板帶熱連軋機活套控制系統優化

姬亞鋒 田 敏 郭鵬程 胡 嘯 劉光明

1.太原科技大學重型機械教育部工程研究中心，太原，0300242.太原科技大學電子信息工程學院，太原，030024

板帶熱連軋機活套控制系統優化

姬亞鋒1田 敏2郭鵬程1胡 嘯1劉光明1

1.太原科技大學重型機械教育部工程研究中心，太原，0300242.太原科技大學電子信息工程學院，太原，030024

針對板帶熱連軋機傳統活套控制策略不能滿足實際生產需求的問題，給出活套電機力矩的計算方式和采用電流反饋信號的張力檢測方式，提出基于軟接觸控制、防甩尾控制和流量補償功能的活套優化控制策略。將優化后的活套控制策略應用于熱連軋生產線，結果表明，對于3.0 mm×520 mm規格的帶鋼，活套角度波動范圍可控制在±2°之內，活套電流在設定值的±5%波動，頭部厚度偏差±40 μm范圍內厚度精度命中率能夠達到98.7%，寬度偏差0～4 mm范圍內厚度精度命中率能夠達到96.9%，帶鋼頭尾尺寸精度顯著提高。

活套控制;軟接觸控制;防甩尾控制；流量補償

0 引言

在板帶熱連軋機中采用活套控制軋制張力是熱連軋的基本特征之一。軋制過程中，主傳動系統存在著動態咬鋼速降，穩定軋制時存在溫度波動、機架出口厚度波動、軋輥偏心等外部干擾，導致各機架之間的速度匹配具有時變性。而活套在檢測到機架間軋件的活套量變動量后，通過吸收活套量變動并保持恒定的小張力，使得生產能夠正常進行[1-3]。帶鋼的張力與帶鋼的厚度、寬度及板形相互關聯，軋制過程中穩定的張力控制是連軋能夠順利進行的前提條件，也是板帶能夠獲得高精度尺寸和良好板形的基礎。由活套控制的起套和落套階段，需保持活套輥和帶鋼之間良好的跟隨性，避免對帶鋼產生沖擊，影響帶鋼的頭部尺寸精度[4-6]。

本文針對活套起落套過程，優化活套電機的速度設定和力矩設定值，采用新型軟接觸控制、防甩尾控制和流量補償控制功能，減小活套支持器對帶鋼產生的突然沖擊，增強軋制穩定性，提高帶鋼厚度及寬度控制精度。

1 熱連軋活套控制系統

帶鋼熱連軋機通過活套裝置實現了微張力小套量軋制，避免了帶鋼被拉窄等一系列降低成品質量的后果。根據其現場儀表配置和活套控制要求，傳統活套控制系統主要包含高度控制和張力控制，如圖1所示。

圖1 活套控制原理圖Fig.1 Looper control principal block diagram

1.1 活套高度控制模型

活套高度控制的目的是通過控制上游機架主傳動的速度維持各機架間秒流量相等。軋制過程中，工藝參數(如輥縫波動、來料溫度、其他控制系統的干擾等)的變化導致速度差發生變化，造成活套高度偏離基準值，以此造成的套量偏差來調節上游機架的速度，維持機架間秒流量恒定。

熱軋系統中，由于活套量不能用直接測量的方式進行測量，只能通過活套支持器的擺角間接求得，因此套量計算數學模型的選擇決定了活套高度控制系統的控制質量。

活套幾何尺寸如圖2所示。圖2中，L、a、PH、R、r均為已知數。在忽略活套輥弧面影響的前提下，根據圖2所示的幾何關系，可得套量ΔL與活套支持器角度θ的函數關系為

ΔL=BA+AC-BC=BA+AC-L

(1)

(2)

(3)

(4)

式中,θ為活套支持器工作角度，(°)；PH為活套支持器支點至軋制平面的高度，mm；R為活套支持器支臂長度，mm；r為活套輥半徑，mm；L為相鄰機架間的距離，mm；L1為活套支點至前機架的距離，mm；L2為活套支點至后機架的距離，mm。

圖2 機架間活套幾何尺寸圖Fig.2 Looper structure dimensions

1.2 活套張力控制模型

活套張力控制通過控制活套機構的電機力矩來實現軋制中帶鋼的恒定張力控制，以防止帶鋼跑偏和頸縮，有效提高板帶質量[7-8]。

1.2.1 活套受力分析

如圖3所示，機架間活套受到以下力的作用：①帶鋼張力對活套輥的壓力；②帶鋼質量、帶鋼彎曲力和活套輥自重的合力；③活套輥的離心力；④帶鋼的離心力；⑤活套加速產生的加速慣量；⑥帶鋼加速慣量。

