（机械制造及其自动化专业论文）热轧板型控制.pdf

摘要 本文针对哈萨克斯坦卡门热轧厂板型技术改造成果，结合 武钢热轧厂实际操作经验，从影响板型质量的错综复杂的因素 中找出主要原因，如：带钢温度，弹性变形、材料变形、凸度、 平直度，建立了相应的数学模型，并对哈萨克斯坦卡门热轧厂 板型技术改造中机械、液压系统、计算机控制系统的实际应用 进行了详细的分析与介绍。在此基础上对于板型控制系统及控 制方法进行了分析，建立了板型控制系统模型，为今后对传统 轧机的板型技术改造、提高热轧带钢板型质量提供了宝贵的经 验。 关键词：凸度平直度控制模型 h o t s t r i ps t e e lp r o f i l e sc o n t r o l a b s t r a c t t h ec a u s ea n dp r o c e s sa n dc o n g o lm e t h o da r ea n a l y z e d a b o u tp r o f i l e sq u a l i t yi nt h i sa r t i c l e m o d e mm i l lc o n t r o lp r o f i l e s t e c h n i q u ea r es u mu pa c c o r d i n gt oe x p e r i e n c ea b o u tw i s c o h o t r o l l i n gp l a t ep r o d u c t i o na n dt e c h n i q u er e f o r ma tk a z a k h s t a n s k a r m e th o tr o l l i n gm i l l m a t h e m a t i c sm o d e la r ee s t a b l i s h e df o r s t r i pt e m p e r a t u r e ，e l a s t i c i t yo u to fs h a p e ，m a t e r i a lo u to fs h a p e ， c r o w n ，f l a t n e s s t h e ya r em a i nc a u s eo fc o n t r o lp r o f i l e s i t i s a n a l y z e d a n dd e s c r i b e si ng r e a td e t a i lw h a t m a c h i n e r ye q u i p m e n t a n dh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o ns y s t e ma n d c o m p u t e r c o n t r o ls y s t e m i ti se s t a b l i s h e dw h a ts y s t e mm o d e lo f p r o f i l e sc o n t r o la c c o r d i n g t oa f o r e m e n t i o n e de x p e r i e n c e t h i st h e s i sw i l l h e l pp e o p l et o r a i s et e c h n i q u eo f c o n t r o lp r o f i l e sa n d q u a l i t y o f h o t s t r i ps t e e l k e y w o r d ：c r o w n f l a t n e s sc o n t r o lm o d e l j j 武汉理工大学硕士学位论文 1概述 热轧板型控制功能研究 伴随着相关技术领域的技术进步，近2 0 年来热轧带钢生产和研究领域新 技术层出不穷，推进t 3 ：艺、设备、技术的飞跃发展。 哈萨克斯坦卡门1 7 0 0 m m 热连轧厂建于7 0 年代，由于受当时轧制技术的 限制，精轧机没有液压弯辊、窜辊装置，其控制方式及模形是基于负荷分配 的板形控制，因而板形质量差。特别是9 0 年代卡门厂新的冷轧厂投产后，其 热轧板形无法满足冷轧原料质量要求的矛盾更加突出。为此，卡门厂下决心 对热连轧厂进行改造。通过国际竞标，武钢获得了对卡门热连轧精轧机f 。 f ，上加装液压弯辊装置( 第一期改造工程) 、液压窜辊装置( 第二期改造工程) 以及相应的控制模型和过程控制系统的改造项目”。 1 1 板型控制技术概述 ， 板型控制技术历经了8 0 年代前的基于负荷分配的板型控制、9 0 年代的 板形板厚解藕控制以及2 0 0 0 年后的板型、板凸度和断面轮廊综合控制四个大 的发展阶段。 负荷分配的板型控制是板形板厚解藕控制以及板形、板凸度、断面轮廊 综合控制的基础，负荷分配是否合理，如各机架的压下量、s l n 力、凸度等， 将直接影响到生产的稳定性和产品的产量及质量，特别是早期轧机，由于没 有弯辊和窜辊装置，对已测得的板型缺陷无法进行在轧调整，需重新进行人工 经验设定。