湘钢3800mm板材厚度和板形控制的优化

湘钢3800mm板材厚度与板形控制的优化

(五米宽厚板厂彭敦向)

概要：本文主要介绍湘钢3800mm宽厚板轧机厚度与板形控制的功能、组成，研究和优化厚度与板形控制的各种数学模型与补偿，以及液压小辊缝控制的研发与使用，为湘钢3800mm宽厚板产品质量和成材率的提升奠定了坚实的基础。

1 前言

本论文属于轧制科学技术领域，是为了保证板材的交货质量,提高成材率而做的探索和改进。07年前，按照宽厚板产品大纲，外方调试完毕的轧机设备轧制的产品基本满足要求，但随着产量的不断提升及产品的不断升级，控制系统必须保证质量的稳定。相对之前主要是探索在提高轧制节奏下板材厚度与板形控制的稳定性，因此对L2模型的再计算功能，精轧机AGC、PFC控制等进行深入了解及优化，同时对轧辊的配辊、辊形进行摸索调整。本论文主要内容是通过自动化手段，实现对板材的厚度和板形的精确控制，以求达到优化产品质量，减少废次品；提高成材率，减少头尾和切边余量。

2、板材厚度和板形控制的探索2.1 厚度控制

厚度控制的不准确不仅仅影响产品质量，同时由于中间坯厚度的不准确直接威胁到轧机的安全。影响厚度的主要原因是辊缝的不准确，所以只有保证辊缝的准确性，才能保证板材厚度的准确和稳定，决定辊缝的因素有：

道次表设定辊缝

●轧机弹性变形补偿

●轧辊热凸度补偿

●轧辊磨损补偿

●油膜补偿

●零点修正补偿

要解决厚度控制不准的问题，首先必须从这几个方面入手

2.1.1道次表设定辊缝

二级道次表计算模型(PSC),是采用的平均压下率进行道次计算的，计算模式有4种，一是预计算，即板坯入炉后通过原始的PDI对板坯进行计算，用以检测可轧性；二是设定计算，板坯入炉后，模型采集加热炉温度模型计算的板坯温度，进行道次表计算；三是再计算，板坯轧过第一道次后的计算称为再计算，模型采集轧制过程中的各种测量值，例如温度、宽度、厚度和轧制力等，利用测量值为下道次进行重新计算；四是事后计算，钢板轧制完后，通过轧后的数据进行重新计算，用于长期自适应。

通过观察和检查二级程序，我们发现板坯经过粗轧轧完后，进入中间辊道，在经过高温计时，模型没有采用该测量值进行重新计算，而是直接使用的是粗轧结束时的道次表，中间坯在中间辊道上的温度损失没有考虑在道次表计算，造成精轧的实际轧制力和期望轧制力偏差较大，使厚度控制发生偏差，更严重的有时可以造成卡钢或断辊事故，对轧辊和主电机造成较大损害。通过修改二级程序（PlateBufferManager），在收到高温计检测到的温度后向模型服务器发送再计算请求事件，待计算完成后再向DataHandler程序发送道次表发送事件，DataHandler程序收到事件后，将计算完的新的道次表发送到TCS 系统中，用于实际轧制。

修改后的程序投入运行后，精轧的第一道次的实际轧制力和期望轧制力较为接近，厚度控制得到改善，卡钢事故的次数明显减少，从以前每月的2-3次，现在基本上杜绝了由于道次表引起的卡钢。

2.1.2轧机弹性变形

轧制时，在轧制压力的作用下，轧机工作基座产生一定量的弹性变形。弹性变形的结果将使实际压下量减小，轧件的出口厚度大于空载时的辊缝。为了获得正确的轧件的厚度，即必须减小空载时的辊缝，用以补偿由于轧机弹性变形引起的辊缝变化。轧件厚度等于轧机的空载辊缝值加上轧机的弹性变形量，轧机的变形量在

一定范围内正比于轧制力F ，也就是：

M F

S h +

=

h 为轧件出口厚度，

S 为空载辊缝，F 为轧制力。M 为轧机弹性变形系数。

但在实际应用中，在轧制力小的

情况下轧制力与轧机弹跳值并不是线

性关系，辊缝真实零位很难确定，所以一般采用辊缝零调来标定人工零位，再以人工零位为基础进行辊缝控制，就是：

M F F S h 0

-+=

S 为相对人工辊缝零位的辊缝

值，0F 为确定人工辊缝零位时的轧制力。如图1中的A 线。

另一方面，当作用在轧件上的轧制

力变化F ?

时，轧件厚度上将被压下h ?，其关系为：

Q F

h ?-

=?

