精轧机板型系统控制研究

攀 钢 技 术 25 精轧机板型系统控制研究 付尚江 （ 攀钢 集团 西昌钢钒 有限公司 热轧 厂 ） 摘 要： 针对 机在西昌钢钒热轧厂实际控制中存在的优缺点， 以及 西马克 型在 薄规格轧制中设定规程变化大和精轧入口凸度不稳定使得 浪造成废钢的实际问题， 通过对模型的热凸度，平直度，薄规格的窜辊设定，自学习系数等的优化，解决了 浪的问题，确保了薄规格带钢的顺利轧制 ，从而减少 因板型不良引起的废钢量 ， 提高了热轧厂的成材率和产量 。 关键词： 机；板型控制； 平直度；凸度 0 引 言 热轧 1.8 其以下 规格 带钢 的批量生产，具 有较大的难度， 轧成 成功率 较 低 。 除了具有天然优势的热轧 机外（设计到 0.8 在国内的常规热连轧机组上，虽然设计都是到 1.2 除了象征性的供 货及 试 验 外，很少 有 1.6 由于市场竞争的需要，西昌钢钒热轧必须要具备 批量生产 2.0 下的规格带钢 ， 特别是 .8 钢的生产 能力 。 西昌 钢钒 热轧精轧机组采用的是德国西马克公司设计的 机，该轧机在板型系统的控制上具有良好的调节能力。 其板形控制模型采用的是西马克的 型，在调试期间由于生产的局限性对薄 规格尤其是极薄规格轧制量较少，模型的很多控制参数需要不断优化和作适当的修改。因此，通过本课题的研究，解决了模型设定规程变化大 和薄规格轧制中带钢在精轧机 中浪的问题，确保的生产的顺行。 1 机控制原理 意为连续可变凸度。 该轧机是德国西马克公司于 20 世纪80 年代初开发的，第一台轧机于 1982 年投入运转。由于其独特的控制板截面形状和控制板型特性， 自研究成功以来，在板带钢与铝板带轧制中获得了广泛的应用。 机辊型为全波正弦曲线，近似瓶形 ，上下辊相同，装成一正一反，互为 180 度，构成 S 形辊缝。通过轴向反向移动上下轧辊，就可以实现轧辊凸度连续变化与轧制。 当轧辊未窜动时，辊缝略呈 S 形，轧辊工作凸度等于零，即为平辊型或中性凸度； 当上辊向右下辊向左 移动等距离时，则形成凹辊缝，此时中间辊 缝变小，轧辊工作凸度大于零，称为正凸度控制；反之，如果上辊向左下辊向右 移动等距离，则形成辊凸度为负的轧辊，轧辊工作辊凸度小于零，称为负凸度控制。由此可见，调节 辊的移动方向和距离，就可以调节原始 辊凸度的正负与大小，相当于一对轧辊具有可变的原始辊凸度 1。 机示意见图 1。 图 1 机 示意 机的优点 机自开发成功以来，获得了迅速的推广，因为它具有一系列的优点，其主要的优点如下： 1） 不仅辊凸度可调的范围大，而且能连续调节，再加上液压弯辊系统，因而显著扩大了板型控制范围。 2）仅一对磨好的轧辊就能满足多种轧制系统的需要，可大大提高轧机的使用能力；可轧制多种不同的合金 钢 ，产品的宽度与厚度显著扩大。 3）轧辊工作时间显著延长，可大大减少换辊次数。 （ a） 负凸度控制 （ b） 中和凸度控制 （ c） 正凸度控制 26 2014 年第 37 卷第 6 期 4）轧制力下降，轧辊磨损减轻，道次压下量大，带钢的表面质量提高，带钢更加平直。 机的缺点 1） 机的横移主要用于满足带钢轧制过程中各机架的凸度设定要求，并不能消除轧辊磨损不均。因此，在轧辊边部出现磨损加剧的现象，当磨损加剧区移到带钢中部时，会使带钢横断面出现局部高点，影响带钢表面质量及一个换辊周期内的总轧制长度和同宽轧制长度，这是 机不能够实施自由程序轧制的主要原因。 2） 辊形状复杂，特殊，磨削要求精度高， 工作辊在线研磨技术实施比较困难，也限制了其在自由程序轧制中的应用。 