8 0 年代，随着c v c 、p c 等轧机的诞生，板型在轧调整才成为可能， 随之板型、板厚控制一体化的解藕控制得以实现。 随着板型检测技术的发展，已能实现对板型断面进行连续检测，这样获 取断面轮廓曲线，以对板型进行综合控制。目前只有武钢2 2 5 0 轧机引进此技 术，而且还处于试运行阶段。 武汉理工大学硕士学位论文 _ _ 一一 板型技术的发展可谓目新月异，智能化轧制技术、板型模糊控制、专家 系统和神经网络等技术的发展，必然给扳型控制技术以更广阔的前景。 1 2 传统的板型控制主要方法 传统的板型控制方法可通过以下几个方面来实现对板型的控制： ( 1 ) 根据轧辊热变形和磨损的规律，编制轧制单位即确定轧辊使用寿命 期内所轧钢板的轧制量。 ( 2 ) 根据轧件规格、变形规律，设计工作辊的初始辊形( 凸度) 。 ( 3 ) 考虑辊系变形及辊形，分配各个机架的负荷。 ( 4 ) 调节轧制节奏以控制轧辊的热变形。 尽管传统方法对板型的控制能力有限，也不够灵活，但目前对于那些缺 乏板型调整和控制手段的轧机，仍不失为种重要的板型控制方法。 1 3 当前板型控制的主要手段及典型轧机 在带钢的轧制过程中，由于钢板的反作用力，使轧辊产生弹性变形，从 而在钢板断面出现中间厚、两边薄的现象，此断面厚度精度通常用同一断面 上中点厚度与边部点厚度之差表示，即凸度。一定的凸度能有效地控制带钢 跑偏，但凸度过大则影响钢板外形轮廊尺寸。而板带材实际形状与其理想的 平直状态的偏差值，称为平直度。有效地控制带钢的凸度和平直度始终是轧 钢技术追求的目标，传统轧机是靠预设定机械弯辊力来控制板型。现代轧机 主要有液压缸弯辊、利用液压伺服控制系统、计算机系统对弯辊力进行动态 调节。通过预设定值，在线检测闭环控制、计算机的自适应、自学习，达到 良好的效果。以西马克为代表的欧洲公司发明了连续凸度控制工艺，英文： c o n t i n u o u s l yv a r i a b l ec r o w n 简称：c v c 。其执行机构的改进主要是：液压 弯辊加串辊。以三菱为代表的日本公司发明p c 轧机技术，英文：p a i rc r o s s ， 其执行机构改进主要为：液压弯辊加工作辊、支承辊的成对交叉。这两种技 术都能很好地满足对板形的控制“。 2 武汉望三查兰堡主兰垡笙苎 3 藿椒 群毒 似q 武汉理工大学颈士学位论文 我们在哈萨克期坦卡门热轧厂轧机技术改造中采用了c v c 轧制技耗 萁改造重点是液压弯辘，本文将重点奔缮这些肉容。葭i l 是我们改造后鞋 辊弯辊、串辍的示意图。 过程计算机计算出辊缝初始值和额定补偿值，这些数据送入计算机计算 出弯辊、串辊僵。在攫度控制方面，c v c 系统擞据钢板厚度和控制程序设定 某辊缝值，按材料性能、机架延伸等条件决定压下油缸的位鬣。板形变化 会 | 起车l 副力分毒载变纯和工l 蕈辊弯辊鞭定基浆变纯，按照提燃瓣援律频繁 调整辊缝值，从而实现钢板轧制的厚度、凸度控制；同时，平直度检测装避将 测褥懿信号发送绘弯辍系统，控铡乎豢凄。e v c 系统对每一次轻锾熬辗缝波 动及时补偿，厚度、凸度控制和平直度控制交替作用，从而控制轧机生产出合 格盼热幸l 蒂钢。函诧，凸度和平蛊度控制静先凌条俘是有一个可靠的、高教静 计算机模型。这取决于相关的参数，同时还取决于各机架的辊型及初始设定 值。 图l 一2 控制原理图 茎竖堡兰奎堂堡主堂壁丝塞 图l 一2 说明了在数学模型中各输入、输出信号的关系。输入参数是所有 技术工艺轧制数据及在线轧制工艺反馈的。控制各轧机的凸度和平直度需计 算轧辊弹性变形，轧辊和材料的热变形等因素。 1 4 本文的课题支撑、主要改造内容及意义 本文的课题支撑： 2 0 0 l 一2 0 0 2 年武钢和中冶设备公司联合承包哈萨克斯坦卡门热轧厂液 压弯辊、窜辊技术改造项目。 本文的主要内容包括： ( 1 ) 对热轧板型凸度缺陷和平直度缺陷问题的产生机理和影响板型的诸因 素进行了分析。 ( 2 ) 针对影响板型的主要因素( 工作辊磨损、工作辊的热膨胀、机架弹性 变形等) 建立了数学模型，提出了弯辊、窜辊技术改造及控制方式与投入顺 序。 ( 3 ) 基于板型凸度、平直度控制数学模型及功能，提出了本控制系统的结 构、方式及工作过程。 ( 4 ) 提出了过程控制系统的主要配置。 ( 5 ) 对其改造前后的技术指标进行了比较，技术改造达到了合同规定的性 能指标。 2 板型缺陷产生的主要因素及控制原理 2 1 平直度的定义及形成机理 2 1 1 平直度定义 平直度缺陷就是带钢中心点的纤维伸长与其它点的纤维伸长有差异，主 武汉理工大学硕士学位论文 要有两类平直度缺陷：中浪和边浪，如图2 - 1 所示。如果将带钢沿纵向微分 成无数份，就可以将带钢看成是无数根纤维合成的，带钢的“浪”形缺陷就 可以视为纤维长度不一致产生变形，起“浪”的部分纤维长一些，我们比较 带钢的纤维长度差别就可已得到带钢平直度数据。其造成的原因是由于入口 带钢的板形与工作辊的负荷辊形的不一致而造成平直度缺陷。在轧制过程中， 如果带钢某一点受力大，则该点的纤维伸长比其它点长，产生平直度缺陷。 