其中，Q 值称为轧件塑性系数。表现为图1中的B 线。

图1 P-H 图

利用P-H 图可以综合分析轧机与

轧件之间相互作用力与变形关系，如

图1，当来料厚度变化H

?（B

B'

→）时，分析轧制力与辊缝变化趋势，需要如何移动辊缝来消除来料厚度变化引起的轧件厚度变化（A

A'

→）；又比如当辊缝变化时，对轧件厚度的影响是多少。

AGC也就是依照P-H图原理调节辊缝，保证轧件出口厚度稳定。要获得正确的补偿量就必须摸清楚轧机的弹性变形曲线，这个曲线揭示了弹性变形对板材厚度的影响。为了获得这样的曲线，一般的方法是采用压靠法获得，我们的轧机同样是采用压靠法用以获得这样的曲线，在轧机的长标定过程中，同过轧辊的在一定轧制力的压靠下，通过HGC的位置传感器获得弹性变形量，然后通过在不同轧制力下的不同变形量，通过一次或2次差分，拟合成轧机的弹性变形曲线。

下面是某次长标定后的轧机测量数据。

拟合成轧机弹性曲线(P-H)如下图

但是上图只是显示了轧制力和轧机弹性之间的简单关系，实际上轧机弹性和轧件的宽度有重要的关系，为了获得准确的补偿值还需要找出弹性变形和宽度之间的关系。在实际轧制中, 轧件宽度不同, 对应相同的轧制力, 轧机弹跳也不同。当轧机中有宽度为B 的轧件时,关系式:

f B ( P) = h - S

式中：f B ( P) 为轧机弹跳; P 为轧制力; h 为轧件厚度; S 为辊缝。

我们的主要任务是找出在不同厚度下的轧机弹跳方程和曲线，以获得正确的轧机厚度补偿。

上图为轧机在各个轧制力情况下，宽度和厚度补偿之间的关系

从上图可以看出轧制力的不同，随着轧件宽度的变化，轧机的弹跳补偿值是不同的，同时轧辊的辊系变化也影响着轧机的弹跳补偿。

2.1.3轧辊热凸度补偿和轧辊磨损补偿

轧辊的磨损和热凸度是无法在实际生产中进行测量的，一般都是采用有限元分析方法，通过模型对轧辊的磨损和热凸度间接模拟计算用以获得磨损和热凸度的值，用以补偿辊缝变化。在实际生产中，发现实际的磨损和热凸度和模型计算出来的存在一定的偏差，特别在轧辊的初期和轧辊末期，人工对厚度的修正往往很大。针对这些现象，首先确认在线使用的所有轧辊材质和类型，以确保输入模型的数据准确。其次检查模型的各种参数，在检查模型参数时发现在模型设定的大量参数中，有许多参数偏离了现场的实际值，例如轧辊的重量，冷却水的温度等，对于这一部分参数我们严格按照现场的实际值进行设定，对于另外一些需要调整的参数，通过摸索和试验，用以确定最优的参数。经过优化后的模型计算输出值和实际接近，操作工无需再频繁的修正。2.1.4油膜厚度补偿

如下图，显示的是油膜厚度和速度之间的关系

轧制过程中，当轧线升速，支撑辊中的油膜分布产生变化，其作用体现在辊缝变小，而在轧制力大的情况下，油膜变化程度相对较小。所以，油膜补偿量是由轧机转速和轧制力共同决定的。通过实验测得油膜量、轧制力以及转速的关系曲线如上图。

2.1.5零点修正

虽然弹跳模型的计算精度较高,弥补了对辊系弹性变形考虑不足的缺点,但是轧辊磨损和热凸度的变化很难用数学模型精确地计算出来,而且还可能存在某些不确定的因素影响着轧机弹跳的计算。常见的而且是有效的方法是在轧机弹跳方程上附加零点漂移的处理方法。

零点修正实际上是一个长期自适应的过程，它通过比较实测的轧件厚度（主要是通过测厚仪）和AGC的辊缝进行比较，通过自适应的算法，为下一道次或者是下一个轧件的出口辊缝进行修正，以达到厚度的精确控制的目的，一般算法如下：

Δ0 ( n) = (1 - α)Δ0 ( n - 1) +α( h′n - 1 - hn - 1) ) (0 <α< 1)

式中, h′n - 1 是上一块钢实测的出口厚度, hn - 1 是上一块钢的软测量的出口厚度,Δ0 ( n - 1) 是上一块钢的零点漂移修正量,Δ0 ( n) 是本块钢板的零点漂移修正量。

因此通过优化测厚仪的测量反馈值，使其测量值接近或者等于轧件实际厚度值，以保证测量值的准确，同

时修正自适应系数，并对零点修正的值作限幅处理，使其在一个合理的范围内进行修正，目前限幅在-0.3mm和+0.3mm之间。

2.2 板形控制

板形是钢板几何形状的描述，包括横截面形状（Profile）和平直度（Flatness）两项内容。横截面形状主要由凸度，楔形度等参数表示，其中凸度（截面中点厚度与边部标志点处厚度之差）为最常见的表示参数；平直度用相对延伸差（长短纤维长度差/纤维长度）或翘曲度（浪高/浪长）表示，平常所说的板形从直观上来说就是指钢板的平直度，即是指钢板的浪形，瓢曲或镰刀弯的有无及程度而言

