微张力控制在棒材厂的应用

微张力控制在棒材厂的应用

承钢棒材厂是由承德钢铁集团有限公司投资3个多亿资金全新从国外引进全套设备的低温控轧和控冷的棒材生产线，2003年12月26日正式竣工投产。公司棒材轧机精汇了意大利达涅力公司、ASIROBICON电气公司、成套设备和国内数家骨干企业合作制造的设备，具有90年代国际先进的技术装备水平。该轧机全线自动控制，成品设计速度18m/s，年设计能力80万吨棒材。自动化控制方面充分吸收了国内外先进经验，无论在控制系统的构成，在控制功能上，还是在系统操作水平上，都处于当今世界先进水平。

2 工艺设备介绍

2.1 工艺设备

承钢棒材厂生产线轧机为全连续式大型轧钢机，共18架，呈平立交替式布置。主轧线的主要设备有:冷坯上料设备、步进梁式加热炉、高压水除磷系统、轧机、切头及事故飞剪、控温水冷系统、水冷淬火装置、在线测径仪、组合式分段飞剪、步进齿条式冷床、摆动式冷剪、计数、打捆、称重和收集装置、液压润滑系统。上述所述设备的主要部分引进世界上著名的冶金设备设计制造公司—达涅利公司，其余部分为国外设计国内制造。

在这条生产线上还预留了钢坯无头焊接机、减定径机组、大盘卷等设备的空间。

加热炉为步进式加热炉，冷料的额定小时产量为150t/h，装出料方式为侧进侧出，可单排和双排装料，燃料为高炉煤气，加热炉采用气化冷却、煤气空气双蓄热燃烧技术。

全生产线18架轧机分为粗、中、精轧三个机组，粗轧机组6架轧机，中轧机组8架轧机，精轧机组为4架轧机。其中，在第13～14架轧机具备快速换辊功能，16#、18#架轧机为平、立可转换轧机，全线轧机为短应力线轧机。轧线上设有两台切头和事故碎段剪，一台倍尺飞剪。

在中精轧机组间的两组和精轧机后的一组水箱用于某些需控温轧制的产品的生产，需控温的规格为Φ18～40mm。在精轧机组后设置淬火加回火处理(QTB)装置，用来对Φ12～40mm的螺纹钢进行控制冷却。该装置由四条水冷线加一条辊道运输线组成，其中有三条水冷线是用于2～3线切分的螺纹钢的冷却，有一条水冷线是用于线轧制螺纹钢时的冷却，辊道运输线是用来运送不需QTB处理的规格。

冷床为步进齿条式，宽120m，长14m。冷床在输入侧设有矫直板，在输出侧设有齐头辊道、编组链和平移装置。

定尺摆剪位于冷床输出辊道之后用于下冷床之后的轧件的定尺剪切。在冷剪之后设有加速辊道和双辊道，用来将切成定尺的钢材移送到链式运输机上。

在链式运输机后部设有钢材的计数装置，自动完成成品钢材的定支包装。

在链式运输机后为钢材的堆垛装置，自动打捆机，称重装置等。

车间电气传动采用了当今较流行的变频调速技术以及先进的自动化控制系统。硬件系统配置如图1所示。

图1 硬件系统配置

2.2 工艺流程

承钢棒材厂原料采用炼钢厂提供的合格的钢坯，通过汽车运输到棒材厂原料跨。根据生产指令，用原料跨磁盘天车上料，置于冷坯上料台架上，通过拨爪式上料台架将坯料运至移钢设备将坯料放置于上料辊道上，经过坯料的称重、不合格坯的剔除，进入加热炉中加热。热连铸坯将通过辊道直接送至加热炉的称重测长系统、不合格连铸坯的剔除，入炉加热。钢坯在步进式加热炉中加热至950～1050℃后，由炉内辊道送出炉外。经加热后的钢坯经高压水除磷后，通过夹送辊将钢坯送至粗轧机组轧制。轧机共18架，分为粗、中、精轧机组，以6-8-4的数量化分，全线轧机成平立交替式布置，其中，精轧机组的16、18架轧机为平立可转换轧机。轧机由交流电动机单独驱动，轧件在1～10架轧机之间采用微张力轧制技术，10～18架轧机之间采用活套无张力轧制。较小规格采用全线18架轧机轧制，轧制大规格时相应减少机架，减少的主要原则是:直径小于40mm的规格尽量采用精轧机轧制。在轧制过程中，各机组之间设有飞剪，用于切去轧件的不良头尾，当出现故障时，飞剪可立刻将轧件碎断。

3 微张力模型的设计

微张力的工艺原理是在相临的两个机架之间实现无张力轧制。通过上游和下游机架的速度级联关系自动修正速度，保持金属秒流量相等。由于张力由轧辊之间的速度差造成，并且张力形成环节受环境条件及建模误差的影响，使得张力形成环节的模型与真实模型存在不确定性，为了使现代棒材连轧机始终保持棒材在恒定的张力状态下进行轧制，以获得高质量的成品棒材，必须装备控制系统建立微张力轧制模型和速度级联模型等各种控制模型。

3.1 微张力产生的原理

微张力控制实质上是通过对相临两工作机架中上游机架的电机转距进行检测，加以记忆存储，形成表示钢坯内张力大小的实际值，与设定的张力给定值的偏差，通过比例、积分控制校正上游机架的速度，协调两机架之间的关系，实现微张力控制。其控制关键是准确测量各轧机的轧制力矩。系统通过检测对应机架的电枢转距间接得到该值。当本机架的轧机咬钢而轧件尚未进入下架轧机时，系统计算出的力矩值便是本轧机的轧制力距值。当下架轧机也咬钢时，重新计算得到新的力矩，两力矩之差是轧件上的张力力矩。若偏差值为正，表示机架间堆钢;若偏差值为负，表示机架间拉钢。系统就是根据该偏差值的正负和大小，给出相应的速度修正来平衡轧机的速度，保证机架间的轧件张力被限制在一定范围内，实现微张力控制。用公式表示为:

T=MN－MN-1

T＞0代表推;

T＜0代表拉;

MN表示上游机架记载的转矩;

MN-1表示坯料头部进入下游机架后记载的转矩转矩

两者之差即为张力。

由于微张力控制将两相临机架通过轧件联系起来，使其存在偶合关系，系统不具备鲁棒性，为此，引如速度校正因子进行解耦。当微张力控制开始时，速度校正因子进行自我补偿调节，通过不断的自动修正，消除初始偏差，在两轧机间形成均匀协调的速度。一般要假设过程动态特性的信息和它的变化范围。一些算法不需要精确的过程模型，但需要一些离线辨识。微张力控制的设计是以一些最差的情况为基础，因此一般系统并不工作在最优状态。过程的动态特性已知且不确定因素的变化范围可以预估，棒材厂所有的张力控制模型在AMS系统完成，微张力原理图如图2：

图2 微张力形成原理图