为减少平直度缺陷，需施加一个反作用力，这就是弯辊力在板形控制中的作 图2 - 1 通过平直度仪通过测量带钢不同点纤维的伸长来计算带钢的平直度，其 定义可用如下公式表述： f l a t = 毕一e 。 z 其中，f l a t ：带钢平直度； 武汉理工大学硕士学位论文 p 。：带钢操作侧纤维伸长； e 。：带钢传动侧纤维伸长； e 。、 ：带钢中心纤维伸长。 如果设波浪为正弦曲线，则纤维伸长( e l o n g a t i o n ) 可利用线积分求出 正弦益线长厶和曲线距离( 直线) 上的相对长度差占，故与上对应的曲线长 度为： 三。= 三+ 三z 上 ，+ ( 叠) 2 则相对长度差为： s = 丁a l = ( 差) 2 = 譬 目前，国际上对带材平宜度的表示方法均用，u 单位( 即用则相对长度 差乘以1 0 。) ， 故：占2 5 1 0 - 5 s 2 其中：s = h 三 h = 浪高 三= 浪长 其方法是连续采集带钢速度和表面与参考面的距离就可以计算出纤维的 延伸长度，并将带钢中心和| 两边的纤维长度进行比较，即可判断其缺陷。因 此，我们采用激光光学三角测量原理，如果采样周期或检测时间作为一个时 间微单元f 。，带钢的运行速度从轧机计算机信号中得出，因此，在此时间内 带钢的纵向运行长度为v f 。，而该单位的垂直高度巩- j - 用平直度仪测得， 根据三角形关系，在f 时间内，单元带钢的长度为： 越。= ( y ，。) 2 + ( 埘) 2 最后将每个采样周期计算出的单元长度加起来，就是带钢某处的纵向纤 维长度，2 “。 指数计算：从每个纤维的长度来计算其伸长量。 武汉理工大学硕士学位论文 纤维伸长量：e o s = ( l o s v x t ) s t e d s = ( l d s v t ) s t c c n = ( 三“一v v ) s t 其中，矿：带钢速度 7 1 ：持续时间 上：带钢纤维伸长 - b j - i f t 。单元厚度变化量 对于平直度缺陷主要表现为边部浪形，通常标准为最大公差小于8 n l n m 。 2 1 2 平直度的产生机理 如果带钢的入口凸度和入口厚度之比与带钢的出口凸度和出口厚度之比 相等，则轧出的带钢是平直的，带钢的平直度为零，即：吃, v 。= 6 。，h o 。， 若不相等，说明带钢边部纤维与中部纤维的延伸长度不相等，纤维间产生内应 力，在一定范围内( s e u i l ) 只发生弹性变形；若超出弹性范围，则纤维问产 生了塑性变形，从而产生边浪或中浪，即产生板型缺陷。板型控制就是要将 带钢纤维内应力控制在弹性区的范围内，使带钢的纵向纤维内应力值趋近于 零。w i s c o ( 武汉钢铁集团公司) 与c l e c i m ( 法国克利西姆) 承担的哈萨克 斯坦卡门热轧厂改造就是通过对轧机各机架进行精确的弯辊力设定，并在轧 制过程中进行自动反馈调整，配合窜辊使轧辊得到均匀的磨损，从而保证良 好的凸度和平直度。 2 2 凸度定义及形成机理 带钢的凸度取决于工作辊的负荷辊型及带钢的二次变形。为了准确预报带钢的凸 度，数学模型根据轧辊实际磨损、热膨胀以及轧制力等计算每一块钢轧制时的工作辊负 荷辊型。 茎婆垄王奎堂堡主兰堡笙三 一一 2 21 凸度定义 带钢凸度通过两台厚度计来测量，其中一台固定在中心线测量带钢厚度， 另一台沿带钢宽度方向扫描并测量各点的厚度。带钢某一点的凸度是相对于 带钢的中心厚度来计算的。 。：一毕 其中：c ：凸度( c r o w n ) ； 。：带钢中心厚仪测得的厚度； ：距带钢边部传动侧4 0 i i i l 处测厚仪测得的厚度； 。：距带钢边部操作侧4 0 r a m 处测厚仪测得的厚度； 在实际轧制过程中，板型凸度可能产生楔形，即：= 矗m 一矗m ，一般 来说，凸度大于4 0 u 时，w 。应小于 c ；e k e d 、于4 0 u 时，w ，应小于2 7 u 。 2 2 2 凸度的形成机理 轧制过程中带钢的凸度取决于负载下的轧辊的凸度、金属的流动和带钢 原始板型的凸度，轧机的辊缝形状形成了带钢的出口板型。 轧辊的空载凸度= 轧辊原始辊型+ 轧辊热态凸度+ 轧辊磨损凸度 轧辊的负载凸度= 轧辊空载凸度+ 轧辊挠度+ 轧辊弹性变形 以上因素决定了轧机的辊缝形状，构成了数学模型的主要参数和控制因 素。我们通过指定原始辊型制度，控制弯辊和串辊来改善带钢的凸度和平直 度，使带钢边部和中部的延伸保持相同从而获得好的板型。 对于热轧板凸度的控制公差一般没有明确的规定，对凸度控制主要是 为保证后续冷轧的要求。冷轧对来料热轧板的凸度公差通常要求小于 0 0 0 7 m m 。表一是我们对哈萨克斯坦卡门热轧厂改造前后凸度对照表： 武汉理工大学硕士学位论文 表一 边部2 5 r a m 处的凸度( u ) 宽度 改造前改造后 1 0 0 0 1 2 0 0 8 04 0 7 0 1 2 0 0 一1 5 0 0 1 0 04 0 7 0 3 主要数学模型及板型控制改造 3 1 主要数学模型 3 1 1 工作辊磨损计算 工作辊磨损的基本公式为： w e a r = j i 吒k w 其中：n ：机架号 巴：第r l 架轧机轧第i 卷钢时的轧制力( 吨) ； w ：带钢宽度( 肌n ) ； l 。