3） 机上下工作辊由于热凸度差异和磨损差异，造成带钢出现楔形，也容易出现 跑偏。 2 型 型，就是板型控制模型， 热轧厂板型控制模型全套引进于德国西马克公司 。 义及目标 义 ： 钢或中间坯的板凸度（ 钢或中间坯沿宽度方向的厚度分布； 直度。 标：在保证平直度的前提下获得期望的板凸度，并且保持带钢全长方向上板凸度的恒定。 制策略 采用 术，通过 S 型工作辊的 轴向窜动和液压弯辊，实现连续的板凸度预设定；在带钢轧制过程中，通过改变工作辊弯辊力动态补偿由轧制力波动，热凸度变化和轧辊磨损导致的凸度波动，实现对凸度的动态控制；上游机架主要控制板凸度，下游机架主要控制平直度 ，通过上游机架较大的板凸度改变，实现下游机架的相对板凸度的恒定，从而保证带钢的目标板凸度和平直度 。 为了进一步保证带钢的平直度，还常在末机架用精轧出口板凸度和平直度实测值反馈到相关的平直度控制机构形成闭环控制。 3 板型控制 板型就 是 指板材的翘曲程度，实质就是板带材内部残余应力的分布。只要板带材内部存在残 余的内应力， 就称为板型不良。如果这个应力虽然存在，但是不足以引起板带材翘曲，则称为 “潜在 ”的板型不良；如果这个应力足够大，以至于引起板带材翘曲，则称为 “表现 ”的板型不良。 响板型的因素 影响板型的因素有以下几点 2： 1） 轧制力变化对板型的影响 轧制力是影响带钢凸度的主要因素之一。轧制力受很多因素的影响，如变形抗力，来料厚度，摩擦系数等。它是轧制过程中一个非常活跃的因素。不管支撑辊的直径有多大， 轧制力增大总会增加支撑辊的挠曲，因为轧制力和挠曲之间具有线性关系，故带钢凸度也就与轧制力成正比，从而导 致更大的带钢凸度，使板型不良。 2） 热凸度对板型的影响 在轧制过程中， 带钢 在轧辊滑动产生的热量和带钢 变形所释放的 热量有一部分 传入轧辊，使轧辊温度升高，这就是轧制过程中轧辊的热输入。同时冷却水和空气又从轧辊中带走热量，使其温度降低，这就是轧辊的热输出。 在开轧后的一段时间内，轧辊的热输入大于热输出，轧辊温度逐渐升高，热凸度也随之不断增大。在与某一特定规程轧制若干卷后，轧辊的热输入和热输出相等，处于平衡状态，轧辊的热凸度也保持一个恒定的值。轧辊热膨胀对带钢凸度的影响，对不同的轧制周期会有不同的结果。 热膨胀是凸度产 生较大变化的主要原因。 3） 初始轧辊凸度对板型的影响 工作 辊的初始辊型在轧制的初始阶段影响带钢中心凸度的大小， 随后其影响就很小了。工作辊凸度能有效改善空载辊缝形状，也能改变工作辊和支撑辊之间的接触情况，从而可改变带钢的凸度，影响到板型质量。 4） 张力对板型的影响 一是张力改变对轧辊热凸度 产 生影响，特别是后张力影响更大，因而调整张力是调整控制板型的手段之一。 二是张力对轧制压力 产 生影响。根据轧制理论，由于张力变化，特别是后张力变化， 对轧制压力 有 很大影响，而轧制压力变化必然导致轧辊弹性变形发生变化，所以必然对板 型产生影响。 5） 轧辊磨损对板型的影响 轧辊磨损严重地影响着带钢边 部的凸度和边部减薄， 轧辊的局部磨损偏差使得带钢的板型凹凸攀 钢 技 术 27 不平。当偏差值超过一定值时，带钢就会起脊。轧辊磨损对板型的影响因轧辊类型不同而不同，也取决于轧机数量。 型轧制薄规格存在的问题 型设定规程变化大 以前轧制薄规格时，如果换钢种或换宽度规格，相邻两块钢的模型设定参数 辊量）变化量达到 100 右。由于轧辊磨损和热膨胀的不均匀性，如果窜辊量改变过大，带钢就会在轧辊磨损轮廓边缘或轧辊冷热交界区域轧 制，带钢在这种不规则辊缝内轧制极易导致带钢板形发生剧烈变化，轻则产生严重浪形，重则导致轧废。 