（材料加工工程专业论文）板带热连轧微张力模糊控制的研究与应用.pdf

东北大学硕士学住论文摘要 板带热连轧微张力模糊控制的研究与应用 摘要 本文以板带热连轧机的微张力模糊智能控制为研究背景，以国内外技术资料 为基础，针对某热连轧生产线粗轧机组以及精轧机组上游机架的无活套微张力控 制，选择适用的工艺和控制方案，建立了一套针对热连轧机无活套微张力控制的 完整解决方案，同时配置了功能实用的计算机控制系统，编制合理的p l c 程序。 并已经将该控制策略应用于实际热连轧过程，实际运行效果表明，陔方法克服了 传统的p i d 方法超凋量大、调节时问长和跟随性差等缺点，取得丁良好的控制效 果。本文的主要研究内容干u 取得的主要成果如下： ( 1 ) 首先分析丁张力的产生原因井根据实际需要采用 乜流记忆法对张力 进行检测；详细介绍了无活套微张力的控制原理。 ( 2 ) 在模糊控制器的设计过程中，由实际情况确定了输入匿的物理范围 并采用合理的量化因子将其转换到论域上，定义了七个档位的梯形隶属度函数： 同时，根掘专家经验仞步迎立了模糊控制规则，并在实际嗣试过程中逐步完落， 得到最优的模糊控制方案。 ( 3 ) 在工艺和控制要求下。配霞了计算机控制系统。使用s i e m e n s 的 s t e p7 软件编制了系统的应用软件程序，利用w i n c c 建立了数掘采集和监控系 统。 ( 4 ) 考虑到实际轧制过程中，由于轧件的头尾温差所致，各机架的温度 逐渐升高，采用了电流锁定基准值以一定步距斜坡上升的方法，使电机的负荷分 配更加合理。并且在这种情况下，模糊控制比p i d 控制有更好的动态响应特性。 ( 5 ) 针对在电流偏差较大的情况下p i d 控制会产生调节时间长、超调量 大、甚至会产生振荡等问题，而在电流偏差较小时模糊控制又不能很精确地反映 其变化，因此提出了模糊+ p i d 的复合控制器结构。使模糊控制和p i d 控制两种 方法能够相互自动切换，即电流偏差大时采用模糊控制，电流偏差小时采用p i d 控制。 ( 6 ) 为保证了连轧各机架之间的速度关系，采用速度级联控制策略使得 相邻机架间的速度比保持恒定。 本文的研究结果针对板带热连轧机的无活套微张力控制，具有很强的实用 东北走学硕士学位论文摘要 性，开发出的控制算法可以推广到相似的控制对象中。所丌发的智能化张力控制 策略已经被应用于某热轧厂的热轧带钢生产线，对我国热轧板带的控制水平的提 高具有积圾的促进作用。 关键词：热连轧，微张力控制，模糊控制，速度级联控制 东北大学硕士学住论丈 a b s t r a c t r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no f t e n s i o nf r e ef u z z y c o n t r o lf o rah o t s t r i pm i l l a b s t r a c t t h ep a p e ri sb a s e do nt h eb a c k g r o u n do ft h ei n t e l l i g e n tf u z z yc o n t r o lo ft h eh o t t a n d e ms t r i pm i l lo fa ni r o na n ds t e e l c o r p o r a t i o n b a s e do nl o t so ft e c h n i q u e i n f o r m a t i o n ，ac o m p l e t es o l u t i o nt ot h en o n l o o p e rt e n s i o nc o n t r o lo ft h eh o tt a n d e m s t r i pm i l li sg i v e na sf o rt h en o n l o o p e rt e n s i o nf r e ec o n t r o lo fb o t ht h er o u g hm i l la n d t h ef r o n tr a c k so ft h ef i n i s h i n gm i l lg r o u p ，a n dt h ea p p l i e dt e c h n o l o g ya n dc o n t r o l p r o j e c ti sc o n f i r m e d ，a l s ot h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mi su s e f u l l ys e l e c t e d ，a n dt h e p l cp r o g r a mi sw o r k e do u t t h i ss y n t h e t i cs e to fo p t i m i z ec o n t r o ls t r a t e g yh a sb e e n t u m e di n t op r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ，i ti sp r o v e db yt h ea c t u a l l ya p p l i e dr e s u l