（材料加工工程专业论文）热轧带钢粗轧过程控制与模型的研究和应用.pdf

r 一 ad i s s e r t a t i o ni nm a t e r i a l sf o r m i n ge n g i n e e r i n g r o l l i n gp r o c e s sc o n t r o l a n dm o d e l s s t u d ya n d a p p l i c a t i o n f o rr o u g hs t a n d so fh o t s t r i pm i l l b y t i a ny e s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o r h ux i a n l e i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e 2 0 0 8 j 、 t i p 士= l 明明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 = 也 思。 本人娩嘲 日 期：d 辫1 日i 习 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： j 东北大学硕士学位论文 摘要 热轧带钢粗轧过程控制与模型的研究和应用 摘要 本文依托宁波钢铁17 8 0 m m 热轧带钢工程项目，对粗轧控制系统和平台的结构 与功能、粗轧过程数学模型、粗轧负荷分配和轧制规程计算方法、粗轧自动宽度控 制等进行了研究，建立了粗轧过程控制系统，开发了相应的在线应用软件，现场应 用取得了良好的效果。具体研究内容和结果如下： ( 1 ) 在h d p 系统平台上，根据宁钢工程项目的设备具体位置和工艺流程，设 计粗轧计算机控制系统，确定设定计算、模型自学习和构建层别表等的具体内容。 ( 2 ) 分析了温度、负荷、宽度等工艺参数的变化对粗轧过程控制的影响，确 定适用于粗轧过程控制的各类数学模型的形式，使用指数平滑法对模型参数进行自 学习。 ( 3 ) 分析传统负荷分配和粗轧规程计算方法的特点，使用目标厚度函数法进 行轧制规程的数值计算，针对粗轧立一平轧交替的特点，使用满足粗轧过程控制需 要的综合等负荷函数法对粗轧各个道次进行了负荷分配。通过现场实际应用验证了 这种分配方法的合理性。 ( 4 ) 研究了头尾短行程控制、立辊动态设定等粗轧自动宽度控制方法。结合 宁钢热轧带钢工程，重点介绍了头尾短行程控制( s s c ) 在现场的实际应用，给出 了合理的应用方案，取得了良好的控制效果。 ( 5 ) 分析了轧制规程在现场的实际应用情况，利用现场采集的实测数据验证 了温度、负荷、宽度等控制模型的预报精度。结果表明这套粗轧过程控制模型在线 应用效果良好。 本文的研究结果，针对热连轧粗轧过程在线实时控制，具有很强的实用性。所 开发的粗轧过程控制模型己成功应用于宁波钢铁1 7 8 0 r a m 热轧带钢工程，对我国粗 轧过程控制模型的开发与研究起到积极的促进作用。 关键词：热轧带钢，粗轧，过程控制，数学模型，负荷分配，轧制规程，自动宽度 控制，短行程控制 p h m d i s s e r t a t i o no f n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t ya b s t r a c t 1 r o l l i n gp r o c e s sc o n t r o la n dm o d e l s s t u d ya n d a p p l i c a t i o nf o rr o u g h s t a n d so fh o ts t r i pm i l l a b s 瞰c t u n d e rt h eb a c k g r o u n do ft h en i n g b os t e e l17 8 0 r a mh o ts t r i pm i l lp r o j e c t , s t u d yt h e s t r u c t u r ea n df u n c t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e ma n dp l a t f o r m ，m a t h e m a t i c a lm o d e l s ，l o a d d i s t r i b u t i o nm e t h o d sa n ds c h e d u l ec a l c u l a t i o nm e t h o d s ，a u t o m