板形模型在对换钢种、目标凸度改变时设定规程变化太大， 由 废钢数据可知：（ 235B 钢种，规格 1.8 250 标凸度40 形设定弯辊力为负值，轧制状态稳定； )钢种，规格1.8 250 标凸度 20 形设定弯辊力为正值，且 辊力达上极限），导致 出后板凸度太小，有中浪 。在 跑偏严重， 导致在 口轧烂。 轧入口板凸度变化大 型在计算精轧入口板凸度时，用出口的实际板凸度和设定板凸度偏差系数参与入口板凸度的修正。采用这种方法的结果是，如果出口板凸度和设定值存在较大偏差，必然影响到入口板凸度的计算，但实际的入口板凸度不会因为几块钢的轧制就发生较大变化，这导致模型计算的入口板凸度和实际板凸度存在较大的差异，模型按照一个错误的入口板凸度进行精轧机架板凸度分布，必然影响带钢在轧机内的轧制状态。 取的主要措施 针对西马克的模型存在的问题，采取了以 下措施保证薄规格的顺利轧制。 辊热凸度计算模型优化 在精轧机内为了精确控制带钢的板 型 ，模型首先必须准确预报出带钢轧制前和轧制中的轧辊辊缝形状，而影响轧辊辊缝形状的一个重要因素就是轧辊热凸度。 轧辊热凸度指轧辊和带钢接触后，轧辊受热发生热膨胀后产生的辊凸度。影响模型对轧辊热凸度计算精度主要是轧辊冷却水和轧辊热传导系数，优化模型的轧辊热凸度计算精度从以上两个因素进行。 对精轧机架轧辊温度进行测量。在每次换精轧工作辊时，轧机停轧后 3 将轧机内的所有冷却水关闭，在第一时间将轧辊从轧机内抽出 ，待轧辊抽出 20 ，开始对轧辊辊温进行测量。通过近 20 次的辊温测量，每个机架的实际辊温测量值和模型预报值如表 1 所示。 表 1 轧辊温度测量值和计算值对比 机架 实测辊温 / 计算辊温 / 偏差 / 2 3 4 5 6 7 过对轧辊温度实测值和计算值的偏差进行分析，对模型中的轧辊热传导系数按表 2 的数据进行优化 。 表 2 优化前后的轧辊热传导系数 机架 优化前 的系数 优化后 的系数 4 000 15 000 0 575 14 500 0 660 17 500 1 100 14 500 1 500 17 000 1 100 15 000 0 000 15 000 对水温设置偏差补偿参数。在 板型 模型中会采用实际的轧辊冷却水温度参与轧辊热凸度的计算，该温度值是基 础自动化系统通过安装在轧辊冷却水管路上的测温仪表实际测量得出。但是由于安装测温仪表的位置在轧机下的一个密闭空间内，该处不透风导致散热慢，仪表测量出的水温值较实际的冷却水温度值高 6 。为了确保模型采用的冷却水温度值的一致性，在模型配置文件中增加对冷却水的修整参数，补偿实际水温和测量水温的偏差 。 度和平直度计算的优化 由于每个机架的相对凸度不一致会导致前面机架出现中浪。在以前的轧制过程中 常有中浪产生，导致轧机内带钢跑偏，最终 造成 废钢。 28 2014 年第 37 卷第 6 期 如果 口测量的凸度值比模型计算值高，自学习 系数 会不 断修正计算值，以便计算出更高的凸度。为了保持整个轧制过程中平直度良好。 对凸度）应该分配到前面的机架。但是如果某个机架本身的计算有误差（如工作辊热凸度计算误差大），使用本原理，会导致前面机架的 相对凸度修正值太大。由于太高的热凸度计算会导致很高的自学习值， 继而导致前面机架的修正值很大。为了达到目标凸度，前面机架对窜辊和弯辊的设置也非常高，这样会导致前面机架凸度很低，从而产生中浪。 该状况在对轧辊模型和凸度计算优化后得到了很大的改善，自学习值降低了很多。但是由于机架本身的状态问题，仍 然存在一些误差，所以对分配到前面机架的凸度修正相对值从 1 降到 在相应的文件 程序 里对其进行了修改。 