t st h a t c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o lm e t h o d ，m a n ys h o r t c o m i n g sa r ee l i m i n a t e d s u c ha st h eh i g ho v e r s h o o t ，t h el o n g t i m ea d j u s t i n ga n dt h el o wf o l l o w i n g s p e e d p h e n o m e n a ，a n dt h e nab e t t e rc o n t r o lp r e c i s i o nh a sb e e na c h i e v e d t h em a i nw o r k s a r el i s t e da sf o l l o w i n g ： ( 1 ) a tf i r s tt h ec a u s eo ft e n s i o ni se x p l a i n e da n dt h e nu s i n gt h ec u r r e n t m e m o r i z i n gm e t h o d t om e a s u r et e n s i o na c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a ls i t u a t i o n t h e t h e o r yo fn o n l o o p e rc o n t r o li se l a b o r a t e d ( 2 ) a sf o rt h ed e s i g no ft h ef u z z yc o n t r o l l e r , t h ep h y s i c a lr a n g eo ft h ei n p u t si s c o n f i r m e db a s e do f ft h ep r a c t i c a ls i t u a t i o n ，a n db ec o n v e r t e di n t ot h e i rt h e o r e t i c a l r a n g e sb ya d o p t i n gr e a s o n a b l eq u a n t i f i c a t i o nf a c t o r t h et r a p e z o i d a lm e m b e r s h i p f u n c t i o nw i t hs e v e ns t e p si sd e f i n e d m e a n w h i l et h ef u z z yl a w si s t e n t a t i v e l y e s t a b l i s h e da c c o r d i n gt oe m p i r i c a ld a t af r o me x p e r t s ，a n dt h e nb ec o m p l e t e dd u r i n g t h ec o u r s eo f d e b u g g i n g a no p t i m u mf u z z yc o n t r o ls t r a t e g yi sf i n a l l ya c h i e v e d ( 3 ) c o n s i d e r i n g t h e t e c h n o l o g i c a l a n dc o n t r o l r e q u i r e m e n t s ，t h e h a r d w a r e c o n f i g u r e sa n ds o f t w a r ee n v i r o n m e n ta r e s t r e s se x p l a i n e di nt h ei l l u m i n a t i o no f c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m a tt h es a m et i m et h es o f t w a r ef l o wc h a r tb ys t e p 7a n dt h e s u p e rv i e wi n t e r f a c ea r es t r e s se x p l a i n e d - i v - 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t ( 4 ) i nv i e wo ft h ef a c tt h a tt h e r ea r ea l w a y sd i f f e r e n c ei nt e m p e r a t u r eb e t w e e n t h eh e a da n dt h et a i lo fe v e r ys t r i pw h i l er o l l i n g ，w h i c hm a k e st h et e m p e r a t u r eo f e a c h m i