平直度缺陷主要分为下面2类：

●板面瓢曲，包括长度方向瓢曲

和宽度方向瓢曲

●形状不良，包括中间波浪，边

部波浪，镰刀弯2.2.1 镰刀弯的控制

镰刀弯形成的主要原因：

●机械压下行程或HGC行程原

因造成两边有辊缝差

●轧辊附加水冷却不均造成轧

辊热凸度形成不当

●钢板沿横向温度不均，造成两

侧轧制力差从而两侧轧辊的

弹性压扁值不同

●轧件未能完全对中，咬入时偏

离中心线

针对成因主要优化了机械压下和HGC的控制程序，减小两边辊缝差，以实现消除镰刀弯。

2.2.1.1 精轧机机械压下系统优化

空载时辊缝的调整是通过压下丝杆（D）来实现的，压下丝杆（D）通过三相变频电机(A)和蜗轮蜗杆副(C)来传动。在轧制过程中和急停时通过气动抱闸将机械压下系统锁紧在设定的位置。在压下丝杆下部，是上支撑

辊平衡系统，以确保在轧制过程中使压下丝杆和上支撑辊轴承座之间产生持续的压紧力，空载时使上支撑辊压靠在压头上，消除压头与上支撑辊轴承座之间的间隙，在压下丝杆动作时，支撑辊平衡压力必须降低，使得辊系

跟随丝杆动作

。

压下装置示意图

机械压下系统由以下几个部分组成：

A、交流电机

B、气动抱闸

C、涡轮蜗杆副

D、压下丝杆

E、压头

F、紧急回松装置

生产过程中轧制的镰刀弯，通过分析是由于辊缝动作后支撑辊平衡力没有消除压下蜗轮蜗杆的间隙，在位置传感器检测位置到达后，平衡压力调节到240bar，此压力充分消除了各间隙，由于两侧间隙不一致，造成1～3mm的偏差，由于此误差在PLC的允许范围内，但轧制时便出现镰刀弯。为解决此问题，必须合理设定压下动作时的平衡力，综合以下因数考虑：

●上支撑辊重129t，上工作辊重

34t，上辊系总重约224t

●压下系统调节速度0－

32mm/s，

●消除丝杆的间隙

●避免平衡力过大造成压下不

动作或蜗轮蜗杆过度磨损将压下下降时平衡力设为180bar，上升时设为185bar ，通过跟踪两侧偏差在0.01mm，满足生产要求，并过度无磨损。

2.2.1.2 HGC辊缝控制（薄板轧制时由液压压下进行小辊缝调节）

以前宽厚板轧制时辊缝调节的两种形式：

●辊缝大于30mm时机械压下

与液压压下同时动作

●辊缝小于30mm时机械压下

先动作，液压压下后动作

机械压下：电机速度600rpm，0－32mm/sec，减速比18.5，允许偏差2秒8mm

液压压下：调节行程80mm，位置精度±10um，响应时间40um，速度15mm/s

可见在小辊缝时用液压调节的响应时间和精确性要比机械调节效果好。针对于20mm以下的薄板，对辊缝定位要求高精度、短时间。既提高轧制节奏又保证板型。所以为了提高轧制节奏和保证在轧制薄板时对单边值的控制，决定开发辊缝调节的又一功能即关于小辊缝轧制中只用HGC 调节。

对于小辊缝轧制中的辊缝调节的改进增加HGC单动调整辊缝步骤

在接收到新的设定辊缝小于

20mm时将需要调整的辊缝直接分配给HGC，辊缝调节动作由全部HGC 完成，而EMP继续保留上一道次辊缝时分配的行程确保EMP不动作而单独动作HGC。

单动HGC的条件：须建立一使能模块确保辊缝在小于20mm压下量小于3mm时HGC动作，而EMP不动作。

技术改进

极限值的设定：根据辊系、阶梯板、

阶梯块、HGC行程的极限值、EMP

行程极限值及轧制中心线的设定结合

牌坊、轴承座的机械位置计算出，

0.5<(hgcworkingpos+fenstec/2)<13.

0，否则就会造成贴辊等现象。

增加小辊缝时单动HGC调节，

大大提高了定位的速度和精确性，从

而提高了轧制节奏和板型的质量

3.结束语

通过逐步改进和优化，功能的逐

步投入，厚度和板形的控制取得了明

显的改善，厚度控制精度提高，操作

工人工干预厚度的现象明显减少，减

轻了操作工的强度，成品厚度的合格

率明显提高。在板形控制上，由于立

辊的投入，头尾切废的长度大量减少，

金属收得率提高，镰刀弯得到了有效

的控制，由于镰刀弯影响造成的切边

不净和非计划剪切造成的废次品及现

货明显减少。并成功轧制出6mm厚

的钢板，拓宽产品。