：第n 架轧机轧第i 卷钢时的轧制长度( m ) ： w e a r ：轧辊磨损( u ) ； k ：与轧棍材质和带钢材质有关的系数； 根据实际使用过程中测量结果来看，轧辊沿带钢宽度方向的磨损并非一 样，因此上述模型修改为： w e a r = i 吒三。( 1 + a x 4 ) w 其中：一l x l 定义如下： 口：轧辊磨损系数，它与带钢累积长度( 一个轧制单位) 、轧制力、轧辊 材质有关。一般以一个数组存于板型计算机数据区，口 o 0 0 0 4 4 0 0 0 6 j 。 武汉理工大学硕士学位论文 可在此区间内进行人工设定，最直接的办法是分别在冷、热态下对轧辊 测量4 0 个点的辊径，再将两组数据输入板型计算机，即可生成口值。 当x = 0 ，( 对应带钢中心线) ：w e a r 。= k f 。上。w 当x = 1 ，( 对应带钢边部) ：w e a r 。= 女。( 1 + 硝4 ) 为了较精确计算磨损辊形，在模型中将轧辊沿辊身长度按每5 m m 分成 若干片，模型分别计算各片的磨损模型中的x 和n 在调试时根据实测辊形 计算确定 3 1 2 工作辊的热膨胀因素 热膨胀模型是采用有限差分法的一维模型在该模型中，轧辊按5 m m 划分成许多片，并假设每片内的温度是均匀的，同时热辐射率是不变的 由于以下原因，工作辊温度降低： 冷却水对轧辊的冷却； 与空气的热交换； 向周围的热辐射； 与支撑辊的热交换； 向辊颈轴向传递热； 而以下各项又导致工作辊温度上升： 带钢进入轧机后的热辐射； 与热带钢的接触； 沿接触弧的摩擦影响； 其他影响，如辊颈轴承座的摩擦等 因此，工作辊的热膨胀模型为： 那k 一( f ) ，圳f ) x 撖半 ( - t ( f ) ，+ 卷糍 + _ d t ( r ( f + 1 ) ，+ t ( i 一1 ) ，一2 t ( i ) ，) 】 武汉理工大学硕士学位论文 其中：t ( o ：在时间，+ d t 时工作辊上第i 片的温度； 7 1 ( 氓：在时间t 时工作辊上第i 片的温度； l 。，：水温： t 。：带钢温度； a ( i ) ：系数，轧辊与带钢接触，a ( i ) = l ， 轧辊不与带钢接触，爿( f ) = 0 ； a r c ：接触弧长； k ，：轧辊与带钢间的热传导系数； k ：盈辊与除鳞水间的热传导系数； k ：轧辊与冷却水间的热传导系数； k 。：轧辊各片间的热传导系数； 3 1 3 机架弹性变形 该程序计算出各种模型工作所需的模量，主要包括： 弹跳模量( 刚度系数) 弯辊系数 带钢凸度系数 工作辊无负荷辊形系数 支撑辊无负荷辊形系数 利用以上模量，考虑以下各因素： 入口带钢特性( 凸度、厚度。宽度硬度等) ； 轧机特性( 轧机弹跳，支持辊、辊颈等) ； 预设定的带钢轧制参数( 轧制力、厚度，温度等) ； 无负荷工作辊辊形。 可以计算出带钢的凸度，计算公式如下： c r o w n = m f x f + m 8 x f b + mb b t “+ m 。曲xbv i d r + m 。l b 。赴 其中：m ，：弹跳系数 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 f ：轧制力 m 。：弯辊系数 r ：弯辊力 m 。：入口带钢凸度系数 b , o ，：入口带钢凸度 m 。：工作辊无负荷辊形系数 b ，。：工作辊无负荷辊形 m ，。：支撑辊无负荷辊形系数 占。：支撑辊无负荷辊形 3 1 4 工作辊无负荷辊形 为了计算带钢在各轧机出口的凸度和平直度，数学模型必须先计算出工 作辊的无负荷辊形工作辊的无负荷辊形取决于轧辊的初始磨削辊形、轧制 过程中的轧辊磨损以及由于受热引起的轧辊膨胀 该模型计算由于轧辊磨损和热膨胀变化引起的工作辊无负荷辊形的变 化，该模型实际由两个模型组成，一个模型计算轧辊磨损，一个模型计算轧 辊热膨胀该模型考虑了各种初始磨削辊形的影响 计算公式如下： n ol o a dp r o f i l e = f ( w e a r ，g r i n d i n g ，c r o w n ，t h e r m a l ) 3 1 5 带钢的凸度和平直度 该模型考虑带钢轧制时的变形和轧制后的塑性二次变形，而且根据入口 带钢特性( 凸度、平直度、厚度、宽度等) 和负荷工作辊辊形计算出口带钢凸 度和平直度。 3 1 5 1 轧件咬入时的变形 以下为计算的前提： 带钢的凸度是以带钢中心对称的： 轧件是不可压缩的( 即轧制前后轧件总体积不变) ； 武汉理工大学硕士学位论文 咬钢时的凸度和平直度是本轧件的积累； 可用以下公式描述轧机咬钢时带钢上各点与中心点纤维伸长之差： e ( x 1 = 占( f i a t ( x ) + c r o w n ( x ) h + b c ( x ) ) 式中：f i a t ( x ) ：轧机入口侧的带钢平直度； c r o w n ( x ) ：轧机入口侧的带钢凸度； h ：轧机入口侧的带钢中心厚度； 6 ，( z ) ：带钢在轧机咬入状态下的板形； h ：轧机出口侧的带钢厚度； 占：宽展系数( 0 6 1 ) 。 