a t i cw i d t hc o n t r o lm e t h o d s f o rr o u g hs t a n d s ，b u i l dt h ep r o c e s sc o n t r o ls y s t e mf o rr o u g hs t a n d s ，d e v e l o pt h er e l a t e d o n - l i n ea p p l i c a t i o ns o f t w a r e ，s o m eo ft h e mp u ti n t oo ns i t ea n dt h er e s u l t sw e r e s a t i s f a c t i o n 1 1 l em a i nw o r k sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w e d ： ( 1 ) o nt h eh d ps y s t e mp l a t f o r m ，t a k et h ep l a n t ss p e c i f i ce q u i p m e n t sc o n f i g u r a t i o n a n dt e c h n o l o g yi n t oa c c o u n t , d e s i g nr o u g hr o l l i n gp r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ，a n dd e t e r m i n e t h ec o m e n to f s e t - u pc a l c u l a t i o n , l e a r nf u n c t i o na n dd e s i g nt h et a b l eo f h i e r a r c h y , e t c ( 2 ) a n a l y z ed i f f e r e n tk i n d so fm a t h e m a t i c a lm o d e l si nr o u g hr o l l i n gz o n e ，s u c ha s t e m p e r a t u r em o d e l s ，r o l ll o a dm o d e l s ，w i d t hm o d e l s , d e t e r m i n et h e i ra p p r o p r i a t ef o r m sf o r r o u g hr o l l i n gp r o c e s sc o n t r 0 1 a n dp e r f o r mm o d e l s l e a m i n gw i 1e x p o n e n t i a ls m o o t h i n g m e t h o d ( 3 ) b ye v a l u a t i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft r a d i t i o n a ll o a dd i s t r i b u t i o nm e t h o d sa n d s c h e d u l ec m c u i a t i o nm e t h o d s ，an o v e ln u m e r i c a lc o m p u t a t i o nm e t h o dn a m e dt a r g e t t h i c k n e s sm e t h o di su s e dt oc a l c u l a t er o l l i n gs c h e d u l e ，ac o m p o u n de q u a ll o a dd i s t r i b u t i o n m e t h o di su s e dt od i s t r i b u t er o l l i n gl o a do fr o u g hs t a n d s p r o v et h i sm e t h o d sr a t i o n a l i t y p a s st h ea c t u a la p p l i c a t i o ni nt h el o c a l e ( 4 ) a p p l yv a r i o u sa u t o m a t i cw i d t hc o n t r o lm e t h o d ss u c ha ss h o r ts t r o k ec o n t r o l , d