l lb e c o m eh i g h e ra n dh i g h e r , ar a m ps t e po fc u r r e n ti su s e dt om a k ei tr e a s o n a b l eo f t h el o a dd i s t r i b u t i o no fe a c hm o t o la l s ow i t hs u c hs t r a t e g y , t h ed y n a m i cr e s p o n s e p e r f o r m a n c ei sm u c hb e t t e rw i t ht h ef u z z yc o n t r o l l e rt h a nw i t ht h ep i dc o n t r o l l e r ( 5 ) u n d e rt h ec i r c u m s t a n c et h a tt h ed e v i a t i o no ft h e c u r r e n ti sg r e a t ，m a n y p r o b l e m sb a s e do np i dc o n t r o lw i l lo c c u rs u c ha st h ei n c r e a s ei nr e g u l a t i n gt i m ea n d o v e r s h o o t ，a n de v e nt h eo s c i l l a t i o n ，o nt h eo t h e rh a n d ，w h e nt h ed e v i a t i o ni ss m a l l ，t h e f u z z ym e t h o dc a n tr e s p o n dt o t h ec h a n g eo fc u r r e n te x a c t l y c o n c e r n i n gt h e s e p r o b l e m s ，ac o m p o u n d c o n t r o l l e rw i t hf u z z ya n dp i di si n t r o d u c e d t h et w om e t h o d s c a ns w i t c ht oe a c ho t h e ra u t o m a t i c a l l y ，t h a ti st h ef u z z yc o n t r o l l e ri su s e di n s t e a do f p i dr e g u l a t o ri ft h ed e v i a t i o ni sg r e a t ，a n dw h e nt h ec u r r e n td e v i a t i o nb e c o m e sl e s s t h a nac r i t i c a lv a l u e ，i ts w i t c h e st op i dr e g u l a t o r ( 6 ) t oh o l dt h es p e e dr a t i o b e t w e e nn e i g h b o rm i l l s ，a s s o c i a t e ds p e e dc o n t r o l s t r a t e g yi sg i v e n i tm a k e ss p e e dr a t i ob e t w e e nn e i g h b o r m i l l sm o r er e a s o n a b l e t h er e s u l to ft h en o n 1 0 0 p e rt e n s i o nc o n t r o lf o rh o tt a n d e ms t r i pm i l li sm u c h p r a c t i c a l ，a n d t h ec o n t r o lm e t h o dc a l lb eg e n e r a l i z e dt oa n a l o g i c a lo b j e c t s t h e i n t e l l i g e n tc o n t r o ls t r a t e g yh a sb e e ni m p l i e di n7 5 0 m m h o tt a n d e mm i l l i tw i l lp u s h t h ed e v e l o p m e n to f c o n t r o ls t a n d a r di nh o tt a n d e ms t r i pr o l l i n g k e yw o r d s ：h o tt a n d e ms t r i pr o l l i n g ，t e n s i o nf r e ec o n t r o l ，f u z z yc o n t r 0 1 a s s o c i a t e d s p e e dc o n t r o l - v 东北大学硕士学位论文声明 独创性声明 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他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示访 意。 