热连轧过程及计算机控制(L-2)

热连轧过程及计算机控制系统简介,2011.03武汉,主要内容,1.热轧定义（DefinitionofHotRolling）2.热连轧工艺（HotContinuousTechnology）3.带钢热连轧计算机控制系统（ComputerControlSystemforHotStripMills）4.带钢热连轧数学模型的基本方程（BasicEquationsofMathematicModelsforHotStripMills）,1.热轧定义（DefinitionofHotRolling）,1.1热轧在金属的再结晶温度以上进行的加工称为热加工；在金属的再结晶温度以下进行的加工称为冷加工。一般金属的再结晶温度在550750度之间。低温变形（850）左右。,在一定的条件下热加工变形比其他加工方法，如冷加工具有一系列的优点：(1)金属在热加工变形时，变形抗力较低，消耗能量较少。(2)金属在热加工变形时，其塑性升高，产生断裂的倾向性减少。(3)与冷加工相比较，热加工变形一般不易产生织构。(4)在生产过程中，不需要象冷加工那样的中间退火，从而可使生产工艺简化，生产效率提高。(5)热加工变形可引起组织性能的变化，以满足对产品某些组织与性能的要求。,图1-1铁碳合金相图,热加工变形除具有上述优点，使之在生产实践中得到广泛的应用外，同其他加工方法相比较它也有如下的不足：(1)对薄或细的轧件由于散热较快，在生产中保持热加工的温度条件比较困难；(2)热加工后轧件的表面不如冷加工生产的尺寸精确和光洁；(3)热加工后产品的组织及性能不如冷加工时均匀；(4)从提高钢材的强度来看，热加工不及冷加工。热加工变形可以认为是加工硬化和再结晶两个过程的相互重叠。在此过程中由于再结晶能充分进行和变形时靠三向压应力状态等因素的作用，可使：(1)铸态金属组织中的缩孔、疏松、空隙、气泡等缺陷得到压密或焊合。(2)在热加工变形中可使晶粒细化和夹杂物破碎。(3)金属在热变形过程中产生带状组织。,2.热连轧工艺（HotContinuousTechnology）,2.1带钢热连轧生产工艺的发展世界上第一套带钢热连轧机（1470mm）于1924年在美国问世。我国第一套带钢热连轧机（1700mm）于1958年在鞍钢投产，我国第一套引进的带钢热连轧机（1700mm）于1978年在武钢投产（引进日本技术）。20世纪80年代宝钢从德国引进的带有板形控制的2050mm、1580mm热带轧机为第三代。,211传统带钢热连轧机（ConventionalHot-stripMills）传统生产工艺：板坯厚度200mm以上，长度为4.59m；具有一定容量的板坯库；具有加热炉区；具有粗轧区、精轧区、卷取区；具有后续的精整区。用于年产量在300万吨以上以及带宽1600mm以上的热带生产。最小厚度为1.2mm。根据粗轧机的布置，可将传统带钢热连轧机划分为以下几类：,（1）单机架布置（SingleStand）（图2-1,2-2）采用一个强力机架轧制37个道次。（2）全连续式热带轧机（FullContinuousHotStripMills）(图2-3d)所有粗轧机均为连续式布置，没有可逆道次。（3）半连续式热带轧机（Semi-continuousHotStripMills）(图2-3a)粗轧机有两个以上的可逆机座，或者全部为可逆机座。（4）3/4连续式热带轧机（3/4ContinuousHotStripMills）(图2-3c)4座粗轧机中有一个可逆机座。（5）带卷取箱的热带轧机（图2-4）,Fig.2-1SchematicdiagramofSteckelmill,Fig.2-2Layoutofplanetarymill,Fig.2-4HotstripmillwithCoilbox,Fig.2-3Principallayoutsofhotstripmillsa)semi-continuous,b)withtwinreversingroughingtrain,c)three-quartercontinuous,d)fullycontinuous.,212连铸连轧生产工艺（ContinuousCastingandRollingTechnology）世界上第一条连铸连轧生产线由德国SMS公司设计，于1989年在美国的NucorCrawfordsville厂投产，该生产线为CSP（CompactStripProduction）工艺，将连铸和轧制直接结合在一条生产线上，并取消了加热炉区和粗轧区。