3 1 5 2 = 次变形 带钢经轧制后，由于宽度方向上各点的纤维伸长的差异，二次变形改变 了原来带钢的伸长趋势，从而导致带钢的凸度和平直度缺陷。 以下各点作为计算二次变形的前提： 带钢的凸度是以带钢中心对称的； 轧件是不可压缩的( 即轧制前后轧件总体积不变) ； 二次变形后没有其他的力作用； 仅当伸长趋势超出规定的门槛值时才出现平直度缺陷 带钢凸度和平直度模型可用以下公式描述： l 、平直度控制模型： 当纤维伸长在门槛范围内时，平直度为0 ，用数学公式表示为： 若占( 曲( 岛，。旦，屯。马f l a t ( x ) ：0 当纤维伸长超出门槛范围时，平直度表示为： f i a t ( x ) ：a ( 占( x ) 一k 旦) w 2 、凸度控制模型 武汉理工大学硕士学位论文 数学公式表示为： ， c r o w n ( x ) = b 。( x ) + x h ( e ( x ) 一f l a t ( x ) ) 其中，f f x ) ：带钢宽度方向上某点x 与中心点的纤维伸长之差 k 。：边浪门槛值系数( 负数) ； k 。边浪门槛值系数( 正数) ： f l a t ( x ) ：二次变形后带钢平直度； c r o w n ( x 1 ：二次变形后带钢凸度 h ：二次变形后带钢中心厚度； b c ( x ) ：带钢在轧机咬入时的板形； w ：带钢宽度； 口、：平直度、凸度系数 3 1 6 弯辊拉伸模量的计算 根据预设的轧制力和带钢特性来计算弯辊拉伸模量计算出这个模量后， 要将它送到与a g c 控制相关的系统中，以修正由于弯辊力的设定或变化对轧 制厚度的影响。a g c 系统的原理是：预先设定一个目标厚度，然后与检测到 的实际厚度值进行比较得偏差值，将此偏差值分析计算后，得到校正值，去 控制机架压下量。 它们用于： 1 、在带钢轧制过程中，在与a g c 控制相关的系统中进行由于弯辊变化对 带钢厚度影响的补偿 现有的弹跳模型是： a h ：= a f 肘r 增加弯辊功能后，新的弹跳模型是： a h ：= a f + a f b m f m b 武汉理工大学硕士学位论文 其中：h 压下变化量 a f ：轧制力变化量 凡：弯辊力变化量 m 。：机架模量；每毫米厚度变化所需轧制力( 公吨) 的变化 - m 。：弯辊模量= 每毫米厚度变化所需弯辊力( 公吨) 的变化 2 、增加弯辊功能后，在厚度设定计算机中，压下的位置计算要考虑弯辊 设定力，所用的公式与上面相同 3 1 7 更换轧辊后的初始化 该模块储存工作辊和支撑辊的长度、直径、材质等各种数据，对自适应 值和磨损辊形进行初始化如果更换了所有轧辊，则带钢初次进入轧机时的 自适应值和微调都要设置为零。如果更换了哪个工作辊或支撑辊，坝 j 将它的 磨损和热膨胀辊形设置为零，并根据轧辊的材质计算热膨胀系数。如果更换 了哪个工作辊，则将它的自适应值设为零 3 1 8 弯辊设定模型 在带钢轧制前，这个模型优化弯辊力的设定，利用f 2 f 7 机架的正弯功 能，使带钢头部的凸度和平直度尽可能的与目标值接近。 它包括下列基本模型： 工作辊无负荷辊形模型 机架弹性变形模型 带钢二次变形模型 弯辊设定优化算法 弯辊拉伸模量的计算 弯辊设定完成后，一方面将设定值及相关模量送到弯辊控制p l c ，用于 武汉理 二大学硕士学位论文 平直度闭环控制；另一方面，也将设定值及相关模量送到a g c 控制系统，用 l 哦 子对压下位嚣静修正。 濂程示意如图3 1 。 图3 1 弯辊预设定侥纯算法： 根据前面三个基本模型的结果，该模型优化设定糟轧机的弯辊，逐渐达 至b 下面的目的： 良盎孑蛉带钢可轧性( 减少或孝土绝机架阈的平直度缺陷) ； 由操作员或计算机确定的凸鹰和平直度二者之间的主目标； 凸瘦弱平壹凄闯数次瓣檬， 该模型分为以下几个模块： ( 1 ) 辜l 税兹篱纯 该模块摊除不使用弯辊力( 或空过) 的机架，存储进入第一个带有可调弯 辊力税架时带钢的特髓。 ( 2 ) 轧制性 该模块根据可轧制带钢和出口带钢的最大与最小凸度，计算两个极端的 弯辊力设定。 17 武汉堡三查登堡主鲎垡婆塞一 一一 3 ) 蘑豁凸度 根据出口带钢的鼹标凸度和两个极湍平直度来计算蹰个极端的弯辗力设 定；当无法获得出口带钢的筒标凸度时，尽可能靠近目标凸度来计算弯辊力 设定。 ( 4 ) 目标平直度 根据出日攀钢熬基标乎豢度鞠爨令极蝼楚度来诗葵舞令辍璇戆弯疆力 设定；当无法获得出口带钢的目标平赢度时，尽可能靠近目标平直度来计算 弯辚力竣定。 ( 5 ) 目标凸度和翻标平直度 翔柔凸浚优先，掇据磊标穗度帮尽可麓靠远舀标平矗度来计算弯辊力设 定；如果平巅度优先，根据目标平直度和尽可熊靠近目标凸度采计算弯辗力 设定。 ( 6 ) 架阕平直度优化 该模块优化计算，以达到机架间平赢度缺陷最小的标准。 3 。1 转卷剃卷毒逶痉 根据本卷带钢轧制过程中的测量值( 轧制力、温度、厚度、平直度、凸度 等) ，分拆凸瘦和平直嶷的预报饭与实测值的差羿，并在下一卷的设定时邀行 调整。 