学位沦文作者签名：燃 日期：撕破z 7 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。本人授权东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。 学位论文作者签名： 签字目期： 导师签名： 签字日期： 东北太学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 热轧带钢在工业上有很广泛的应用，它不仅可以作为薄板和中板直接使用， 还可作为冷轧板、焊管和冷弯型钢生产的原料。近年来热轧带钢生产发展非常迅 速，各种新技术大量应用在热带钢连轧机上。因此，热带钢连轧机的生产水平， 在一定的程度上反映了一个国家的钢铁工业水平。 1 1 热轧带钢生产技术的发展概况 1 1 1 热轧带钢生产技术的发展及各时期的特点 从提高生产率和产品尺寸精度、节能技术、提高成材率和板形质量、节约建 设投资、减少轧制线长度实现紧凑化轧机布置到热连轧机和连铸机的直接连接布 雹，热轧带钢生产技术在不同的发展时期表现出不同的特点。 世界上第一套宽带钢半连续式热轧机，于1 8 9 2 年建于捷克斯洛伐克的特布 里兹，但未能正式投产。其主要原因式轧制速度太低( 2 米秒) ，并且是二辊式 轧机。因此，无法生产出合格的热轧带铜【l o 。直到1 9 2 6 年才在美国实现了热宽 带钢的连续轧制。至今，热轧带钢轧机的发展已有7 0 多年的历史。 热连轧机的发展一般认为经历了三个发展时期： 通常把1 9 6 0 年以前建设的热带钢轧机称为第一代热带钢轧机。美国人把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。后来在日本和欧洲于 1 9 6 9 - 1 9 7 4 年间建设的8 9 套热带轧机，在主要生产工艺技术指标方面又超过了 第二代热带轧机，被称为第三代热带轧机【3 “。 2 0 世纪6 0 年代到7 0 年代的热轧宽带钢轧机发展的最重要的时期，这个时 期热轧宽带钢轧机在向现代化技术发展方面取得了飞跃的进步【3 _ 5 1 。同时，连轧 技术的发展成熟，为热连轧机取得优质的大型连铸板坯，为连轧机大幅度的提高 产量并向冷轧机提供大的钢卷创造了有利条件。 1 9 6 1 年美国钢铁公司太湖分公司投产的2 0 3 2 m m 热带钢轧机，在精轧机上 首先采用了升速轧制技术，即在卷取机咬入带钢以后，精轧机与卷取机同时升速 到设定速度，从而突破了在此之前3 0 年没能改变的l 1 l r n s 的精轧速度，同时 也使轧制单位宽度的卷重超过1 2 k g m m ，而于当时达到1 8 k g m m 成为可能。 热轧宽带钢轧机的生产工艺过程，是钢铁工业生产中自动化控制技术最发达 的工序。美国6 0 年代初在麦克劳斯钢铁( m c l o u t hs t e e l ) 公司的1 5 2 5 m m 带钢 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 热连轧上用计算机设定并控制精轧机组的辊缝和速度。这是最早出现的带钢热连 轧计算机控制系统。而后，英国斯宾塞( r t b ，s p e n c e r ) 钢铁公司也将计算机控 制应用于连续热带轧机上。最初应用计算机控制是以控制精轧机为主，随着计算 机技术的进步，控制范围扩大到加热炉装料到钢卷称重机为止的整个轧制线。从 2 0 世纪6 0 年代初起，新建的热带钢轧机很快采用了计算机控制技术，如美国6 0 年代建设的l l 套热带轧机有l o 套不同程度的应用了计算机控制，日本到1 9 7 1 年共有1 9 套热轧机有1 4 套采用计算机控制吼 进入到2 0 世纪8 0 年代以来，板带生产从追求宽带钢轧机的大型化、高速度、 大卷重的指导思想转向更加注重从产品质量上去提高竞争力。同时板带钢用户 对于低凸度板带材和要求最小理论质量交货的板材需求量不断增长。提高产品质 量、成材率和降低成本是各钢铁公司一直努力的目标。2 0 世纪8 0 年代以来又形 成新的一系列技术方针和综合性新技术 6 - 1 q 。进入9 0 年代后，无头连续轧制宽 带技术成为热轧宽带钢轧制工艺方面的一项重大突破，该技术是1 9 9 5 1 9 9 6 年f 1 本川崎钢铁公司千叶厂开发成功的。无头连续轧制带钢技术，是在精轧机组的将 两卷中间带坯头尾端切齐，并由电感应加热器将头尾接合起来进行连续轧制的技 术。 三个时期的技术指标发展概况如表1 1 f 1 2 】所示。 1 1 2 我国热轧带钢生产技术的进步 1 9 7 8 年武钢1 7 0 0 m m 热连轧机建成投产，使我国热轧带钢生产的主要工艺 技术指标超过了第二代热带轧机。我国钢铁工业开始拥有由计算机控制的完全自 动化操作的现代化的热轧带钢轧机。 2 0 世纪8 0 年代宝钢2 0 5 0 m m 热连轧机建成投产，该轧机的主要生产工艺技 术指标属于第三代热带轧机水平，板坯加热节能和热装技术、租轧机宽度自动控 制、精轧机液压a g c 、板形控制技术( c v c 系统) 、全液压卷取机、完善的4 级计算机自动化控制系统都处于世界一流水平。 