y n a m i cs e t - u p ，a n ds oo i la c c o r d i n ga sn i n g b os t e e lh o ts t r i pm i l lp r o j e c t , e m p h a s e s i n t r o d u c et h ea c t u a la p p l i c a t i o no fh e a da n dt a i ls h o r ts t r o k ec o n t r o li nt h el o c a l e , g e tt h e n i c e ra p p l i c a t i o ne f f e c t ( 5 ) a n a l y z et h ea c t u a la p p l i c a t i o no fr o u g hr o l l i n gs c h e d u l ei nt h el o c a l e , a n dp r o v e t e m p e r a t u r e 、r o l ll o a da n dw i d t hm o d e l s e f f i c i e n c yw i t ha c t u a ld a t a t h er e s u l t si n d i c a t e t h a tt h i sp r o c e s sc o n t r o lm o d e l s f o rr o u g hs t a n d sg e tt h en i c e ra p p l i c a t i o ne f f e c t t h er e s e a r c hr e s u l t si nt h et h e s i sh a v es t r o n gp r a c t i c a b i l i t yf o rh o ts t r i pm i l lo n - l i n e i i i p h m d i s s e r t a t i o no f n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y a b s t r a c t p r o c e s sc o n t r o lf o rr o u g hs t a n d s d e v e l o p e dr o u g hr o l l i n gp r o c e s sc o n t r o lm o d e l sw a s a p p l i e ds u c c e s s f u l l yi nt h en i n g b os t e e l17 8 0 m m h o ts t r i pm i l lp r o j e c ta n di ti sp o s i t i v et o a c c e l e r a t et h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho f p r o c e s sc o n t r o lm o d e l sf o rr o u g hs t a n d si no u r c o u n t r y k e y w o r d s ：h o ts t r i pm i l l ，r o u g hs t a n d s ，p r o c e s sc o n t r o l ，m a t h e m a t i c a lm o d e l ，l o a d d i s t r i b u t i o n , r o l l i n gs c h e d u l e ，a u t o m a t i cw i d t hc o n t r o l ，s h o r ts t r o k ec o n t r o l t 东北大学硕士学位论文目录 声明 摘要 第1 章绪论 目录 l 1 1研究的背景、目的和意义1 1 2热轧带钢的发展概况1 1 3粗轧机组的布置形式5 1 4 粗轧过程控制的发展6 1 4 1 过程控制系统6 1 4 2 数学模型8 1 4 3 负荷分配与规程计算9 1 4 4 自动宽度控制1 1 1 5 本文的主要研究内容1 2 第2 章粗轧过程控制系统 2 1 工艺概况。