圖3 活套受力分析圖Fig.3 Force analysis of looper

活套輥作用力可分解為活套徑向受力FA和活套旋轉方向受力FL。活套徑向受力沿活套臂作用在活套的旋轉軸上，對活套電機的轉速和電流均無影響，只有在設計旋轉軸受力強度時才會考慮，而活套旋轉方向受力對活套產生力矩，也就是對活套電機的轉速和電流產生力矩。

活套在徑向受力FA為

(5)

活套在旋轉方向受力FL為

(6)

1.2.2 張力檢測計算

活套力矩TM為活套旋轉方向受力與活套臂長度的乘積，即

(7)

式中，WL為活套臂自重，N；LG為活套力臂長度，mm；I為活套轉動慣量，kg·m2;N為活套轉速，r/min。

由式(7)得出帶鋼張力T為

(8)

帶鋼單位張力值σ為

(9)

2 張力控制優化

活套控制的起套和落套階段的活套轉速和力矩大小對帶鋼頭尾質量至關重要，軟接觸控制、防甩尾控制和流量補償控制功能的采用可顯著提高帶鋼質量。

2.1 軟接觸控制

活套控制過程中，活套裝置的設定速度不能為零，以保證活套輥和帶鋼之間良好的跟隨性。但如果活套輥在貼緊帶鋼的瞬間速度很高的話，就不可避免地對帶鋼產生沖擊，使帶鋼頭部被拉窄，產生頸縮，影響帶鋼的頭部尺寸精度。為防止前述情況的發生，在活套電機的速度設定和力矩設定上，采用軟接觸控制，盡可能減小活套支持器與帶鋼接觸瞬間對帶鋼產生的突然沖擊[9]。

2.1.1 活套電機速度設定

圖4 活套電機的轉速圖Fig.4 Motor speed curve of looper

轉速與角度的關系為

(10)

式中，i為活套電機減速比。

根據式(10)可知:

(11)

根據速度位移關系可得

(12)

由式(12)可得

(13)

根據恒定速度情況下速度位移關系可得

(14)

2.1.2 活套電機轉矩設定

活套電機起套電流的設定曲線見圖5。起套電流設定的原則如下：①在活套接觸帶鋼前，即t1+t2階段，將活套電流設為最大允許值；②在活套即將接觸帶鋼時，即t2時刻，將活套電流切換為張力調節器給出的設定值。

圖5 活套電流的設定曲線Fig.5 Current setup curve of looper motor

2.2 防甩尾控制

活套過早落套會使帶鋼尾部失張距離增大，影響帶鋼尾部尺寸精度，而活套過晚落套會使帶鋼尾部在被活套輥頂起而上翹的狀態下高速甩出，有可能發生拍擊軋輥、迭軋或損壞軋機入口導板等事故。在帶鋼尾部與上游Fn-2機架的距離在某一給定值時，使活套轉入小套位置，在上游Fn機架拋鋼時將活套降到底的帶鋼防甩尾控制策略可以減少帶鋼尾部失張，提高帶鋼尾部尺寸精度。圖6所示為防甩尾控制的活套角度和張力設定曲線。

圖6 防甩尾控制活套角度和張力設定Fig.6 Angle and tension setting of no whip control

對于L1和L2活套，當帶鋼尾部離開精軋機入口的HMD(hot metal detector)，經距離跟蹤后轉入小套高度控制。其他機架間的活套由上游Fn-2機架拋鋼后經距離跟蹤發出轉小套的命令。防甩尾控制的關鍵在于精確計算活套轉小套控制的時間，即進行精確的距離跟蹤。距離跟蹤的原理如圖7所示。圖7中，vn為第n機架速度，m/s；L0為設定活套下降距離，m；Ls為機架通過帶鋼長度，m。

圖7 防甩尾控制距離跟蹤原理Fig.7 The track principle of no whip control

2.3 流量補償控制

張力波動與厚度波動之間存在相互干擾，尤其是在穿帶過程中，張力波動大容易引起軋機的振蕩，使AGC(automatic gauge control)不能正常投入使用。在穩態階段，由于AGC調節厚度變化引起張力變化，反之，張力變化也會引起厚度變化。這種干擾單靠活套系統很難完全消除，所以采用流量補償的方法來消除這種干擾的影響。

由秒流量相等可得

hnvn=hn+1vn+1

(15)

hnΔvn+vnΔhn=hn+1Δvn+1+vn+1Δhn+1

(16)

式中,hn為第n機架實際厚度，mm；vn為第n機架實際速度，m/s。

整理得

(17)

軋制過程中，考慮壓下效率、厚度偏差與輥縫調節量之間關系,可得

(18)