2 0 世纪9 0 年代我国建成投产7 套热轧带钢轧机，是我国热轧带钢轧机的高 速发展时期。其中有4 套全新的热带轧机，即宝钢1 5 8 0 m m 热轧机、鞍钢1 7 8 0 m m 热轧机、珠钢1 5 0 0 m m 及邯钢1 9 0 0 m m 薄板坯连铸连轧机。1 5 8 0 m m 热轧机、 1 7 8 0 m m 热轧机采用和连铸机直接连接布置和生产一贯管理的连续生产线，紧凑 型可逆式粗轧机组、板坯定宽压力机、精轧机组板形控制双交叉辊( p c ) 轧机、 精轧机全液压a g c 系统、全液压卷取机、完善的4 机计算机自动化控制和生产 管理控制系统，这些都体现了2 0 世纪9 0 年代热带轧机最先进的技术装备和一流 东北大学硕士学住论文第1 章绪论 热连轧上用计算机设定并控制精轧机组的辊缝和速度。这是最早出现的带钢热连 轧计算机控制系统。而后，英国斯宾塞( r t b ，s p e n c e r ) 钢铁公司也将计算机控 制应用于连续热带轧机上。最初应用计算机控制是以控制精轧机为主，随着计算 机技术的进步，控制范围扩大到加热炉装料到钢卷称重机为止的整个轧制线。从 2 0 世纪6 0 年代初起，新建的热带钢轧机很快采用了计算机控制技术，如美国6 0 年代建设的1 l 套热带轧机有l o 套不同程度的应用了计算机控制，日本到1 9 7 1 年共有1 9 套热轧机有1 4 套采用计算机控制p j 。 进入到2 0 世纪8 0 年代以来，板带生产从追求宽带钢轧机的大型化、高速度、 大卷重的指导思想转向更加注重从产品质量上去提高竞争力。同时板带钢用户 对于低凸度板带材和要求最小理论质量交货的板材需求量不断增长。提高产品质 量、成材率和降低成本是各钢铁公司一直努力的目标。2 0 世纪8 0 年代以来又形 成新的一系列技术方针和综合性新技术【6 。”。进入9 0 年代后，无头连续轧制宽 带技术成为热轧宽带钢轧制工艺方面的一项重大突破，浚技术是1 9 9 5 - 1 9 9 6 年同 本川崎钢铁公司千叶厂开发成功的。无头连续轧制带钢技术，是在精轧机组前将 两卷中间带坯头尾端切齐，并由电感应加热器将头尾接合起来进行连续轧制的技 术。 三个时期的技术指标发展概况如表1 1 2 j 所示。 1 1 2 我国热轧带钢生产技术的进步 1 9 7 8 年武钢1 7 0 0 m m 热连轧机建成投产，使我国热轧带钢生产的主要工艺 技术指标超过了第二代热带轧机。我国钢铁工业开始拥有由计算机控制的完全自 动化操作的现代化的热轧带钢轧机。 2 0 世纪8 0 年代宝钢2 0 5 0 m m 热连轧机建成投产，该轧机的主要生产工艺技 术指标属于第三代热带轧机水平，板坯加热节能和热装技术、租轧机宽度自动控 制、精轧机液压a g c 、板形控制技术( c v c 系统) 、全液压卷取机、完善的4 级计算机自动化控制系统都处于世界一流水平。 2 0 世纪9 0 年代我国建成投产7 套热轧带钢轧机，是我国热轧带钢轧机的高 速发展时期。其中有4 套全新的热带轧机，即宝钢1 5 8 0 m m 热轧机、鞍钢1 7 8 0 m m 热轧机、珠钢1 5 0 0 m m 及邯钢1 9 0 0 m m 薄板坯连铸连轧机。1 5 8 0 m m 热轧机、 1 7 8 0 m m 热轧机采用和连铸机直接连接布置和生产一贯管理的连续生产线，紧凑 型可逆式粗轧机组、板坯定宽压力机、精轧机组板形控制双交叉辊( p c ) 轧机、 精轧机全液压a g c 系统、全液压卷取机、完善的4 机计算机自动化控制和生产 管理控制系统，这些都体现了2 0 世纪9 0 年代热带轧机最先进的技术装备和一流 管理控制系统，这些都体现了2 0 世纪9 0 年代热带轧机最先进的技术装备和一流 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 的产品质量控制水平。 表1 1 带钢热连轧机的主要技术指标 t a b i 1t h eh o t t a n d e mr o l l i n g m i l l m a i n s p e c i f i c a t i o n 珠钢和邯钢各自相继建成一套薄板坯连铸连轧机，是近l o 年来发展的新型 带钢生产短流程工艺技术。连铸板坯厚度5 0 7 0 m m ，在线通过长辊底式均热炉 直接轧制。薄板坯连铸连轧带钢生产工艺技术，是2 0 世纪8 0 年代钢铁工业生产 具有突破性的重大技术进步。 唐山钢铁( 集团) 公司也在2 l 世纪初建成投产一套超薄带钢连铸连轧生产 线，连铸薄板坯在很高的温度下进入轧制线，经过很长的辊底式均热炉，采用半 无头轧制工艺轧制厚o 8 4 o r 衄、宽8 5 0 1 6 8 0 m m 的薄带钢卷，单位宽度卷重 为1 8 k g m m 。该生产线与c s p 技术所不同的是板坯厚度为9 0 7 0 r a m ，采用2 架 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 不可逆式粗轧机和5 架精轧机，末架最高出口速度为2 3 2 m s 。这是当今生产热 轧宽而薄的带钢最前沿的现代化技术“3 1 。 