1 4 2 2 系统开发平台15 2 2 1h d p 概j 峦15 2 2 2系统的运行环境和开发环境1 6 2 3 系统功能一1 6 2 3 1数据采集17 2 3 2 轧件跟踪1 7 2 3 3 数据通讯l8 2 3 4粗轧规程设定计算18 2 3 5模型参数的自学习2 1 2 3 6构建层别表2 2 2 4 本章小结一2 3 第3 章粗轧过程数学模型2 4 东北大学硕士学位论丈目录 3 1温度计算模型2 4 3 1 1空冷过程2 4 3 1 2水冷过程2 6 3 1 3塑性变形热2 6 3 1 4摩擦生成热2 7 3 1 5接触传热2 7 3 1 6轧件的温度分布2 8 3 2 负荷计算模型2 8 3 2 1轧制力模型2 9 3 2 2轧制力矩及功率3 3 3 3 宽度计算模型。3 4 3 4 其它模型。3 5 3 4 1轧件尺寸冷热交换3 5 3 4 2前滑3 6 3 4 3辊缝的开口度设定3 6 3 5 模型的自学习。3 7 3 6 本章小结。3 8 第4 章负荷分配与轧制规程计算3 9 4 1 负荷分配的传统方法。3 9 4 1 1能耗曲线法3 9 4 1 2轧制理论法4 1 4 2 规程的数值计算方法4 2 4 2 1牛顿迭代法4 2 4 2 2 目标厚度函数法4 3 4 3 综合等负荷函数法。4 5 4 3 1方法简介4 5 4 3 2方法步骤4 7 4 3 3计算实例与结果分析4 9 4 4 现场实际轧制规程计算5 0 4 4 1输入数据的预处理5 0 4 4 2规程设定值的计算5 2 东北大学硕士学位论文目录 4 4 3现场轧制规程计算实例5 4 4 5 本章小结5 6 第5 章粗轧自动宽度控制 5 1自动宽度控制组成。5 7 5 2 短行程控制5 8 5 2 1基本原理5 8 5 2 2 等宽车l s j j 下的短行程控制6 0 5 2 3减宽轧制下的短行程控制6 2 5 2 4短行程控制效果6 3 5 3 动态设定6 4 5 4本章小结6 5 第6 章控制模型的现场应用。 6 1 生产线主要设备组成与布置6 6 6 2 产品大纲6 8 6 3 轧制规程的在线应用6 9 6 4 控制模型的在线应用7 1 6 4 1温度计算模型的在线应用7 1 6 4 2轧制力模型的在线应用7 2 6 4 3宽度计算模型的在线应用7 5 6 5 现场应用中发现的问题7 6 6 6 本章小结7 7 第7 章结论7 8 参考文献8 0 致谢 r 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究的背景、目的和意义 2 0 0 7 我国粗钢产量4 6 亿吨，同比增长1 8 4 8 ，板材比达到4 3 5 ，同比提 高了2 9 个百分点，预计2 0 0 8 年我国粗钢产量比2 0 0 7 年增长1 2 左右。根据国 民经济发展规划，2 0 1 0 年我国钢铁消费将达6 亿吨，板材比将进一步提高到5 0 左右。在这种形势下，各地企业纷纷投资兴建热轧带钢生产线。 我国热轧带钢生产线的建设走的是一条整体引进国外先进设备和技术，国内 自主集成的道路，通过长期消化吸收引进技术，目前国内已基本具有工艺设计、 主体设备制造、自动控制系统设计的能力，但在部分关键设备的制造、成套自动 化系统和关键工艺模型上仍与国际先进水平有一定的差距。 国外引进的热轧带钢自动控制系统投资大，难于维护，并且由于引进系统中 一些关键模型和技术通常被封装，使新功能和新产品的开发受到限制。国内自主 开发和集成的系统不仅能够降低投资，更重要的是可积累自主开发的经验，使系 统集成水平不断提高。 本文将结合宁波钢铁1 7 8 0 m m 热轧带钢工程项目，设计粗轧过程控制系统的 结构和功能，研究适用于粗轧过程控制的数学模型，通过模型的自学习功能优化 数学模型、提高控制精度和产品质量，最终开发出具有完全自主知识产权的粗轧 过程控制系统软件。 目前我国某些大型钢铁企业的热轧带钢生产线的装机水平和生产能力已达到 了国际水平，但中小企业、民营企业的技术水平相对落后，随着现有生产线产能 的扩大和一大批新建生产线的投产，热轧带钢市场必将出现产能过剩、供大于求 的现象，企业要在激烈的竞争中占领市场，就必须要发展先进的生产技术。 目前的有效手段是研究人员在轧制自动控制系统和工艺模型等方面不断学习 国际先进技术并开展切实的自主创新，这对于我国摆脱钢铁制造技术“引进一落 后一再引进一再落后 的怪圈、成为真正的钢铁强国和创新型国家具有重要意义。 1 2 热轧带钢的发展概况 1 9 2 4 年，世界第一套带钢热连轧生产线( 1 4 7 0 m m ) 在美国阿斯兰问世，至 今热连轧带钢已有八十多年的发展历史。汽车、建筑、交通等行业的持续发展使 1 东北大学硕士学位论叉第1 章绪论 热轧板带的需求量不断增长，从而带动了热轧带钢生产线的建设和技术进步。 1 9 6 0 年前建设的热带钢轧机可称为第一代热带轧机【1 1 ，主要集中在欧美地区。 从2 0 世纪6 0 年代到7 0 年代初，连铸板坯、升速轧制、步进式加热炉、大型粗轧 机、精轧机组7 机架配置、厚度自动控制、高效率层流冷却技术以及轧制过程计 算机控制的全面应用，将热轧带钢生产技术推向一个新的发展阶段。 