基于多點設定的中厚板平面形狀控制技術開發

2018-05-24 19:26:08許智平

山西冶金 2018年2期

關鍵詞：模型

許智平

（福建三鋼閩光股份有限公司中板廠，福建三明 365000）

在中厚板的成材率損失中，切頭尾損失和切邊損失約占總成材率的2%和4%。中厚板軋制過程的特殊性造成其軋后的平面形狀大多不呈矩形，因此采用平面形狀控制技術，使成品板平面形狀矩形化，以提高成材率。隨著軋機設備和計算機控制系統的不斷發展，1978年，日本水島厚板廠開發了平面形狀軋制法，簡稱MAS軋制法。其基本思想是對成品鋼板的平面形狀進行定量預測，依據“體積不變原理”，在成形階段或展寬末道次給予板厚的超常分布量，以改善成品板最終的矩形度。

為實現成品板的高度矩形化，理論上其控制模型為高次曲線形式。傳統上采用的6點設定法形式簡單且易于實施，但因與高次曲線接近度偏低，限制了平面形狀控制效果。通過大量的理論分析、數值模擬和現場試驗，開發了9點平面形狀設定技術。該技術可實現平面形狀控制過程楔形段的高靈活度調節，控制系統可增強邊部金屬流動的可控性，使產品的矩形度大幅度提高。

1 鋼板的軋后形狀特點

1.1 正常軋制的鋼板形狀

正常軋后鋼板形狀如圖1所示：對于展寬比較小的鋼板（展寬比＜1.2），由于頭尾端存在局部展寬，軋后鋼板邊部呈凹形，并且頭尾“舌頭”較長；對于展寬比較大的鋼板（展寬比＞1.35），鋼板頭尾部分比中間部分展寬小，導致產生了“桶形鋼板”。

1.2 平面形狀控制的鋼板形狀

MAS軋制采用的是：“縱—橫—縱”的軋制方式，MAS軋制法板坯成形軋制時，大展寬比時改變板坯長度方向的兩端厚度為楔形（小展寬比時反之），其目的是為改善鋼板軋制后鋼板寬度的均勻性而減少切邊量，MAS軋制鋼板形狀如圖1所示。

圖1 MAS軋制后鋼板形狀

2 平面形狀數學模型

2.1 頭部和邊部形狀預測模型

通過有限元模擬軟件ANSYS建立與實際生產過程一致的模擬環境，針對不同的坯料尺寸、道次壓下量以及設備條件進行軋制模擬，得到最終的平面形狀預測模型[1-3]，模型相加的三個部分為“縱-橫-縱”三個階段對最終平面形狀的影響。

邊部形狀函數：

式中：h表示各道次軋后厚度；R表示各階段道次的延伸系數。

2.2 平面形狀控制模型

根據平面形狀預測模型的軋后鋼板頭部和邊部曲線，計算MAS軋制控制模型[1-3]，在相應道次進行變厚度軋制控制，以實現最終產品的矩形化。

2.2.1 邊部形狀控制模型

式中：x為成形階段平面形狀控制部分某點距頭部的距離；wS、hS為成形階段軋制后的中間坯寬度和厚度；RF、lF為軋制結束時中間坯的延伸系數和長度。

2.2.2 頭尾形狀控制模型

采用N2吸附法測定礦物的比表面積，試驗時每次稱取樣品0.1 g，放入專用玻璃測試管中。工作條件為：樣品質量100～500 mg，脫氣時間3～6 h，預處理溫度80 ℃，載氣H2(>99.99%)，N2/H2=14。針鐵礦比表面積測定為13.57 m2/g。

通過在展寬階段的末道次進行變厚度軋制，以控制鋼板頭尾形狀：

式中：y為展寬末道次平面形狀控制部分某點距邊部的距離；wF、hF為延伸結束后的中間坯寬度和厚度；lB為展寬軋制結束后的中間坯長度。

3 平面形狀控制功能實現

3.1 平面形狀控制參數確定

3.1.1 成形階段平面形狀控制參數

在l′長度范圍內，對理論控制模型進行離散化，將平面形狀控制部分的體積離散化為n個長方體，平面形狀控制在線控制部分的體積計算如下式：

當Δh（Sx）值理論計算的厚度改變量近似為零時[4]，即x=l′，Δh（Sl′）≈0；

因此：

在線控制部分體積與理論計算體積應相等，有下式成立：

整理上式得到：

3.1.2 展寬階段平面形狀控制參數

同理，可確定展寬階段平面形狀控制參數，當ΔhB（y）值理論計算的厚度改變量近似為零時，即y=l′，Δh（Bl′）≈0。ΔhB′的計算公式推導過程與成形階段類似，公式如下：

3.2 軋制時間計算

平面形狀控制功能在實際過程中關鍵的技術是保證中間坯楔形段兩側的對稱性，否則在后道次轉鋼后軋制時就會出現鐮刀彎現象。因此必須對軋制過程進行準確跟蹤，才能得到兩側對稱的楔形形狀[4]。

前滑現象對軋制時間的計算有較大影響，必須對前滑進行準確計算，得到準確軋制時間。在變厚度軋制過程中，坯料溫度高，中間坯與軋輥的摩擦系數也較大。通過采用全黏著條件的西姆斯前滑公式，得出前滑模型如下：

式中：r為壓下率；R為工作輥半徑。

根據前滑值的定義，中間坯的出口速度計算如下：

式中：v為中間坯出口速度；vR為軋輥線速度。

在線控制時，工作軋輥的轉速為固定值，即vR為定值，則由式（12）和（13）可求得對應不同厚度的出口速度。而兩端的楔形段，通過離散化處理將楔形段離散化為n個長方體，計算得到總的楔形段軋制時間計算公式為：

3.3 設定過程

在線應用時，通過對控制模型進行分段線性化，因此可采用9點設定法，將厚度變化量與長度簡化成線性關系，通過確定厚度變化量Δh′和改變的長度區間l′，如圖2所示。l′和Δh′確定的體積應該與理論模型計算結果確定的體積相等。

圖2 鋼板平面形狀在線控制模型

因設定點太過精細，各個點的位置跟蹤出現些許誤差，就會導致變厚度軋制的嚴重不對稱，經過縱軋后出現單側大斜角“跑偏”現象。因此，中間坯長向位置精細化跟蹤是鋼板變厚度軋制控制的基礎，也是平面形狀控制過程中壓下和抬起對稱控制的保證。采用基于高精度變厚度前滑模型，通過中間坯長度計算和滾動優化自適應技術，實現了中間坯長向精細化位置跟蹤，跟蹤精度控制在20 mm以內，見圖3。