目前，我国在热轧带钢生产所应用的新技术主要有以下几种： ( i ) 连铸板坯热装( h c r ) 和直接热装( d h c r ) 技术： ( 2 ) 扳坯定宽压力机； ( 3 ) 粗轧机立辊侧压短行程控制( s s c ) 和宽度自动控制( a w c ) ： ( 4 ) 中间辊道保温罩和带坯边部电感应加热器； ( 5 ) 精轧机组全液压压下及a g c 系统； ( 6 ) 精轧机板形控制技术； ( 7 ) 带钢层流冷却系统： ( 8 ) 全液压地下卷取机： ( 9 ) 主传动系统交流化； ( 1 0 ) 采用三级或四级计算机控制和管理系统。 1 1 3 现代热轧带钢技术的发展趋势 我国已加入世界贸易组织( w t o ) ，我国的钢材市场将成为世界市场的一部 分，这样我国钢铁企业的生产已经且必然要和国际接轨。尤其在热轧带钢的生产 领域中，要及时跟上和适应走向世界市场的需要。 近年来热轧带钢生产的发展趋势可以概括为如下几方面： 大型化：主要体现为增大板卷单重和增加钢板宽度。增大板卷单重，不仅可 提高产量，而且可减少切头切尾损失，增加金属收得率。 连续化：目前国内外热轧带钢大都采用连轧机生产，其优点是生产率高，产 品质量好，技术经济指标先进，易于自动化。 高速化：即指轧机的轧制速度不断提高。轧制速度的高低，不仅关系到轧机 产量，而且是衡量轧钢技术水平的标志之一。 追求节能，重视提高产品质量和成材率：世界工业发达国家，已不再扩大钢 铁生产，轧钢生产技术发展的趋向，已转为节能、提高产品质量和成材率等方面。 自动化程度更趋完善：热轧带钢生产大力发展管理机系统，使管理机和控制 机系统有机结合起来，组成了分级集成控制系统，提高了自动化的水平。自动化 的另一发展是进一步提高和完善检测仪表和控制系统的性能和功能。此外，还应 用现代控制理论，实现自适应控制和最优化控制等【l ”。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 热轧带钢过程中的张力控制 1 2 1 热轧带钢张力的产生及张力控制的意义 在实际轧制过程中，轧件上会有张力的作用，是由于在轧件长度方向上存在 着速度差，使得轧件上不同部位处的金属有相对位移而产生张应力。平均单位张 力( 盯，) 乘以所作用的横截面积( a ) 就是作用在轧件上的张力( r ) ，其表达 式如下： t = a o ，( 1 一1 ) 式中7 作用于横截面以上的张力； 爿带钢的横截面积； 矾一平均单位张力。 众所周知，保证连轧过程正常进行的条件应是各机架在单位时间内的“秒流 量”完全相等。 秒流量用流量方程表示为： h s v = c ( 1 2 ) 式中矗任意架轧机轧件的出1 ：3 厚度： v 任意架轧机轧件的出1 3 速度： c 一连轧常数。 若秒流量不等便会引起机架之间的轧件有张力作用或者失张，从而导致拉钢 或堆钢。从理想的稳定轧制来说，应使各机架的“秒流量”完全相等，以实现无 张力轧制，但是，在实际轧制过程中，影响机架间张力的工艺参数很多( 如压下 量、轧制压力、轧制力矩、轧制速度和前滑等) ，不可能完全做到绝对无张力轧 制哺】。实践表明，张力的变化又对工艺参数产生相互的影响作用。若轧件所受张 力超过一定值，将会产生一系列降低产品质量的不良后果：如轧件被拉窄、缩颈 等【1 7 】。在热连轧过程中张力的这种相互传递的影响作用，可以说是“牵一发而动 全身”，是极其活跃的因素，所以张力的问题是连轧中的核心问题之- - 1 4 】。 1 2 2 热轧带钢张力的检测方法 由前所述，带钢热连轧机工艺要求轧件必须在恒定的微张力状态下进行轧 制。因此在连续轧制过程中，必须对相邻两机架间轧件所受张( 推) 力进行控制， 而要控制张力就必须检测张力。张力检测的方法有直接和间接两种。直接测张的 方法即为张力计测张法，不仅精度不太高，而且还有许多不便之处，因此一般都 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 采用间接测张法。目时间接测张的方法主要有如下几种： 1 2 2 1 电动机电枢电流记忆法 在第i 机架咬钢后且进入稳态，而第i + l 机架尚未咬钢时，测量并记忆第i 机 架电动机电枢电流，。在第i + i 机架车l 机咬钢后继续测量第，机架电动机的电流 ，并与咬钢强酊的记忆值进行比较，用其差值调节第f 机架主传动的转速，使 第i 机架电动机在i + 1 机架咬钢前后保持同一电流值。 这种用电流变化来检测张力的方法简单、经济。 下面根据电动机电流的计算公式来进一步说明电动机电流与张力的关系。 ，。= ，n + ，r + ， ( 1 ，3 ) 式中o 电动机电枢电流： 肺负载电流； 肛张力电流： ，- 力速电流。 负载电流厶： 1 ，r = 二膨* ( i - 4 ) m = 2 p a ( 1 - 5 ) 式中 m r 一一轧制力矩； a 一轧制力臂： 口一一轧制压力。 将式( 1 - 5 ) 代入( 1 4 ) 得： 1 ，产2 二p d ( t - 6 ) 式中恤一电动机力矩常数： m 。= c 。此= 儿 ( 1 7 ) 矿= q ( t - 8 ) 式中毋一电动机的励磁磁通； o 电机常数。 张力电流而 l = 二肘， ( 1 - 9 ) - 6 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 m r = 辱r 将式( 1 1 0 ) 代入式( 1 - 9 ) 则得： ( 1 1 0 ) ，：上辱矗 妒 ( 1 - 1 1 ) 式中矗一一张力； 品- 车l 辊半径。 