这个模型幽下列几个程芹缀成： 工作辊无负蒋辊形模型 机架弹性变彩模型 平妻度基适农程凸度嶷适应 根据工作辗无负荷辊形模型和机架弹性变形模型计算的结果以及本卷带 镪辜l 糕遮程孛瓣溅量篷( 车k 裁力、温度、簿度、乎壹度、魏度等) ，分祈凸度 和平直度的预报值与实测值的差昴，并在下一卷的设定时进行调憋。 每次调整，我稍都执行带钢离边缘2 5 、4 0 、l m 熊的凸度平直魔计 l 巷 武汉理工大学硕士学位论文 _ _ - l _ _ - - 一一一一一 算模型。然后我们计算带钢出口平奁度、带钢出口凸度、机架间平直度的预 报值和实测值之间的差异，每一方面的自适应都不会影响其它方面。 该模型要分别考虑带钢头部和带钢本体两种类型参数，带钢头部参数是 为了机架间平直度适应。 如果操作员对弯辊力没有进行手动调节( 用来纠正机架间平直度缺陷) 的 话、该模型假定机架间平直度缺陷小于1 0 0 1 u 。 3 2 应用程序的功能描述 3 2 1 进程管理和调度 o pv m s 是一个实时多任务的操作系统，允许多个任务同时在a l p h a s e r v e r 计算机上运行，因此，过程控制级设计中另一个重点就是系统的管理和进程 调度。 在弯辊控制的过程控制系统中，同时有多个进程运行，主要包括： 进程名优先级说明 1p r o c 蛐悄2 5进程管理 2t a s k i2 6 带钢跟踪及进程调度( 从粗轧至f 7 咬钢) 3t a s k 22 6 带钢跟踪及进程调度( 从f 7 咬钢至抛钢) 4p r 0 cc 0 m f2 9 通讯子进程 5d i s km a n1 6 定时检查磁盘空间，删除过期数据文件 6r p o cb e n d2 6弯辊设定进程 7p r o cp r o f2 4 凸度自适应进程 8p r 0 cf l a t2 8 平直度自适应进程 - 9p r o ct h 硎2 4 热膨胀进程 1 0p r o cs t a t2 2 统计子进程 】9 武汉理工大学硕士学位论文 根据各进程酶熏要性，定义各道程豹优先缀，德先级越赢，箍l 亳 l l 行靛 越快。每个进程调用相应的予程序，完成指定的功能。每l o o m s 各进程激活 一次。 当a l p h a s e r v e r0 8 2 0 计算机启动( 开：机) 时。进行系统的初始化，然蜃启 动p r o ( ；m a n ，让它初始化以上各子进稷。各子进程每l o o m s 自融激活一次， 其中t a s k i 积t a s k 2 掇握豢锻在轧制线上的运褥状况和位置，发如各子避程 运行的条件标志，以启动各予进程完成相应的功能。对其他子避程而言，检 查繇甏寝蘸懿聚掌 ，羲条佟满足，赠继续运行，完袋子遴翟熬功筢：否则子 进程又回到休眠状态，等待下一个l o o m s 激活。 3 。2 。2 数掇通讯 在a l p h a s e r v e rd s 2 0 计算机中，各进程的通汛主要有两种方式：邮 箱寒公蠲数据送，羲蠹主要角予遗程豹游度和激活标志设置，蜃学瑗于务子 进程间大量数据的交换。a l p h a s e r v e rd s 2 0 与p l c 、数据中心及两台测爨仪 表懿交换，逶遭影l p 淤太瓣耪w d p f - l l 网实壤。数据遴讯实露三级诗舞掇 管理：1 级计算机在最底层，为基础自动化级，负责现场数据采集与控制：2 级计算祝受责轧线管璞和板登控制；3 级计算梳为生产警理。 精轧设定数据存于轧线计算机数据区，以广播方式经以太网一1 v d p f 转换接口一w d p f - i i 网，以便板型计算机随时采集精轧设定所需的轧帝力、材 质、躁标厚度、速度、板宽，轧制单位长度等。其中，材质、轧制目标厚度、 板宽等由人工通过扳型计算机键盘输入，其它参数由各予程序计算所得。板 墼诗髯摄霸转线诗翼援。逡震2 缀计算枧，辜谶诗冀规受费势潺全拿l 利线的管 理与控制，并宪成与3 级管理计算机的联络，板型计算机主要负责与板型相 关豹簪数学禳整子程j 事、与聋l 线诗算穰协谖、对l 缀过程诗算秘躲管理。 轧线计算机与板型计算机以及基础自动化数据交换髓十分庞大，其主要 武汉理工大学硕士学位论文 数据交换的内容见附表1 。 3 2 3 历史数据存储 对于每一块带钢，将其预设定的轧制力、弯辊力、厚度、温度、速度等 记录下来，并将实测的轧制力、弯辊力、出口厚度、温度、凸度、平直度等 数据记录下来，用来对模型的优化。 3 2 4 质量分析和统计 为了提高数学模型的精确性，我们要对带钢凸度和平直度的计算值和测 量值之间的差异进行跟踪统计。根据带钢宽度、厚度范围和种类对产品进行 归类，分别对每类产品做统计工作。 3 3 机械部分改造 由于卡门热轧厂轧制设备没有弯辊、窜辊装置，要实现c v c 轧制，就 必须对其机械部分进行改装。图3 3 为改装后的结构示意图。并配置液压系 统，同时还要对机架进行改装，以适应于弯辊、窜辊装置的安装。 1 弯辊块 工作辊弯辊块由外壳、托座、框架块、上下两个t 型件、四个液压缸及 衬板组成，弯辊块可两个两个互换( 两种) ，用螺栓固定于机架上，弯辊块为 3 0 c d l 2 铸钢，表面经过处理。