美国学者把2 0 世纪6 0 年代建设的1 1 套热带钢轧机称为第二代热带轧机，后 来日本和欧洲于1 9 6 9 - 1 9 7 4 年期间建设的8 9 套热带轧机在主要生产工艺技术 指标方面又超过了第二代，被称为第三代热带轧机。 2 0 世纪8 0 年代后，工业发达国家钢材市场供大于求的形势使得板带生产的 指导思想从追求大型化、高速度、大卷重转向提高产品质量、成材率和降低成本。 相继出现了薄板坯连铸连轧技术、铁素体区轧制工艺、热轧无头轧制技术、薄带 铸轧工艺等先进热轧带钢生产技术【2 。4 】，推动了技术的进步。 我国第一条热轧带钢生产线一鞍钢1 7 0 0 m m 始建于1 9 5 7 年，此后直至1 9 7 8 年才建成武钢1 7 0 0 m m 。近3 0 年来，我国热轧带钢的发展大体可分为三个阶段【5 1 。 ( 1 ) 初期发展阶段。 这个阶段热轧带钢生产线的建设依靠国家投入，由于资金、技术等多方面的 限制，水平参差不齐。1 9 8 9 年投产的宝钢2 0 5 0 m m 代表了当时国际先进水平，采 用了诸如二级计算机控制、c v c 板形控制、强力弯辊、控轧控冷、自动宽度控制、 自动厚度控制等一系列最先进的生产技术；采用国外五六十年代二手设备的太钢 1 4 5 9 m m 、梅钢1 4 2 2 m m 整体技术水平相对落后；国产的本钢17 0 0 m m 和攀钢 1 4 5 0 m m 由于国内技术水平和装备制造水平的限制，整体水平不高。 ( 2 ) 持续引进阶段。 这个阶段引进的常规热连轧线有宝钢1 5 8 0 m m 、鞍钢1 7 8 0 m m ，采用了板坯 定宽压力机、p c 板形控制系统、中间辊道保温、带坯边部感应加热等先进技术， 期间还捆绑引进了珠钢1 5 0 0 m m 、邯钢1 9 0 0 m m 、包钢1 7 0 0 m m 等三套当时世界 最先进的薄板坯连铸连轧线( c s p ) 。 ( 3 ) 高速发展阶段。 跨入新世纪后，我国国民经济呈持续快速发展态势，对板带材的需求不断增 加，除了大中型国营钢铁企业外，一些实力较强的民营企业也纷纷投资新建热轧 带钢生产线，而原有技术较落后的生产线也开始进行全面的技术改造。新建生产 线涵盖了常规热轧带钢线、( 中) 薄板坯连铸连轧线，炉卷轧机等多种类型，除了 2 t a b l e1 1g e n e r a lh o ts t r i pm i l l sb u i l tw i t hf o r e i g na d v a n c e dt e c h n o l o g y - _ _ _ _ - _ - _ - - - _ 一一一 一一 声能 序号 机组名称类型投产改造时间 另毒篇 技术来源 】武钢1 7 0 0 常规1 9 7 8 1 2 2 0 0 7 4 0 0新日铁( 西马克改造) 2 武钢2 2 5 0常规 2 0 0 3 4 4 5 0 西马克 3 宝钢2 0 5 0 常规1 9 8 9 1 0 5 2 0 西马克 4宝钢1 5 8 0常规 1 9 9 6 1 2 2 8 0 三菱 5 宝钢1 8 8 0 常规 2 0 0 7 43 7 0三菱日立 6鞍钢1 7 8 0 常规 1 9 9 9 1 l4 3 8三菱 7上钢一厂1 7 8 0 常规 2 0 0 3 1 22 8 2三菱 8太钢2 2 5 0 常规 2 0 0 6 63 8 0西马克 9 首钢2 2 5 0 常规 2 0 0 6 1 24 4 0西马克 1 0 马钢2 2 5 0常规 2 0 0 7 3 5 5 0 西马克 1 】 邯钢2 2 5 0常规2 0 0 7 年末4 5 0 西马克 表1 2 引进先进技术建设的薄板坯连铸连轧机组 t a b l e1 2c o m p a c ts t r i pp r o d u c t i o nm i l l sb u i l tw i t ha d v a n c e dt e c h n o l o g y d - g -机组名称 类型 投产篙造时蒜 技术来源 】珠钢1 5 0 0 c s p1 9 9 9 81 8 0西马克 2 邯钢1 9 0 0c s p 1 9 9 9 1 22 5 0西马克 3 包钢1 7 5 0 c s p2 0 0 1 1 12 8 0西马克 4唐钢1 8 1 0 f t s r2 0 0 3 12 5 0达涅利三菱 5马钢1 7 5 0 c s p2 0 0 3 1 02 0 0西马克 6 涟钢1 7 5 0 c s p2 0 0 4 2 2 3 5 西马克 7本钢1 8 8 0 f t s