基于熱連軋精軋厚度控制理論與頭部厚度優化研究

王 躍,周 坤,袁 金,鄧長和

(寶山鋼鐵股份有限公司武漢鋼鐵有限公司, 湖北 武漢 430080)

近年來市場對熱軋帶鋼的需求量越來越大,對帶鋼質量要求也不斷提高。厚度精度是衡量帶鋼質量的重要指標,帶鋼厚度有很多制約因素,提高帶鋼厚度精度是一項綜合技術。熱軋板帶厚度控制系統在整個生產過程處于十分重要的地位,其效果直接影響到成品質量。要明確影響板帶厚度變化的因素才能采用相應的對策。凡是影響軋制壓力、輥縫等的因素,都將對實際軋件出口厚度產生影響。

熱連軋帶鋼厚度精度一直是提高產品質量的主要目標,其主要取決于精軋機組。影響帶鋼厚差主要因素有來料硬度波動(主要來自溫度的波動)、來料厚度波動(來自粗軋區)和軋輥偏心。現代熱連軋精軋機組都裝備有自動厚度控制(automatic gauge control,AGC)系統,用來克服帶鋼工藝參數波動對厚差的影響,并對軋機參數的變動給予補償。AGC系統作為熱連軋精軋機組必不可少的組成部分,在提高帶鋼厚度精度及帶鋼整體質量方面起著重要作用[1]。

1 精軋厚度控制原理

1.1 厚度控制原理概述

熱軋帶鋼厚度自動控制是機、電、液的綜合控制系統,它由控制器、伺服閥、液壓缸、傳感器(力傳感器、位移傳感器)及測厚儀組成。系統通過伺服閥調節液壓缸的流量和壓力控制液壓缸上、下移動的行程進而調節軋輥輥縫值。液壓AGC控制系統通過測厚儀、位移傳感器和壓力傳感器等對相應參數的連續測量,連續調整壓下缸位移、軋制壓力等,從而控制板帶材的厚差[2]。

帶鋼經粗軋機軋成薄板坯后,送到精軋機進行軋制。精軋機根據來料板坯的厚度、溫度、鋼種等,通過由工程法得到的控制模型算出軋機輥縫、速度等軋制條件,完成精軋機的初始設定。帶鋼一旦咬入精軋機架,經過一定時間,通過壓力傳感器測的實際軋制負荷和通過X射線測的實際板厚實施反饋控制,從而可在動態下控制板厚。使用檢測器的反饋控制,就可能進行高精度的板厚控制[3]。

在實際軋制時,軋件的塑性變形與軋機的彈性變形同時發生并相互影響,當帶鋼咬入軋機后,軋輥將給軋件一個很大的軋制力,因而使軋件發生塑性變形,但軋輥同時受到方向相反大小相等的反作用力,使軋機牌坊發生彈跳現象。一般軋機彈跳量可達2～5 mm,對于熱連軋其彈跳量與壓下量屬同一數量級,因此必須考慮彈跳影響。可通過軋機與軋件的壓靠過程曲線(圖1)來理解在考慮軋機彈跳時的軋件厚度控制過程。

圖1 軋機彈性變形與軋件塑性 變形的壓靠過程曲線Fig.1 Elastic deformation of rolling mill and plastic deformation and compression process curves of rolled parts

圖1對應彈跳方程基本形式如式(1):

h=S0+F/K

(1)

式中:H為機架入口厚度;h為機架出口厚度;S0為無負荷時輥縫;F為機架軋制力;K為軋機剛度;F/K為軋機彈跳值。

當軋機剛度變化時,圖1中角α相應發生變化;當軋件溫度變化使強度發生改變時,角β相應發生變化;角度的變化都會使彈跳量發生變化,S0需隨之發生左右平移使出口厚度恒定。

1.2 AGC補償

熱連軋機組軋制系統采用的厚度控制方式主要是厚度計式AGC(即GM-AGC),它通過彈跳方程來間接控制每個機架的軋制厚度。對于GM-AGC間接測厚引起的測量精度低的缺點,一般通過前饋AGC(即FF-AGC)來進行補償。這種由GM-AGC加上FF-AGC的組合控制方式,構成了當前熱連軋厚度控制系統的基礎。此外,還有一些其他AGC控制方式,但從本質上講,它們都屬于經典控制理論體系的范疇,即它們都是建立在精確數學模型基礎之上的。由于軋制過程分布著大量的隨機不確定性攝動,傳統AGC的控制精度受到很大限制,因為本質上厚度控制系統是非線性的。AGC補償通過修改輥縫位置以保證各機架出口厚度恒定,主要通過檢測到實際軋制力后,利用彈跳方程再算出帶鋼厚度,其示意圖如圖2。

圖2 軋機彈跳示意圖Fig.2 Schematic diagram of rolling mill bounce

厚度計AGC提供均值和差值修正兩種修正方法。均值修正用于對傳動側及操作側彈跳引起偏差的平均值進行修正,這是厚度計AGC常用的修正方式,它同時等量調節兩側輥縫值。差值修正用于軋機兩側牌坊彈跳特性明顯不一致或帶鋼楔形時,在這兩種情況下由于兩側彈跳引起的偏差不一樣,因此軋機兩側輥縫調節量也不一樣。根據帶鋼硬度的不同,實際修正量由厚度計AGC決定適合的厚度增益[4]。

