热轧带钢轧制过程中的厚度波动问题的控制技术

热轧带钢轧制过程中的厚度波动问题的控制技术钢铁工业作为一个国家的支柱产业之一,在生产和生活的各个领域中始终扮演着重要的角色。钢铁在我们的生活中已经无处不在。一个国家钢铁工业的规模和水平在一定程度上反映了这个国家的科技水平和经济实力。因此,世界各国都在大力提高本国的钢铁工业的规模和科技含量。在钢铁生产中,带钢是一类重要的产品。热轧带钢是重要的工业原料,广泛应用于汽车、电机、化工、机械制造、建筑、造船等工业部门。热乳带钢不仅能够作为薄板和中板直接进行使用,同时大量的热轧带钢以钢卷状态供给冷轧机以作为冷轧板、燥管和冷弯型钢生产的原材料,因此在板带产品中占据重要的地位。热轧带钢产品用途十分广泛,并且热轧带钢车间投资少、见效快,同时热轧带钢在我国是一项比较成熟的金属压力加工技术,轧制工艺及电控要求都较为简单，热轧带钢生产的特点是高产量和高效益,因此很多中小企业新建或改造的生产线大多是热轧带钢生产线,这促使了带钢热连轧生产线的普遍建设,热轧带钢生产线已经成为钢铁企业摆脱困境,增加经济效益的首选建设项目。热轧带钢的生产工艺过程包含了多道工序,其中每一道工序都必需按一定的方式工作,互相协调,才能轧制出合格的产品。热轧带钢的生产的基本工艺流程如下图一热轧带钢的生产的基本工艺流程带钢热连轧机于1924年在美国阿斯兰问世以来,热连轧带钢生产技术已经有80多年的历史,热连轧机的发展亦已经过了三代,主要技术指标概况见下表。图二带钢热连轧机主要技术指标上世纪60年以前建设的热带钢轧机,被称为第一代热带钢轨机。这个阶段热带钢轧机的发展速度比较缓慢,受咬入和卷取条件的制约,最高轧制速度不能超过12m/s的界限,受电机制造水平的限制,所能生产的单卷重量为6~13.5吨,基本上都是手工操作,产品所能达到的尺寸精度不是很理想(厚度偏差±0.5mm,宽度偏差±15mm)。进入60年代以后,随着电机制造水平的提高,大容量的电机被应用于热连轧生产中,并且成功地实现了升速轧制,轧制速度达到了15~21m/s,生产的最大单卷重量30吨,最高年产量达400万吨。各种新技术被迅速应用于热连轧生产中。可控硅调速技术和刚刚兴起计算机技术也被迅速应用于热轧生产领域,实现的局部自动化和精轧辊缝机组和速度设定计算机控制,使得厚度自动控制所能达到的精度有了很大的提高。在轧制工艺上有大张力轧制发展到恒定的微张力小轧制,轧机架数也有所增加。从60年代末70年代初始,热连轧生产技术进入了飞速发展的阶段,在开始的一段时问内,追求轧机大型化、高速度、大卷重成为热轧带钢发展的潮流。轧制速度能够达到28~30m/s,轧机最高年产量达到了600万吨,单卷重量超过45吨,所能轧制的最小厚度也达到了0.9mm。在这段时期出现了很多新技术,如为了提高产量而出现的全连续轧机,粗轧机后两个机架的双机连轧,增多精轧机架数等方法;厚度自动控制技术不断完善,并且实现了整个生产过程从基础级到管理级的多级计算机控制。20世纪80年代以后出现了以高精度数学模型和智能轧制技术为代表的高新技术群,并取得了不断完善。此外,高精度的厚度自动控制技术以及液压AGC技术应用到带钢生产中,通过不断提高轧制参数设定精度和开发高性能的在线自动控制系统使带钢全长上的厚度精度达±30μm。我国的热轧带钢的发展历史大约从1957年从苏联引进了一套2800/1700mm半连续式板带轧机,既生产中厚钢板又生产钢卷。随着1958年7月中厚板轧机和1959年精轧机的相继建成投产,我国开始迎来了自行生产宽带钢卷的历史。从该套轧机建成到1972年十多年间,我国一直没有建设能够生产宽带钢卷的轧机,随后几年建设的带钢热连轧机也都是参照这套设备设计的。从上世纪70年代末开始我国开始从国外引进热带轧机生产线,武钢1700mm热带轧机是20世纪70年代从日本引进的全部成套设备;宝钢2050mm热带轧机是20世纪80年代从德国引进的成套设备,国内合作制造了部分机电设备；宝钢1580mm热连轧机及鞍钢1780mm热连轧机是20世纪90年代国外(日本)引进和国内制造的机电设备。