r2 0 0 4 1 1 2 8 0 达涅利三菱 8 通化1 7 1 0 f t s r2 0 0 5 1 4 0 ( 2 5 0 ) 达涅利三菱 9 酒钢1 8 1 0 c s p2 0 0 5 2 0 0 西马克 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 表1 3 经过现代化改造的热轧宽带机组 t a b l e1 3a m e l i o r a t e dh o ts t r i pm i l l s 表1 4 国内技术为主建设的热轧宽带机组( 含在建与拟建) t a b l e1 4h o ts t r i pm i l l sb u i l tw i t hd o m e s t i ct e c h n o l o g y - 4 目前我国热轧带钢的技术装备已处于世界先进水平，待在建、拟建的生产线 投产后，总数将达5 0 多套，数量和产量均居世界首位，预计到2 0 0 8 年底我国热 轧带钢总年产能力将达到1 4 亿吨，再加上酒钢、昆钢、韶钢、南钢和安钢等5 套炉卷轧机可生产部分热轧宽带钢，另外尚有数十条5 5 0 - - 一9 5 0 m m 的中宽带生产 线，未来将逐步形成热轧带钢供大于求的局面，企业间竞争的焦点将集中在提高 产品质量和档次、扩大品种规格、降低成本和消耗、提升产品附加值等方面。 1 3 粗轧机组的布置形式 在热轧带钢的发展过程中，粗轧机组的布置曾发生了多次变化，图1 1 中给 出了常规热轧带钢生产线的几种典型布置形式。 r 2r 1 r 4 r 5r 6 - - - - - + - - 啼 r 2r 3r 4 图1 1 粗轧机组典型布置形式 f i l 1 1t y p i c f lc o n f i g u r a t i o n so fr o u g hm i l l s 图1 1 ( a ) 为双机架半连续式布置，r l 可以是可逆或不可逆轧机，轧制l 5 道次，r 2 为可逆轧机，轧制3 5 道次；图1 1 ( b ) 为单机架半连续式布置， 采用一架粗轧机r 1 进行5 7 道次可逆轧制。 5 东北大学硕士学位论天第1 章绪论 图1 1 ( c ) 所示的全连续式布置，轧件沿单方向连续轧制，生产能力大。但 这种布置方式的缺点是机架多，设备总重过大，轧制线过长，并且由于粗轧道次 受机架个数限制，板坯厚度范围受限。 图1 1 ( d ) 所示的3 4 连续式布置，r 1 轧制1 道次后在r 2 轧机可逆轧制3 7 道次，r 3 、r 4 连续轧制，与全连续相比，这一布置增加了灵活性，缩短了轧线 长度，但设备总重仍较大。 粗轧机组布置形式的选择不仅要考虑设备和厂房的投资，也要考虑到与加热 炉和精轧机组生产能力的匹配。随着轧机结构的改进和控制水平的提高，粗轧机 组的生产能力不断加强，因此新建的常规热轧带钢生产线通常采用双机架半连续 式的布置形式8 】( 宁波钢铁1 7 8 0 m m 热轧带钢生产线采用此种布置形式) ，而对于 相对较窄( 15 8 0 m m 以下) 的生产线，使用单机架半连续式即可。 1 4 粗轧过程控制的发展 粗轧过程控制涉及到控制系统、数学模型、负荷分配和规程计算、自动宽度 控制等诸多内容，下面将就这几个方面分别作简要介绍。 1 4 1 过程控制系统 热轧带钢计算机控制系统是目前冶金工业中发展得最成熟、应用效果最明显 的计算机控制系统，已有近五十年的发展历史，从最初的精轧模拟a g c 到压下 位置、轧机速度的预设定再到轧线全长的自动控制，发展迅速，至上世纪8 0 年代 趋于成熟，不仅提高了生产效率，而且还大幅改善了产品的尺寸精度和性能指标 【9 1 。其发展特点主要集中在以下几个方面【1 0 】： ( 1 ) 系统结构逐步分散。 随着计算机和网络技术、电气传动技术的进步，系统结构由最初的单机集中 控制发展为多级分区集中控制，再发展为分散控制。分散控制结构兼顾了工艺流 程和功能的分工，便于现场调试和故障诊断。 ( 2 ) 控制功能不断完善。 控制功能已从最初的设定控制，发展到全线的自动控制、产品质量控制、节 能控制，再发展到设备故障诊断，产品的组织性能预报、性能控制等，控制功能 不断完善。 ( 3 ) 控制精度不断提高。 6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 m l wtm lm 一 - - i i i i i i i i 随着控制功能的不断完善，对产品的控制精度也在不断提高。