稳态轧制时i 。= o 。 轧机在突加负荷( 如咬钢) 时，会产生动态速降，同时主传动速度调节系统 在收到动态速降的扰动信号以后，立即加快主电流上升的速度，产生恢复动态速 降的动态电流，使动念速降迅速恢复，其动态速降恢复所需要的时间叫做恢复时 问l d ( 现代热连轧机一般为0 1 5 o 5 s ) 。最好是在动念速恢复之后，微张力自 动控制系统才开始投入工作。 1 2 2 2 直接测量线速度法 各机架间轧件线速度的大小可用测速辊来直接测量，也可以用激光测速议来 直接测量。由于对测速辊的维护比较烦琐，而且检测精度较低，因此这种方法不 常采用。 这种直接测量线速度的变化来反映张力大小的方法是：在第f + l 机架咬钢前 报第f 机架的出口线速度记忆下来，在第f + l 机架咬钢之后，第i 机架出口线速 度保持不变。当速度出现偏差时，用其差值调节第i 机架的速度。 1 2 2 3 轧制力臂记忆法 g l 帝t j 力臂记忆法是一种通过检n g l 翻j 压力p 和电动机力矩 厶的变化来反映 张力值大小的方法。 口：丝( 1 - 1 2 ) 2 尸 式中口- 轧制力臂； p - - 一轧制压力； d 和轧制力矩。 这种间接测张的基本原理是：在第h 一1 机架咬钢前测量第i 机架的g l 带f l 压力 p 和轧制力矩m r ，算出轧制力臂值口并由电控单元的记忆环节记忆下来。在第 + l 机架咬钢之后( 即第i 、第f + l 两枫架连轧时) 的第j 机架的轧制力臂值与 第汁1 机架咬钢之前的轧制力臂值相等。当因某种原因两机架之间张力的变化 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 而引起电动机力矩的变化时，调节第f 机架主传动的速度，使得两机架间的张力 维持在给定的微张力水平。 这种间接测张的优点是：被控量p 和m r 的检测与控制比较容易；对轧制同 一块钢而言，力臂值a 基本上不受轧件温度和厚度的影响。 口= 4 0 f ( 1 1 3 ) 式中 ，一变形区长度； a 。力臂系数。 力臂系数无一般在o 3 0 5 以内。由于双机连轧的两机架之间的距离相距 很近，轧件在第f 机架中进行单机车l s j j 与在双机中进行连续轧制时的车l sr j 条件( 如 轧制半径、变形温度、轧件厚度、压下率等等) 基本相同，变化甚微。故五。及 与之成正比的力臂值d 为一恒定值。 1 2 3 热轧带钢张力的控制方法 秒流量在瞬间的不相等，并不影响带钢的精确度，而张力的不恒定却会对带 钢的精确度产生严重的影响。因此，近代带钢连轧机采用了以下控制策略： ( 1 ) 在一定范围内，追求秒流量相等。控制系统始终不断地按秒流量相等 的原则控制，使秒流量在一个尽可能小的范围内发生变化。 ( 2 ) 恒定的张力控制。在一个小范围内允许秒流量不等，但张力却始终恒 定，即秒流量不等时，张力不能改变。 当前，有两类方法可实现秒流量相等和微张力恒定：微张力无套轧制和小张 力带套连轧。 1 2 3 1 活套小张力控制l t c ( l o o pt e n s i o nc o n t r 0 1 ) 在热连轧系统精轧机组的最后几机架，由于轧件重量小，控制精度要求高， 因此必须采用活套装置来保证绝对恒定的小张力【2 】。 活套装置主要有三个作用 1 8 】： ( 1 ) 检测相邻机架间的带钢长度 在微张力连轧时，活套辊紧贴带钢，即使带钢长度只发生微小的变化，活套 也能检测到，通过检测活套臂的角度，通过计算，就可知道此时带钢的长度，因 此，活套是一个很灵敏的带钢长度检测器。 ( 2 ) 使各机架的金属秒流量相等 实际轧制中，有多种因素会导致上游机架的出口速度同下游机架的入口速度 不相等，即机架间金属秒流量不相等。活套检测到套量与设定值的偏差，就会发 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 出调节信号，对上游各机架的速度进行快速调整，使金属秒流量重掰达到平衡。 ( 3 ) 实现张力恒定控制 轧制过程中，活套辊能顶起并绷紧带钢，使机架间的带钢之间形成张力，并 通过活套机构传动装簧本身的“恒张力调节器”使张力恒定。 1 2 3 2 无活套张力控制 在带钢热连轧枫的耦轧区及精轧区的上游机架部分，轧件断面尺寸较大，必 须采用结构笨重庞大的重型活套装置爿能承担这一繁重的工作任务，这就使得活 套机构的摆轴惯量( 活套机构折算到摆动轴上的转动惯量) 变得很大，控制不灵 活，机械追随性能很差，不能准确检测带钢的长度，失去活套装置在连轧过程中 的作用，因此用这种方式在粗轧区及精轧区的上游机架部分上实现恒定的微张力 微套轧制，是很困难的。1 9 6 9 年以来，世界各国都取消了重型活套装置的控制 方式，并积极采用无活套的微张力自动控制的连轧方式。由于这种无活套微张力 自动控制方式完全是依靠电控手段实现的，既简单又有效，因此得到了广泛的应 用【9 1 。 虽然在现代带钢热连轧机的精轧机组上配鼍了新型的低 贯量快速电动活套 装置，其快速性能和机械性能比较好，对生产规格薄的宽带产品，能满足生产工 艺要求，生产出质量较高的产品。近年来，为了减少加热炉燃料消耗和提高产品 的成材率，希望加厚粗轧来料并要求精轧机组完成较大的压下量。然而，较厚的 带坯，则要求精轧前几架轧机具有较大的带钢弯曲力。