2 頭部厚度超薄現象研究

2.1 頭部厚度超薄現象概述

關于熱軋帶鋼厚度控制的理論和方法有很多,歸結起來其實就是兩個關鍵點:一是模型設定精度,即厚度模型能夠準確地計算出相應的軋制力和輥縫;二是AGC控制精度,即受熱軋中間坯來料厚度波動、中間坯縱向溫差等軋制過程中各種擾動因素的影響,成品帶鋼厚度的縱向厚度亦將隨之波動。AGC系統的目的是通過調節精軋機各機架輥縫來消除各種擾動影響,以達到精軋末機架出口目標厚度并維持出口厚度恒定[5]。

在酸洗鋼板等薄材用戶的實際使用過程中,要求通板尺寸保證在±0.125 mm以內。在實際軋制過程中,熱連軋帶鋼厚度情況如圖3所示。通過圖3可以看出,帶鋼頭部呈現“V”形超薄現象,無法完全滿足用戶的要求。

圖3 酸洗鋼薄材頭部厚度超薄典型曲線Fig.3 Typical curve of super thin head thickness of pickled steel sheet

2.2 設定與補償干預分析

一般導致厚度誤差的主要原因有抗變形力偏差、入口板厚偏差及機架誤差。由于誤差是內部誤差和外部誤差的混合誤差,因此不可能從原理上算出理論模型,同時無法對誤差進行定性、定量。盡管不能明確因果關系,但可以模糊處理,找出前后兩架軋機其負荷誤差與板厚誤差之間的相關關系。根據現象建立可以在瞬間確定誤差原因的模糊模型,從而使控制成為可能。

將F7通板后的AGC介入情況分成3個階段描述如下,造成頭部呈現“V”形超薄的主要原因在第1、2兩個階段。

第1階段為活套起套時機架AGC 調節器的投入階段。F7咬鋼瞬間,6#活套仍處于起套過程,該過程持續0.5s后,AGC調節器同步開始起調節作用,調節方向取決于預報軋制力與實際軋制力差值的方向。當預報軋制力偏小,GM-AGC輥縫補償為壓輥縫;當預報軋制力比實際軋制力大時,GM-AGC輥縫補償為抬輥縫。一般情況下,F7預報軋制力偏小,F7咬鋼瞬間GM-AGC會在瞬時向下壓下補償0.10～0.20 mm,會加劇頭部厚度“V”形程度,如圖4所示。

第2階段為低套量時的AGC調節限制階段。頭部穿帶0.5 s后,當操作工帶6#活套造成活套實際套量為0,觸發AGC保護邏輯,GM-AGC補償保護性不調節(監控AGC雖有補償量但未納入輥縫控制),僅不允許輥縫上抬,此階段F7輥縫保持恒定,一般會持續8 s左右;頭部穿帶0.5～8 s AGC保護期間,受溫度和軋機升速影響,F7軋制力一般是先下降后上升的過程,軋制力下降時,出口厚度會變小,軋制力上升時,出口厚度會變大,形成厚度“V”形,如圖5所示。

第3階段為套量正常時的AGC調節階段。直到套量恢復正常,AGC保護解除,AGC自動厚度補償才開始生效,此階段AGC正常厚度補償,厚度曲線恢復正常。

因此可以解釋造成頭部呈現“V”形超薄的主要原因包括F7咬鋼瞬間GM-AGC會在瞬時向下壓下補償,以及頭部穿帶0.5～8 s AGC保護期間,受溫度和軋機升速影響,F7軋制力呈現先下降后上升的現象。

圖4 頭部起套時GM瞬時壓下補償Fig.4 GM instantaneous pressure compensation during head lifting

圖5 小套量AGC保護階段Fig.5 The protection stage of small set AGC

3 頭部厚度超薄優化研究

3.1 AGC補償量優化研究

針對在穿帶的第1階段活套起套過程中,GM-AGC會在瞬時向下壓下補償0.10～0.20 mm,會加劇頭部厚度“V”形程度的問題,通過采取弱化GM-AGC在F7咬鋼瞬時干預量的措施。實施后,F7咬鋼瞬間,GM-AGC瞬時向下壓下補償0.10～0.20 mm變為0.01～ 0.04 mm,見圖6。

3.2 AGC小套量保護邏輯

繼續保持GM-AGC頭部弱化方案,只恢復THC(監控AGC厚度補償)、TEC(溫度補償)兩個分量,目的是規避受預報軋制力影響造成GM-AGC調節方向的不確定性情況。針對頭部穿帶第2階段,取消AGC在小套量保護功能。取消后,頭部F7穿帶后,即使操作人員“拉活套”,活套套量降低到0,AGC仍正常調整,頭部厚度曲線“V”形減輕,厚度曲線穩定,見圖7。

圖6 咬鋼瞬間AGC壓下補償量變化Fig.6 Change in AGC reduction compensation amount at the moment of biting steel

圖7 取消AGC保護后頭部厚度控制情況Fig.7 Head thickness control after canceling AGC protection

在弱化GM-AGC補償量的基礎上,采取優化小套量下AGC保護邏輯的措施后,酸洗鋼頭部厚度超薄現象發生比例進一步下降,效果顯著。

4 結論

根據彈跳方程,從厚度控制原理方面闡述了AGC補償對于厚度控制的理論影響,并結合薄材酸洗鋼頭部易發“V”形的超薄現象,從F7通板后AGC介入的3個階段展開,分析了厚度控制異常的原因為F7咬鋼瞬間GM-AGC會在瞬時向下壓下補償;頭部穿帶0.5～8 s AGC保護期間,受溫度和軋機升速影響,F7軋制力呈現先下降后上升的現象。

通過采取弱化GM-AGC在F7咬鋼瞬時干預量調節的措施,以及取消AGC在小套量保護功能控制優化,從理論與現場實際有效地結合,改善了薄材酸洗鋼頭部厚度異常現象。