典型的薄板坯连铸连轧生产工艺有：,（1）CSP工艺(图2-5)由德国西马克公司研制，第一条生产线于1989年在美国的NucorCrawfordsville厂投产，生产线全长约300米。目前大约2/3的薄板坯连铸连轧生产工艺为CSP线。一机一流生产能力大约100万吨/年；两机两流为200万吨/年。最小热轧卷厚度为1.0mm。产品厚度为1.012.7mm,（2）ISP工艺（InlineStripProduction）(图2-6)在线热带钢生产工艺由德国德马克公司研制，于1992年1月在意大利的Arvedi钢厂建成投产，设计能力50万吨/年，实际产量84万吨/年。这也是欧洲第一套薄板坯连铸连轧生产线。生产线全长约180米。产品厚度为1.012.7mm。,Fig.2-5ThyssenKrupp的CSP机组,图2-6Corus的ISP机组,（3）FTSRQ(FTSC)(FlexibleThinSlabRollingforQuality)工艺(图2-7)FTSRQ(后该为FTSC)称为生产高质量产品的灵活性薄板坯轧制，由意大利达涅利公司开发。第一条生产线于1997年在加拿大的Algoma钢厂投产。产品厚度为1.016.0mm。（4）CONROLL（CONtinuousROLLing）工艺(图2-8)该工艺由奥钢联工程技术公司(VAI)开发，第一条生产线于1995年4月在美国的ArmcoMansfiled钢厂投产。生产能力90180万吨/年（11流，22流），产品厚度1.812.7mm。,（5）ASP（AngangStripProduction）工艺(图2-9)鞍钢自行开发的、具有自主知识产权的1700中薄板坯连铸连轧生产线（AngangStripProductlon简称ASP)于2000年11月正式投产。一期工程由一台新建中薄板连铸机和原1700生产线异地改造后并配加步进梁式加热炉一起组成一条现代化中薄板坯连铸连轧生产线，设计能力为年产200万吨。二期工程2003年再新建一台中薄板坯连铸机后，年产量可达250万t。成品热轧带卷规格为(1580)mmX(9001550)mm,其中厚度在2.5mm以下的占50。,图2-7加拿大Algoma厂FTSC机组,图2-8奥钢联CONROLL生产线,图2-9鞍钢ASP生产线,（6）CRP工艺（CRPTechnology）CPR工艺即铸压轧工艺(CastingPressingRolling)，由西马克公司、蒂森公司和法国尤西诺尔沙西洛尔(UsinorSacilor)公司共同开发，用于生产厚度小于25mm的合金钢和普碳钢热轧带材，其工艺原理见图2-10。它利用浇铸后的大压下(60-极限压下量)，仅使用一组轧机，最终可生产厚度为6mm的薄带卷。该工艺采用西马克的漏斗型结晶器,出结晶器下口铸坯厚度为50mm，直接进行液芯压铸和粗轧，早期的试验装置是一对铸轧辊，后改为两对，第一对挤压辊可将铸坯减薄至2530mm，再进入第二对辊，粗轧铸坯为1320mm。该生产线包括一台连铸机、一台感应炉、除鳞机、一台四辊轧机。试验线见图2-11。,图2-10CRP原理图图2-11蒂森公司的CRP试验线示意图,22带钢生产工艺的新动向（NewTrendsofHotStripProduction）（1）超薄带钢的生产（TheProductionofUltraThinStrip）传统带钢热连轧机和连铸连轧生产工艺目前所能稳定、正常生产的最薄带钢规格为1.01.2mm，生产0.8mm，甚至更薄的超薄带钢成为下一步的研究课题，热带生产工艺如能生产出0.8mm的带钢，就可以代替部分冷轧产品。由于热轧奥氏体过程温降很大，很难轧出很薄的产品，因此，铁素体轧制就成为可能的轧制工艺。,*辊缝工艺润滑*高速AGC系统*高精度质量流控制系统*高性能板型控制系统*F1前增设板形仪*边部加热,轧制超薄带(10mm)时，需借助飞速变辊缝轧制技术。