表1 5 综合给 出了国外公司对产品质量的考核保证指标，从中可以看出产品质量达到的水平 【1 1 】 o 表1 5 国外公司对产品质量的考核指标 t a b l e1 5c r i t e r i o nf o rp r o d u c tq u a l i t yo fa l i e nc o r p o r a t i o n s ( 4 ) 控制范围不断扩大。 最初的控制范围主要是精轧机的压下和速度；上世纪6 0 年代中后期，控制范 围扩大到加热炉、粗轧机、精轧机、卷取机；上世纪8 0 年代，控制范围又扩大到 板坯库、钢卷库、成品库和热平整线、热剪切线，从而覆盖全厂。 ( 5 ) 软硬件标准化。 标准化的系统软硬件可应用于多种类型的热轧生产线。系统过程控制级由 a l p h a 服务器转向p c 服务器，基础自动化级常用的高性能控制器有德国西门子 公司的s i m a t i ct d c 系统、s i m a d y n d 系统；美国g e 公司的i n n o v a t i o n 系统、v m i c 控制器；日本三菱公司的m e l p l a c 系统，日本芝菱公司的v 系列； 法国a l s t o m 公司的a l s p a 系统等。 完整的现代化热轧厂自动化系统应具有五级计算机控制系统【1 2 】， 0 级：d c 传动控制计算机系统( l od r i v e ) 1 级：基础自动化计算机系统( l 1b a s i ca u t o m a t i o n ) 2 级：过程控制计算机系统( l 2p r o c e s sc o n t r 0 1 ) 3 级：生产控制计算机系统( l 3p r o d u c t i o nc o n t r 0 1 ) 4 级：生产管理计算机系统( l 4p r o d u c t i o nm a n a g e ) 我国热轧带钢生产企业一般都具有前三级或前四级计算机控制。 过程控制计算机系统完成轧线设备的参数设定及动态设定等任务，操作人员 仅需做一些补充工作。依靠经验和技巧、基于科学基础原理并通过编程技术建立 的过程控制系统所起的作用将优于一组受过专业培训的熟练操作人员【1 3 】，过程控 制计算机可以全天2 4 小时工作而无需额外成本，并且能轻易实现技术转移。 7 ， 东北大学硕士学位论父第1 章绪论 1 4 2 数学模型 数学模型是描述生产过程内在规律的数学表达式【1 4 】。 过程控制系统需要对轧线上的各种设备作正确的设定和动态控制，以生产出 满足目标尺寸精度和性能的轧制产品。正确的设定是建立在对轧制过程中的各种 参数，如轧件尺寸、温度、轧制力等进行准确预测的基础上的。轧制过程数学模 型完成的就是这样的预测功能。除了能提高设定精度外，准确的预测还可以防止 设备在能力超限的情况下工作。 粗轧过程数学模型源于传热学、塑性力学及弹性力学理论，在机理上比较成 熟，但现场实用数学模型的形式与计算机的性能密切相关。早期过程计算机的运 算能力比较弱，存储空间有限，因此模型大都采用简化形式和表格，限制了模型 的设定精度：随着计算机性能和性价比的迅速提高，在过程控制所限定的短时间 内完成大量数值计算变得可能，这也使得轧制过程数学模型可考虑的因素更多， 形式更加完备，设定也更合理。 当前实用的方法是采用基于理论的机理模型以保证正确反映各工艺变量影响 的定性规律，然后在现场采集大量生产数据通过统计回归确定模型系数来保证模 型的定量精度，但采用这种方法建立的数学模型在应用于过程控制时精度都是有 限的，产生偏差主要有以下几个原因【1 5 】： ( 1 ) 理论模型推导时所采用的“假设条件 并不绝对成立，先天存在误差； ( 2 ) 系统特性在实际生产过程中是不断变化的，致使回归模型的“平均条件” 不能绝对成立； ( 3 ) 检测仪表存在一定的测量误差。 因此，为了保证模型的预报精度，需要不断利用实测数据和即时信息进行模 型参数的修正，即模型自学习。 为进一步提高数学模型的计算精度，又引入了层别的概念。将影响模型计算 精度的主要因素看成是一个多维空间，然后将这个多维空间划分成多个小单元体， 不同单元体对应有不同的数学模型参数，一个单元体即为一个层别。由于轧制过 程数学模型一般都是非线性模型，其计算精度取决于模型的非线性拟合程度，采 用划分层别的方法在某种意义上降低了模型的非线性程度，故而通过层别的划分 与自学习方法相结合，可以大幅度提高数学模型的计算精度【l6 1 。 8 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 4 3 负荷分配与规程计算 粗轧规程计算是指根据坯料的尺寸、钢种、轧辊直径、设备限制条件及工艺 限制条件来设定各道次的轧制速度和出口轧件的目标尺寸，并由此计算出各道次 的轧机辊缝。 轧制规程计算的中心问题是制定轧件厚度在轧制过程中的减薄途径，如图1 2 所示，从s l n 来料板厚到轧制目标板厚有无数个不同的路径，要在其中确定一个 减薄路径必须设定约束条件。