这4套现代化的带钢热连轧机所采用的工艺技术,技术设备和计算机控制系统,具有当时国际上一流的技术水平。这些热连轧机的建设使我国的热轧带钢生产工艺技术很快提高到国际上的先进水平,并为我国国民经济各部门提供了品种齐全的优质热轧板带钢和冷轧机用原料钢卷,进而为汽车、家用电器、交通运输业等用户提供紧缺的优质冷轧薄钢板。20世纪90年代是我国热带钢轧机高速发展的时期,在此期间我国又相继建成投产了7套热轧宽带钢轧机。其中有四套全新热带轧机,即宝钢1580mm热轧机,鞍钢1780mm热轧机,珠钢1500mm热轧机,邯钢1900mm薄板还连铸连轧机。而1580mm热连轧和1780mm热连轧机釆用和连铸机直接连接布置的连续生产线,紧凑式粗轧机布置,精轧机组双交叉PC轧机,全液压AGC系统和卷取系统,完善的四级计算机自动化控制和生产管理控制系统,体现了20世纪90年代最先进的技术装备水平和一流的产品质量控制水平。在建造新轧线的同时,我国对技术装备水平低的热轧线进行现代化技术改造。本钢1700mm3/4连续式轧机和攀钢的1450mm半连续式热带轧机是我国自行设计建造的生产线,受当时历史条件的限制,纯机装备水平较低,产品质量达不到设计要求,对其进行现代化的技术改造是非常必要的。太钢1459mm热连轧机和梅钢1422mm热连轧机是购买日本20世纪60年代的二手设备。经过较全面的现代化技术改造后,这几套老轧机有条件生产规定的产品品种和规格,能满足用户对产品质量提高的要求。带钢的质量指标有很多,而它的厚度精度是其中非常重要的一个品质指标,它直接关系到产品的质量和经济效益。因此,在生产中保证带钢的厚度精度具有重要的意义。在实际使用中,不仅需要带钢产品具有较高的尺寸精度,同时需要厚度在全长上的均匀性。造成带钢厚度偏差的原因有多种,例如轧件温度的变化、入口厚度的变化、材质的变化、钢种的化学成分的变化、油膜轴承油膜厚度的变化等,都会使带钢的轧出厚度发生变化。同时,轧制过程是一个非常复杂的工艺生产过程,影响参数众多,系统条件始终处于不断变化之中,而且轧制的速度也是变化的。热轧带钢厚度控制技术经历了由粗糖到精细、由低级到高级的发展过程。20世纪30年代以前,近代轧制理论还正在处于孕育萌生时期。20世纪30~60年代,轧机的发展表现为常规自动调整阶段。该阶段中轧制理论的发展和完善为轧机的厚度控制奠定了基础,同时随着自动调节理论和技术的发展,并逐步应用于轧制过程,使轧机的控制步入了常规模拟式调节的自动控制阶段;20世纪60~80年代,来到了计算机控制阶段的发展时期;60年代中期出现了热连轧机发展的鼎盛时期;60年代后期,逐步过渡到以计算机设定和计算机进行过程控制的阶段,并将这种控制方式大量应用于热连轧机;70年代起,液压厚度控制技术的应用使带钢厚度控制技术发生了重大变革。20世纪80年代到现在,厚度控制向着大型化、高速化和连续化的方向发展,成为厚度技术发展的新阶段。这一阶段已将带钢厚度控制的全过程融入进了计算机网络控制的过程自动化级和基础自动化级。而在此期间热连轧计算机控制系统的总体结构有了更为明确的只能分配:管理控制系统级、生产控制系统级、过程控制级及基础自动化级。过程控制是热轧过程控制系统的核心。计算机控制系统中用来控制工艺流程的主要数学模型几乎都集中在过程控制系统中。热轧带钢精轧区的过程自动化级包括原始数据的输入、轧件数据跟踪、在线实测数据的处理、设定模型、模型自学习等。其主要功能是基于轧制理论数学模型或经验统计模型,计算精轧区的各种物理参数,包括精轧各机架咬钢温度、轧件速度以及轧机负荷等,决定精轧机以及精轧区其它辅助设备基准值,以满足精轧机组出口轧件头部厚度及终轧温度达到目标精度要求。根据不同的设备配置情况,精轧过程设定系统在设计上也会存在一定的差别。将过程机引入到现场实际生产中,设定精确的数学模型,采用先进的计算机控制技术,以此保证精轧产品的厚度精度。