在工作辊轴承座侧装有c r ev s a b r 0 3 2 衬板， 表面经过处理，具有良好的抗腐蚀性能。t 型件为s a e 4 1 0 0 合金钢，在块内 起垂直导向作用，避免工作辊横向移动的应力传递给液压缸，起到保护液压 缸的作用；t 型件的垂直表面装有m s 3 0 4 型不锈钢衬垫，强度为9 0 一 l o o k g m m 2 ；液压缸活塞为s a f 4 1 4 2 型，强度7 5 9 0k g r 砌2 ，表面处理，活 塞导向套为a e 6 5 型材料，活塞杆和t 型件共用一套密封和特殊的油润滑系统 防止外部污染。液压控制通过压力回路和伺服阀进行。活塞密封为低磨擦青 铜型，在活塞杆上有一防尘密封件和紧固密封件( 纤维型) 2 0 1 3 “。 垦堡堡三奎堂堡主兰垡丝墨 一一 图3 - 3结构示意图 武汉理工大学硕士学位论文 技术参数： 弯辊块数量：4 块( 每架) 液压缸直径：2 0 0 r a m 每侧弯辊力：c 一2 0 0 t 侧 液压缸最大行程：8 0 姗 液压缸收入速度：1 8 m m s 换辊时速度：杆侧：4 5 m m s 控制调节时速度：1 5 m m s 2 工作辊轴承座 弯辊缸数量：4 个( 每架) 最大工作压力：2 6 0 b a r 上液压缸最大行程：1 3 8 m m 工作行程：1 0 8 5 a m 液压缸的伸出速度：9 m m s 无杆侧：2 3 m m s 工作辊轴承座为新型圆锥双列止推轴承座，止推轴承座用于承受工作辊 轴向移动和轧制力所产生的轴向负荷。轴承座为3 0 n c d 8 钢，在机加工前需作 退火稳定处理，轴承坐装有p b p n l 0 0 塑性材料衬垫，有二个回转滑块用于t 型件的窜动；传动侧盖子装有特殊钢钩，用于窜辊装置的连接。 轴承座的数量：每架4 个。 3 窜辊装置 窜辊装置包括两个主框架，它们用螺栓固定在机架的传动侧。框架可沿 轧机轴线平行移动。通过框架上两个夹紧液压缸的运动来完成夹紧动作 框架移动具有三个位置： 夹紧工作辊，使工作辊进行窜动。 工作辊换辊时放松工作辊。 维修时全部打开。此位置需拆除固定挡块后获得，仅在维修过程 中使用。 窜动装置设计有以下三个功能： 轧制过程中固定工作辊。 两块带钢之间窜动工作辊。 工作辊换辊时使工作辊定位。 武汉理王夫学该学位论文 框架为姆接结构。滑轨固定在机架上，装脊青铜衬垫。滑动部件由巢中 干油润滑。 露辊装鼹还装有赞必要的接近帮限位开关，用于位置控制。工 仁辊鹫动 装置的设计考虑了以后选用万向轴。 技术数掇： 动装置数量：每架一套 鼙动液缒缸数羹：4 ( 每工作辊2 个) ，壹经：2 2 0 1 2 5 r g n 、嚣程：3 7 哦 夹紧缸数量：2 ( 出入口备一个) ，直径；1 2 5 9 、行程：5 5 咖n 工作压力：窜动缸：额窥迸力9 0 b a r 、最大蓬力5 0 0 b a r ； 夹紧缸：1 7 0 b a r 窜动速度：高遮2 0 r m s 、低速5 瑚n s 窜动周期：在行程5 0 勰，最小压下速度1 2 5 m m s ，最大机絮延伸 0 5 m m ，p l c 和网络响应估计时间0 2 5 秒时，往两块钢之间为l o 秒。 佼耋铸撼器，类型：p 。v 。d t ，弦程：5 0 0 蕊 4 传动轴 新鍪l 可 牵缩式，程括：溅令毒 枣缭传魂睾鸯辍 蒋帮媛凝弹簧、两令车b 辊爨 套筒等部件。 沿用现帮部件：齿接手部件、齿轮箱侯l 巍套篱。 固定传动轴轴体为氮强化铸钢，滑动轴轴体为合金钢，两根轴之间用花 键连接，辊儇0 套筒为1 8 n c d 6 强化钢，采取人工千油润滑。 技术数援： 传动轴数量：每架2 套，类型：可伸缩式 传动辘行程：3 9 0 m m 接手类裂：延用现有的齿型联轴器 露定传瀚辘壹较：4 2 疆瑾嚣 5 工作辊推控杆装置改造 武汉理工大学硕士学位论文 采用了新型弯辊块后，工作辊( f 4 - - f 7 ) 推拉杆的高度从原来的3 1 5 m m ， 减小到1 8 5 u 】i i 】，钩头将由原来垂直运动方式改为水平运动方式，为了减小拉 杆的曲变形，两个拉杆还增加了支撑架，推拉杆的行程和长度将增加。 保留拉杆传动装置和导向部件。 技术数据： 新推拉杆行程( 原行程：6 2 3 5 m m ) ：6 9 0 0 m m ( 工作辊窜动1 5 0 眦) 推拉杆高度：2 6 5 m m ，长度；1 0 6 0 5 m m ( 工作辊窜动】5 0 m m ) 6 支撑辊轴承座改造 沿用现有支撑辊轴承座，但有较小的改动； 对下支撑辊轴承座的上表面进行少量的加工( 约2 5 r a m ) 。 7 机架改造 安装弯辊块和窜动装置要求对机架作下述加工： 加工面高：约9 2 1 y u n ，加工面深：约5 0 啪 加工垂直键槽：1 0 0 m m ，深约3 0 m m 新的机架衬板高度：上衬板：2 6 0 0 m m ，下衬板：1 5 0 0 m m 在机架上钻孔用以螺栓固定弯辊块和窜动装置j 机架中工作辊换辊轨道 沿用不变。 在机架加工改造到弯辊块安装期间，我们设计一套特殊的临时衬板以用 于正常轧钢。 