，上一周期的平坦度偏差e(8)=-2，以及第二段末的弯辊力大小锁定值B _{f_LOCK}=680kN,可以得到：

本周期的平坦度偏差：

积分项：

微分项：

弯辊力修正量：

末机架弯辊力大小调整为：

（d）带钢第四段长度L ₄平坦度控制策略

飞剪切尾完成后，按照第一段的弯辊力计算方法，重新计算此时保证板形平直的弯辊力大小，并进行设定下发。但在计算时，由于尾部温度与头部有差别，轧制力P不再沿用头部设定值，而取用尾部的轧制力实测值平均值；由于轧辊热膨胀和磨损导致综合辊形的变化，辊形参数C _WC（工作辊中部辊形特征值）、C _WE（工作辊边部辊形特征值）、C _BC（支持辊中部辊形特征值）、C _BE（支持辊边部辊形特征值）取用相应计算模块的更新值。继续采用第一阶段的公式，可得到第四段各个机架的弯辊力设定值，如下表2所示：

表2 第四段弯辊设定计算中间过程值

	F1	F2	F3	F4	F5	F7	F7
								H in (mm)	35.02	21.24	13.52	9.29	6.85	5.33	4.36
h out (mm)	21.24	13.52	9.29	6.85	5.33	4.36	3.75
								η(-)	0.11	0.15	0.21	0.28	0.37	0.41	0.44
C H (μm)	369	224	143	98	72	56	46
								C h (μm)	224	143	98	72	56	46	40
C m (μm)	224.02	143.07	97.93	71.9	55.99	46.13	40.34
								P (kN)	20100	21950	15200	13100	9550	10480	7840
k p (μm/kN)	0.0046	0.0041	0.0041	0.0041	0.0059	0.006	0.0058
								B f  (kN)	509.73	590.04	475.66	547.93	409.09	482.14	588.58
k f (μm/kN)	-0.0786	-0.0542	-0.0482	-0.0575	-0.1126	-0.1141	-0.1093
								C WC (μm)	70	51	45	16	18	14	12
k WC(-)	-0.106	-0.115	-0.115	-0.131	-0.137	-0.133	-0.137
								C WE (μm)	169	157	130	87	41	28	14
k WE(-)	-0.102	-0.093	-0.091	-0.092	-0.118	-0.12	-0.116
								C BC (μm)	0	0	-1	-1	-2	-2	-2
k BC(-)	0.008	0.005	0.003	0.004	0.008	0.008	0.008
								C BE (μm)	-1	-2	-11	-18	-23	-24	-27
k BE(-)	-0.146	-0.103	-0.069	-0.082	-0.123	-0.125	-0.117
								C CWR (μm)	-271	-235	-187	-112	-100	-100	-125
k CWR(-)	-0.447	-0.249	-0.278	-0.302	-0.366	-0.368	-0.361
								C cons (μm)	75	46.8	22.8	24.5	13.6	3.7	14.2

各机架弯辊力的大小采用上述弯辊力设定值，可在带钢尾部获得良好平坦度，保证抛钢的稳定性，减少轧破或甩尾风险。

（e）实施效果

从轧制稳定性和板形质量两方面进行考察，评价本发明控制方法的实施效果。基于市场反馈的质量异议，筛选出其中的板形质量异议数据，将本发明控制方法实施后连续6个月每个月的板形质量异议吨位与实施前6个月的平均值进行比较，即：质量异议下降=[（实施前6个月平均值-实施后每个月质量异议）]/实施前6个月平均值×100%，本发明控制方法实施后，板形质量异议半年内下降均值为16.50%。用同样的方法，统计因带钢跳动、翘头、跑偏或甩尾等板形问题造成的废钢率，半年内下降均值为34.83%。说明本发明所述方法能在保证板形质量的同时，提高薄规格带钢轧制头尾的稳定性。

Claims (6)

1.一种兼顾热轧带钢轧制稳定性和质量的平坦度分段控制方法，其特征在于：所述方法包含以下步骤：

a）将热轧带钢全长分为四段，每段采用不同的平坦度控制目标；

b）按照带钢成品的宽厚比，确定第一段带钢的长度，带钢在进入精轧各机架前，各机架的弯辊力以平坦度零目标为依据进行计算，热轧带钢出了精轧末机架后，如果实测平坦度和零目标有偏差，通过平坦度反馈功能调节末机架弯辊力，保证第一段带钢达到所设定的平坦度零值；

c）将第一段末尾到卷取机咬钢时精轧出口带钢位置作为第二段长度，第二段采用平坦度非零控制方式，通过平坦度反馈功能控制调节末机架弯辊力，保证第二段带钢达到所设定的平坦度非零值；

d）将第二段末尾到精轧前飞剪切尾时精轧出口带钢位置作为第三段长度，第三段带钢轧制过程中，末机架锁定第二段带钢末尾的弯辊力值，实施潜在的平坦度非零控制方式，且加大第三段带钢平坦度不良时平坦度反馈功能末机架弯辊调节量；

e）将第三段末尾到带钢全长尾部作为第四段长度，第四段带钢平坦度采用零目标控制方式，按照平坦度零目标及当时轧辊和负荷状态计算各机架弯辊力。

2.根据权利要求1所述的一种兼顾热轧带钢轧制稳定性和质量的平坦度分段控制方法，其特征在于：步骤b）中，第一段的长度确定如下：

 （若，则）

其中：

L ₁：第一段带钢长度，m；

L _b：头部基准长度，和平坦度仪表的检测周期快慢有关;

若仪表检测周期小于100ms，则取值可为25-30m，若仪表检测周期大于100ms，则取值可为30-45m；

B：带钢成品宽度，mm；

H：带钢成品厚度，mm；

L _g：精轧末机架到卷取机的距离，m。

3.根据权利要求1所述的一种兼顾热轧带钢轧制稳定性和质量的平坦度分段控制方法，其特征在于：步骤c）中，第二段的长度确定如下：

 

其中：

L ₂：第二段带钢长度，m。

4.根据权利要求1所述的一种兼顾热轧带钢轧制稳定性和质量的平坦度分段控制方法，其特征在于：步骤d）中，第三段的长度确定如下：

其中：

L ₃：第三段带钢长度，m；

v_s：末机架出口带钢速度，m/s；

t：时间，s；

T₁：卷取机咬入时刻，s；

T₂：精轧前飞剪切尾时刻，s。

5.根据权利要求1所述的一种兼顾热轧带钢轧制稳定性和质量的平坦度分段控制方法，其特征在于：步骤e）中，第四段的长度确定如下：

其中：

L ₄：第四段带钢长度，m；

T₃：末机架抛钢时刻，s。

6.根据权利要求1所述的一种兼顾热轧带钢轧制稳定性和质量的平坦度分段控制方法，其特征在于：步骤d）中，卷取建立张力以后，可见平坦度缺陷通常消失，平坦度仪表检测值为零，此时精轧末机架锁定第二段带钢末尾的弯辊力值，实施平坦度潜在的非零控制方式;

但如果浪形过大，卷取张力不足以拉平带钢，第三段带钢出现可见的非零平坦度偏差，则第三段带钢平坦度反馈功能弯辊调节量为第二段对应调节量的3.0倍。