热轧计算机控制系统是集管理、生产、控制、信息为一体的完整自动化系统。该系统在结构与可靠性方面都有一定特点。系统结构采用负荷分组和集散型结构体系,分工明确,负荷分配均匀,运行稳定。可靠性是系统正常运行的关键,为此采取了许多措施来提高系统的可靠性,如每级计算机配备备用机、数据文件釆用双备份、在线系统采用双系统、数据存储量大、保存时间长等措施。生产实践表明,采用上述措施后,系统可靠、安全。下面简要介绍一下厚度控制技术的进步及其效果。(1)AGC的各种补偿功能AGC的一般功能以厚度计AGC为基础,配备了X射线监控AGC功能。为了解决厚度计AGC所不能控制的带钢厚度部分,设置了尾部补偿控制、加速补偿、张力补偿、流量补偿、轧机常数补偿及消除轧辊偏心控制等。采用AGC的各种补偿后,对提高带钢的厚度精度起了重要作用。(2)液压AGC70年末,由于伺服阀的改进,油清洁度管理的提高,以及液压技术的进步,开发了液压AGC新技术。液压AGC比电动AGC响应快,可以实现带钢厚度高精度控制。日本从1981年开始,在精轧机后段2一3机架上安装了响应快的液压AGC。从1982年开始,在新建的所有轧机上安装了液压AGC。现在全世界现代化热轧机几乎都安装了液压AGC,个别老轧机至今仍未安装。(3)绝对值AGC对于传统的锁定方式AGC,当设定计算有误差时,带钢头部厚度会产生偏差,因而使带钢产生不合格厚度过长的缺陷。为解决这个问题,开发利用了绝对值AGC。绝对值AGC的工作原理是,当带钢咬入各机架之后,将实测轧制压力和轧机设定预测压力进行比较,修正压下(辊缝),使实测带钢厚度趋近设定时的目标厚度。这种方法,能够减少带钢厚度不合格部分的长度,采用头部锁定方式的AGC,带钢头部厚度与目标厚度产生偏差,带钢头部厚度精度不高,而绝对值AGC是从带钢头部开始按目标厚度控制,因而提高了带钢全长上的厚度精度。(4)张力控制技术张力控制对于带钢穿带的稳定,以及提高厚度、宽度精度,改善板形、板凸度,是一项十分重要的技术。(5)消除轧辊偏心装置当支持辊存在偏心或由于键引起轴承发生局部刚度变化时,随着支持辊的转动会使辊缝发生变化,从而导致带钢厚度周期性波动。这种厚度波动,无法用厚度计AGC和X射线监控来消除,而高响应性液压AGC却很容易将轧辊偏心加到厚度变化上,为此,可采取特殊的控制方法来消除轧辊偏心造成厚度波动。这个方法就是用压力传感器检测出轧辊偏心波动,随支持辊转动同步调整辊缝,补偿轧辊偏心造成的厚度波动。同时采用无键轴承,也可减小轧辊偏心值,提高厚度精度。(6)提高轧机刚度当轧机刚度小、轧制压力大时,会使轧机弹跳大,造成带钢厚度波动大。为提高带钢纵向厚度精度,提高轧机刚度是有效的方法之一。因而,世界各国新建的轧机均增大了轧机刚度。(7)精轧机机架间测厚议为了提高带钢厚度精度,在精轧机机架间设置测厚仪,一般设置在后段机架间。下面对于上面各种控制方法进行详细的说明，控制各个因素轧制出质量较好的带钢。AGC的各种补偿功能AGC的一般功能以厚度计AGC为基础，配备X射线监控AGC功能。为了解决厚度计AGC所不能控制的带钢厚度部分，设置了尾部补偿控制、速度补偿、张力补偿、油膜厚度变化补偿及消除轧辊偏心控制等。1、尾部补偿控制当带钢尾部每离开一个机架时，由于张力消失，必然导致尾部增厚。为避免尾部增厚，在带钢尾部离开第i-1机架时，应增大第i机架的压下量，尾部补偿时的压下位移调节量为：式中K-轧机的纵向钢度系数G-轧件塑性刚度系数-尾部补偿值，即由于尾部张力消失造成的尾部增厚。1700mm七机架热带钢连轧机精轧机组的压尾机架选择如下表所示，对F6和F7机架，考虑到此时轧制速度很高，带钢比较薄，尾部厚差已较小，故不进行尾部补偿。图三2、速度补偿当厚度自动控制系统对第i机架给出Δypi压下调节量的同时，为了保持金属秒流量相等，必须对该机架的轧制速度给出相应的调节量Δvpi，以保证作用于轧件上的张力恒定。轧制速度的调整通过改变轧辊转速来实现。轧制速度的