当进行刀道次轧制时，从来料厚度到目标厚度的n + 1 个厚度值中，来料厚度与目标厚度已知，要确定减薄途径还需要刀一1 个约束条件 0 7 1 。 e e 酸 辎 钼 怒 测 妇 图1 2 轧件厚度减薄途径 f i g 1 2t h er e d u c t i o nr o u t eo f r o l l i n gb a rt h i c k n e s s 由于计算出的轧制规程可能使设备超负荷，因此从操作稳妥和合理利用设备 考虑，一般会指定各道次轧制负荷( 压下量、轧制力、轧制力矩、轧制功率等) 间的比值，将总负荷以适当的比例分配到各道次，避免负荷不均，同时也便于操 作管理。因此前文提及的疗一1 个约束条件通常由各个道次轧制负荷的比率关系式 或其它“目标 关系式来提供，而确定这个关系式的过程就是负荷分配。负荷分 配确定后就可计算出相应的轧制规程，从而决定了轧制过程的状态特性。负荷分 配的合理与否，对成材率、成品质量、轧制设备调整和事故的多少均有重要的影 响。 热轧带钢轧制规程计算最初使用的是经验能耗曲线法，而后是经轧制理论改 9 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 进的能耗曲线法【”】，伴随着上世纪6 0 年代计算机数值计算技术在轧制领域的应 用，开始应用基于轧制理论的方法并延续至今1 7 , 1 9 】。这些方法的能耗或负荷比率 通常是依靠经验值决定，为了减少对经验值的依赖，出现了各种轧制规程的优化 方法【2 0 2 2 】和优化算法 2 1 , 2 3 - 2 7 】，如图1 3 所示。 应用由经验得出的能耗曲线方法 u i 采用轧制理论的能耗曲线方法 u 基于轧制理论的方法 u 轧制规程的优化方法： 动态程序的应用 专家系统的应用 模糊函数多目标规划法的应用 目标厚度函数法的应用 综合等负荷函数法的应用 图1 3 轧制规程计算技术的进程 f i g 1 3t h ed e v e l o p m e n to f c a l c u l a t i o no f r o l l i n gs c h e d u l e 如图1 2 所示，经过刀道次将厚度为的来料轧成厚度为吃的中间坯的轧制 方案有无数个，轧制规程优化的基本方法是对大批方案进行比较和选择，从中选 取一个既满足限制条件又是最优或较优的方案，而评价方案优劣的标准若用数量 形式来描述，就称为“目标函数”。从数学角度来说，最优化计算就是求目标函数 在满足约束条件下的最d , 最大值的问题，或称条件极值问题【2 8 1 。 轧制规程优化的方法有动态规划法、多目标模糊规划法、遗传算法、混沌优 化算法，变尺度混沌遗传算法等等。但由于计算量较大，这些方法只能通过离线 模拟得到一个“最优的负荷分配比供在线时轧制规程计算使用，无在线优化功 能。 我国发明的综合等负荷函数法【2 9 】亦是通过指定各种负荷的关系来确定轧制 规程。该方法引入了综合负荷函数的概念，通过迭代修正厚度压下规程来实现各 道次综合负荷函数值的相等。根据轧制负荷函数的单调性，在数学上已证明等负 荷函数分配是存在且唯一的30 1 。这种方法及其改进方法已在中厚板轧机上得到了 成功应用【3 卜36 1 ，具有在线优化的功能，目前此方法在热轧带钢轧机上也取得了一 定的应用【37 1 。 10 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 4 4 自动宽度控制 为解决使用少数规格连铸坯生产多种规格产品的问题，实现连铸和热轧之间 宽度衔接，并保证轧件的宽度精度，热轧带钢生产线广泛采用调宽和控宽技术。 由于连铸机在线调宽较困难，精轧机组又难以调整带钢宽度，因此调宽和控宽主 要在粗轧区进行。 调宽主要是通过压缩( p r e s s i n g ) 或轧制( r o l l i n g ) 这两种方式实现的。压缩 是指采用板坯定宽压力机在板坯出炉后进行侧压，而轧制则是采用立平辊交替轧 制的方式来进行轧件减宽。宁波钢铁1 7 8 0 m m 热轧带钢生产线未采用板坯定宽压 力机进行调宽，主要使用加强型立辊进行大宽度压下来实现对轧件的宽度控制。 板坯在宽度方向轧制时，变形集中于边部局部区域，其横断面出现明显双鼓 形( 习惯称狗骨形) ，且因不均匀变形造成板坯头尾端形成鱼尾或舌头形，头尾宽 度偏差较大。鱼尾或舌头形部分将在进精轧前被切除，因此，为提高产品宽度精 度，抑制鱼尾和舌头的形成，提高成材率，头尾短行程控制( s s c ) 在实际生产 中得到了广泛应用。 为了解轧制调宽过程的变形规律，制定较合理的工艺规程，从2 0 世纪7 0 年