化薄规格轧制的窜辊设定 西昌 钢钒 热轧厂的轧辊工作长度为 2 050 是根据轧制负荷和板 型 控制水平，轧制 1.8 钢宽度一般在 1 250 下。每次换工作辊后用 1 500 度的带钢进行烫辊轧制，按照宽度、厚度递减的原则进行轧制计划编排，在轧制 1.8 格一般在整个轧制计划的 35块带钢以后，轧辊在经过 35 块左右的带钢轧制，在带钢经常接触的位置已经磨损成一定幅 度的箱形孔形状，如图 2 所示的轧辊辊缝形状。如果在轧制 1.8 以下的带钢时，轧辊窜辊变化过大，使带钢处于不规则辊缝内轧制，导致轧制不稳定和板 型 质量差。 图 2 轧辊磨损后的辊缝形状 因此 对模型设定窜辊变化的计算策略进行优化。在原有模型中相邻两块带钢的最大允许窜辊变化量是 150 过实践证明在轧制极薄规格时，如果相邻两块钢的窜辊量变化大于 50 了确保在轧制极薄规格时，相邻两块带钢状态的 稳定 性，将相邻两块钢的窜辊变化量限定为最大 10 此，在模型表中新增窜辊设定参数，并按照带钢的厚度规格进行层别划分，当带钢厚度大于等于 钢厚度小于 用相邻两块钢最大允许窜辊为 10 通过对极薄规格轧制时相邻两块带钢窜辊变化参数的优化，实现极薄规格带钢在图 3示意 的 辊缝区域内轧制，成功避免因为窜辊量变化大导致带钢在轧机内轧废或带钢 板型 变差。 图 3 优化后 极薄规格带钢在辊缝内的位置示意 自学习系数进行清零 对模型程序进行修改和优化后，为了避免由于旧有的错误的自学习值进行学习而导致糟糕的状态发生 ，将以前模型文件较高的自学习值清零。为了使长期自学习值恢复更快，在调整过程中将计数从 30 降到 8，调整完成后又恢复到 30。 化入口板凸度计算 入口板凸度是整个 板型 模型进行精轧机架板凸度分布计算 的 原始依据，入口板凸度的准确性直接影响到模型对各个机架 板型 设定参数的合理性。 入口板凸度即中间坯的板凸度，计算入口板凸度的主要依据是粗轧工作辊 的 磨损和热凸度。为了实现模型对粗轧工作辊的磨损和热凸度计算准确性，对每次换下的粗轧工作辊辊温和实际磨损进行测量，通过对实际测量值和模型预报进行偏差对比，通过偏差值对模 型中的磨损计算参数和热凸度计算参数进行优化。 同时对每次换辊周期的前期和后期所轧制的中间坯实际板凸度进行测量，用实际测量的板凸度和模型计算的板凸度进行对比，通过对比值修正入口板凸度修正系数。 为了防止精轧出口板凸度的控制偏差影响入口板凸度的计算，将原有模型中用出口板凸度偏差攀 钢 技 术 29 系数修正入口板凸度计算的功能取消，确保入口板凸度计算 的 独立性和准确性。 通过上述措施，薄规格的板型控制得到了很大的提高 。 提 升 了热轧的一次成材率。 4 结 语 1）填补了攀钢无 型控制经验的空白，形成成熟板型控制工艺，为汽车板等高板型要 求钢材品种生产打下良好的工艺基础。 2）对薄规格轧制时头部浪形严重情况得到了一定的改善，通过对模型的优化，现在轧制薄规格头部浪形长度得到控制，提高了成材率。 3） 热轧板型的控制是一项很复杂的过程，影响因素很多。通过本项目的研究，对磨损，热膨胀，辊原理，窜辊行程，弯辊力的设定等有了一定的理论基础和现场实际经验。优化了西 马克制模型。满足了多钢种，多规格的板型控制要求。提高了热轧厂产品 质量 ， 得到 了用户对西昌 钢钒热轧产品的认可。参考文献 1 连家创，刘宏民 北京 :兵器工业出 版社， 1997. 2 刘战英 北京 :冶金工业出版社， 1996. 编辑 姜敏 收稿日期： 2014 邢钢三项科技成果通过河北省科技成果鉴定 2014 年 10 月 , 由邢钢自主开发的“高淬