活套装置结构和摆动惯量 增大，减弱了活套装置的控制能力；同时近年来在带钢热连轧机精轧机组上广泛 采用了快速液压压下系统，常规的活套控制系统的相应速度跟不上其快速性的要 求，而且活套控制方式设备复杂，成本高而控制精度不很高( 因为活套装置是微 张力模拟式控制系统) 【2 0 。2 ”。为了克服这些优点，近几年来在冶金学家们的探求 和努力下如t a n i 蜘i 等于1 9 7 8 年曾建议把带钢热连轧机粗轧机组双机连轧机上 的微张力自动控制系统用在精轧机组上，并通过其仿真实验证明其相应速度和稳 定性都比活套控制系统好。由于这种系统张力检测精度和控制精度不太高，在精 轧机组上不能实际应用，故在粗轧机组双机连轧上使用的微张力自动控制系统的 基础上，又开发了一种用在精轧机组上的新型的并以投入实际使用的无活套微张 力自动控制系统。如我国从西德引进的2 0 5 0 m m 带钢热连轧机精轧机组的前4 个机架( f i f 4 ) ，就用无张力自动控制系统取代了常规机械式活套装置系统， 但因目前还缺乏在工业上应用的成熟的实践经验，在f 1 f 4 机架间仍另加设活 套装置，以作备用。在新日本制铁株式会社室兰和八幡厂带钢热连轧精轧机组上 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 己实际使用这套装霞，并证明该系统较常规活套装黄具有动态响应快、控制精 度高、穿带与操作性能好等优点【2 2 。2 3 1 。 目前，无活套微张力轧制主要有m t c ( m i n i n u mt e n s i o nc i n t r 0 1 ) 、f t c ( f r e e t e n s i o nc o n t r 0 1 ) 、无活套最优多变量微张力控制。 ( 1 ) 自由张力控制( f t c ) 自由张力控制是1 9 7 1 年由日本提出的，1 9 7 1 年在日本钢管、福山制铁所及 同本新日铁公司使用成功的，它适用于对带钢轧机上大断面轧件的张力控制。在 此之| j i ，美国合众钢铁公司在1 9 6 7 年，美国杨斯顿公司在1 9 6 7 年，曾用重型活 套装罱对大断面带钢坯进行连轧，但设备十分笨重。我国武汉钢铁公司引进同本 f t c 技术控制热带坯连轧获得成功，它具有设备及控制简单的优点。 f t c 连轧传动情况如图1 ，l 所示。轧件在r i 、r 2 之问进行连轧，r l 轧机用 直流电机驱动，r 2 轧机用同步电机驱动，因同步电机不变速，因此用改变r - 轧 机速度的方法，维持r l 、r 2 之问的带钢张力恒定。 图i i自由张力连轧传动系统示意图 f i g i 1 t h ed i a g r a mf o rf r e et e n s i o nc o n t r o ls y s t e m f t c 的基本思想是：f t c 检测张力，并通过对r l 电机速度的修正来控制张 力。其中，张力的检测是用r l 轧机在无张力和有张力条件的轧制力矩和轧制力 来计算的【2 4 】。 f t c 的优点为：系统设备简单，控制不太复杂，又易于掌握，因而适用于大 断面的轧制过程。但因张力计算中存在较大的误差，使系统的精确性受到影响， 不适用于精轧机的张力控制。 ( 2 ) 最小张力轧制( m t c ) 东北大学硕士擘位论文第1 章绪论 m t c 是在f t c 的基础上研制成的，m o r o o k a 等于1 9 7 7 年研制成一种新的 张力控制方法【2 ”。用轧制塑性理论推导出张力检测模型，其特点是利用了压力和 力矩( 电流) 信息，并通过调节轧机轧辊转速来控制张力。此方法在连续式粗轧 机上张力的检测和控制十分精确。t a n i 血i i 等人于1 9 7 8 年曾建议把这种方法应用 到热精轧机上，但由于检测精度不够而未能实现。后来改进了力臂计算和力矩计 算的方法，使张力检测精度得到进一步提高。 8 0 年代初在生产轧机上应用表明，张力可控制在i n m m 2 以内。同时，德国 也丌展了无活套的最小张力控制实验和工业化应用。1 9 8 4 年，由西门子公司建 立的一套m t c 系统成功地装配在德国某一大型热带钢轧机上 2 6 1 ，其原理与 t a n i f u j i 等人研制的方法是一致的，都是在主电机速度控制基础上设最最小张力 控制作为外环控制，并由其计算修正的级联速度殴定值来控制机架问的秒流量棚 等。通过轧制力矩、主电机电枢电流、励磁电流、轧辊速度、带钢尺寸( 入口厚 度和宽度) 、工作辊直径和每个机架的空载辊缝来精确地计算张力。系统是出全 数字多处理器系统m m c 实现的。m t c 是物料跟踪模块的下级，是主电机速度 控制模块的上级。m t c 的控制简图如图1 2 所示。宝钢2 0 5 0 m m 热连轧机部分 采用了带张力观测器的微张力控制系统。但m t c 控制技术未能获得广泛推广应 用其主要原因是控制上未能解决机架间张力强耦合的影响。 f lf 2f 3f 4f 5 f 6f 7 图1 2 最小张力轧制控制系统简图 f i g 1 2 t h ed i a g r a mf o rm i n i m u mt e n s i o nc o n t r o ls y s t e m ( 3 ) 无活套最优多变量控制 东北大学硕士学住论文第1 章绪论 以上的无活套控制