式中,Δhn為第n機架厚度偏差量，mm；ΔSagc,n為第n機架輥縫調節量，mm；K為軋機剛度系數，MN/m；Q為軋件塑性系數，MN/m。

聯立式(17)和式(18)可得速度補償量為

(19)

式中,kn為第n機架補償系數。

3 現場應用效果分析

優化后的活套控制系統已成功應用于某熱連軋生產線。軋制工藝參數:來料規格為32mm×520mm;成品厚度為3.0mm;軋制速度為10m/s;PDA(processdataacquisition)采樣時間為10ms。圖8給出了某熱連軋活套角度、活套電流、厚度偏差和寬度偏差的控制效果曲線。

(a)活套角度值

(b)活套電流值

(c)厚度偏差量

(d)寬度偏差量圖8 活套控制效果圖Fig.8 The control curve of looper

如表1所示，采用優化后的活套控制系統活套角度波動范圍可控制在±2°之內，活套電流在設定值的±5%波動，頭部厚度偏差±40μm范圍內厚度精度命中率能夠達到98.7%，寬度偏差0～4mm范圍內厚度精度命中率能夠達到96.9%，有效避免了軋制過程中的張力波動及帶鋼頭尾失張，帶鋼厚度和寬度控制效果良好。

表1 3.0 mm控制精度統計

經過長時間的調試和參數優化，本控制策略已穩定應用于熱連軋各規格產品的生產過程中，對一個軋制換輥周期內278塊帶鋼進行控制精度統計，統計結果如表2所示。統計數據表明，活套角度波動范圍可控制在±2°之內，活套電流在設定值的±5%范圍內波動，頭部厚度偏差±40 μm范圍內厚度精度命中率均能達到98.05%以上，寬度偏差0～4 mm范圍內厚度精度命中率均能達到96.6%以上，帶鋼厚度和寬度控制效果良好，顯著提高了產品質量。

表2 控制精度統計

4 結論

(1)分析了活套高度和張力控制系統的結構和功能，給出活套電機力矩的計算方式和采用電流反饋信號的張力檢測方式，提高了活套工作穩定性。

(2)針對活套起套時可能對帶鋼產生撞擊和帶鋼尾部離開上游機架時可能產生的甩尾和尾部失張現象，提出活套軟接觸控制和防甩尾控制方法；針對厚度控制對活套控制系統的影響，提出流量補償控制方法，提高帶鋼頭尾控制精度。

(3)優化后的活套控制系統成功在熱連軋生產線得到應用。統計數據表明，對于典型規格的帶鋼產品，采用優化后的活套控制策略活套角度波動范圍可控制在±2°之內，活套電流在設定值的±5%范圍內波動，頭部厚度偏差±40 μm范圍內厚度精度命中率能達到98.05%以上，寬度偏差0～4 mm范圍內厚度精度命中率均能達到96.6%以上，帶鋼厚度和寬度控制效果良好，顯著提高了產品質量。

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(編輯 王旻玥)

Optimization of Looper Control Systems for Hot Strip Mills

JI Yafeng1TIAN Min2GUO Pengcheng1HU Xiao1LIU Guangming1

1.Engineering Research Center for Department of Heavy Machinery Education,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan,030024 2.School of Electronic Information Engineering, Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan, 030024

Aiming at the problems that traditional looper control systems could not meet the requirements of practical productions, the calculation method of looper motor torques and the detection methods of tension were given according to looper currents, the optimal control strategies of loopers were put forward based on the soft touch method, no whip control method and flow compensation method. The optimized looper control system was applied in a hot strip mill, and the practical application results show that with the specification of 3.0 mm×520 mm, the angles of loopers may be controlled within the target tolerances of ±2°, the currents of loopers may be controlled within the target tolerances of ±5%. The thickness may be controlled within the allowable thickness deviation of ±40 μm over 98.7%, and the strip width deviation may be controlled within the target tolerances of 0～4 mm over 96.9% of the strip steels and the precision of strip head and tail is enhanced.

looper control; soft-touch control; no whip control method; flow compensation

2016-10-14

NSFC-山西煤基低碳聯合基金資助項目(U1510131)；山西省青年科技研究基金資助項目(201601D202027)；太原科技大學博士科研啟動基金資助項目(20152013)

TG335

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.04.006

姬亞鋒，男，1986年生。太原科技大學重型機械教育部工程研究中心講師。主要研究方向為金屬加工智能控制。發表論文7篇。E-mail：jyf0109@126.com。田 敏，女，1992年生。太原科技大學電子信息工程學院碩士研究生。郭鵬程，男，1991年生。太原科技大學重型機械教育部工程研究中心碩士研究生。胡 嘯，男，1986年生。太原科技大學重型機械教育部工程研究中心講師。劉光明，男，1982年生。太原科技大學重型機械教育部工程研究中心副教授。