8 机架管道的改造 由于安装弯辊块和窜辊装置，大部分在机架外侧的润滑、干油、电气等 管线都必须作相应移动。主要包括： 轧机传动测：压下装置润滑管、集中干油润滑管道、主要电缆保护 管、油膜轴承进出油管道、上辊平衡和出入导板、轧辊轴座夹紧板液压管 道。 轧机工作侧：油膜轴承进出油管道、集中干油润滑管路、主要电缆 垫坚堡三查兰堡主堂堡笙塞 保护管道、轧辊轴承座液压管道。 新增弯辊块和窜辊装置的供油管道：新液压管道、新干油管道、新 润滑管道。 9 支撑辊换辊架改造 考虑至u 新机架窗口的装配和配置，改造的主要内容包括支撑辊换辊支 架的角度、吊装方式、工作辊推拉杆拉出托架。由于机架窗1 ：3 和原有的不同， 为保证支撑辊换辊以及侧压头的推出，原有的安全限位也需改造，加大提升 梁的行程，从原有的2 4 0 m m ，增加到3 0 0 , r 。 1 0 f 4 f 7 工作辊 新设计的工作辊辊颈仍采用复合材料，芯部为球墨铸铁，外部为二次浇 铸铸铁，增加了综合强度，尽管辊颈直径减小，弯辊直径增加，实际弯扭组 合应力仍在常规制范围内，见表二。 表二 辊径辊身长度总长总重材质修磨辊型锥度控制 旧辊7 6 0 7 7 01 7 0 04 3 8 0 1 1 5 0 0 可用少量 新辊7 6 0 7 0 0 2 0 0 05 1 7 3 5 球墨辊芯 4 0 0 6 0 0 k g不同辊型 4 凸度、平直度控制与调节 4 1 控制系统的结构 板型控制数学模型都安装在m i c r ov a x 计算机中，控制模型所需要的 数据，其中原计算机系统对每一种带钢的设定数据、删i 操作工输入数据及 仪表测量数据，通过西屋网一i i ( w e s t n e t i i ) 网络接口v x i 传入板型v a x 武汉理工大学硕士学位论文 机，轧辊数据通过以太网的v a x 终端由人工输入，轧制系数作为常数存在于 v a x 计算机内【13 1 。其结构框图见图4 - 1 。 摩i i 匝芦匦司峰早西网一li w r s 、w r b 、 狂u 的m a cj 图4 一j 4 2 凸度平直度控制数学模型及功能 板型控制数学模型主要分为三大部分：离线仿真、实时控制、数据通讯。 其结构图( 图4 - 2 ) 女f 1 下： 图4 2 2 7 武汉理工大学硕士学位论文 4 2 1 离线仿真模型( s i m u l a t l 0 n ) 仿真模型设计为热轧厂精轧凸度、平直度操作进行离线模拟。 仿真程序主要是供生产工艺及轧制计划人员使用的，操作人员也 可用它检查轧制效果。仿真模型程序具有四个独立的功能： ( 1 ) 对于已轧过的带钢，仿真模型根据轧制数据，计算带钢的凸度和平 直度。计算的结果与实测结果比较，这样可检查模型的准确性。 ( 2 ) 对于已轧制过的带钢，选择新的窜辊策略和新的轧制参数，再计算 轧制结果，看是否可提高带钢质量，这样可逐步提高模型的精度。 ( 3 ) 对于已轧制的带钢，根据实测的凸度和平直度，重新计算弯辊力以及 弯辊力调整值。 ( 4 l 对于已经编制好的轧制计划，可通过仿真程序模拟轧制一遍，检查轧 制计划是否可行。 以上四种功能均有数据和图表输出，能直观地看到仿真结果。其最大优 点在于可以利用已经轧过的带钢数据，改变某些轧制参数，运行仿真模型， 计算凸度和平直度，统计分析计算结果，检验这些改变的参数的可行性。也 可用仿真模型来检验管理人员编制的轧制计划的可行性。 4 2 2 在线控制程序( t a s k 删a g e ) 4 2 2 1 在线控制程序即实时控制模型，由以下几部分独立的子模型组成： 1 窜辊设定 2 弯辊设定 3 平直度自适应 4 凸度自适应 5 磨损计算 6 热膨胀计算 武汉理工大学硕士学位论文 7 平直度闭环控制 8 板型数据动态显示( c r t 画面显示) 9 轧制数据记录 1 0 板型质量统计分析( 带钢质量分析) 1 1 实时任务管理程序 以上各部分均作为一个独立的子程序存于计算机内，可以独立地运行， 但由实时任务管理程序统一管理。 4 2 2 2 在线模型主要实施在线板型( 凸度、平直度) 控制，将完成以下任务： 1 、在带钢未进入轧机前，进行窜辊弯辊设定； 2 、轧制过程控制： 8 - 、轧制力补偿环：其目的是通过调节弯辊力来补偿轧制力的变化； b 、平直度控制环( 平直度由两个闭环控制来完成) ：其目的是根据 f 7 出口实测的平直度值来调弯辊力，使带钢达到平直度目标 值。 4 2 2 3 板型模型投入后，将对原有厚度、温度轧制模型产生两方面的影晌： 1 在精轧之前精轧设定完成之后，板型模型的弯辊力设定会对厚度设 定产生影响，因此压下螺丝的a p c ( 自动位置控制) 计算要考虑弯辊设定的 影晌。 2 在轧制过程中，弯辊调节值会对a g - c ( 自动厚度控制) 产生影响， 因此a c , - c 在计算压下调节量时要考虑弯辊调节值的影响。 压下调节量= 轧制力变化量，车l 机模量十弯辊力变化量，弯辊模量 上式的后一项称为弯辊补偿量，在a p c 和a g c 中都要加入这一项消 除弯辊力对带钢的影响。 4 2 2 4 操作工数据输