飞速变辊缝控制技术(FlyingGaugeControl，简称FGC)在轧制长尺坯时，为了防止铸坯发飘和夹钢，通常需将铸坯头尾轧成比铸坯中部稍厚的规格，即兼容大压下率的中部轧制和稍厚的头尾轧制。例如，在轧制10mm厚的最终产品时，头部轧成15mm规格，然后从l.5mm到1.0mm实施飞速变辊缝控制轧制，见图1-12。,（2）无头轧制和半无头轧制的应用（TheApplicationofEndlessandSemi-endlessRolling）,所谓半无头轧制工艺是指连续轧制长度相当于普通板坯最大长度46倍的板坯，然后再将其分切成要求重量的钢卷。半无头轧制工艺被认为克服了单卷轧制的通病,尤其是当轧制超薄带材时，这一工艺既提高了收得率，又改善了带钢质量和穿带的稳定性，具有明显的优势。1)生产超薄带钢和宽薄带钢，拓宽产品大纲而不降低收得率；2)稳定轧制条件以利于提高产品质量和收得率；3)消除了与穿带和甩尾有关的麻烦，大大地降低了轧辊的消耗，提高了生产率。,图1-12飞速变辊缝控制轧制概念,所谓铁素铁轧制是指轧件进入精轧机前，就完成-的相变，即变成完全铁素体。粗轧仍在全奥氏体状态下完成，然后通过精轧机和粗轧机之间的超快速冷却系统，使带钢温度在进入第一架精轧机前降低到Ar3以下。这样就克服了-相变区轧制的危害。因而热轧超薄带钢就变得非常容易。,（3）铁素体轧制（FerriteRolling）,图2-13传统轧制工艺与铁素体轧制工艺的比较,图2-14流动应力与温度的关系,与传统的奥氏体区高温轧制工艺相比，铁素体低温轧制工艺在经济、技术等方面有其独到的特点：(1)钢坯加热温度低，可较大幅度降低加热能耗，提高加热炉的产量；(2)低的加热温度可降低氧化烧损，提高成材率；低的加热温度可减少轧辊温升，减少由热应力引起的疲劳龟裂和断裂，降低轧辊磨损；低温轧制可降低二次氧化铁皮量的2037，提高热轧产品的表面质量，同时也可提高酸洗线的运行速度；(3)铁素体区轧制可生产出晶粒较大、屈服强度、硬度均比较低的带材，使冷轧变形率大大提高，平均可达87.5，并且对铁素体区轧制钢卷进行冷轧时生产率可提高20；(4)低碳钢不需添加Ti、Nb等合金元素，能直接生产热轧深冲带钢，可实现热轧产品替代部分冷轧产品，降低成本；并可扩大冷轧产品范围，生产极薄及宽度大的冷轧板。,3带钢热连轧计算机控制系统（ComputerControlSystemforHotStripMills）,3.1带钢热连轧计算机控制系统的主要功能带钢热轧生产是目前应用计算机控制最为成熟的领域，其控制范围包含了整个生产过程，从加热炉入口、甚至从连铸出口开始到成品库，包括了轧制计划，板坯库管理，数学模型，设备控制和质量控制以及传动(电气及液压传动)数字控制等各个层次，是轧钢自动化领域中最为庞大，最为复杂的控制系统。带钢热连轧计算机系统基本上分为三级，其系统功能框图如下图所示。,(1)基础自动化控制功能基础自动化面向机组，面向设备及设备的机构。随着电气传动的数字化以及液压传动的广泛应用，数字传动已逐步与基础自动化成为一个整体。基础自动化控制功能按性质可分为：轧件跟踪及运送控制；顺序控制和逻辑控制；设备控制及质量控制。,3级计算机控制系统,(2)过程自动化控制功能过程自动化面向整个生产线，其中心任务是对生产线上各机组和各个设备进行设定计算，为此其核心功能为对粗轧、精轧机组负荷进行分配(包括最优化计算)及数学模型的预(报)估，为了实现此核心功能为对粗轧、精轧机组负荷进行分配(包括最优化计算)，过程控制计算机必须设有板坯(数据)跟踪、初始数据输入、在线数据采集以及模型自学习等为设定模型服务及配套的功能。热连轧过程自动化控制的主要功能是精轧机组的厚度设定模型和板形设定数学模型，设定值计算后，下送到基础自动化，由设备控制功能执行。,(3)生产控制级功能生产控制级用于协调炼钢、连铸、热连轧以及冷连轧间的生产计划，并以热连轧为中心与上游及下游交换数据。生产控制除生产计划(轧制计划)的编制外，还负责板坯库、成品库的管理，质量管理以及磨辊的管理等工作。,3带钢热连轧计算机控制系统,3.2带钢热连轧计算机控制系统的设计原则由于用户对热轧板质量的要求越来越高，因此计算机控制系统已经是冷、热连轧不可缺少的组成都分。随着液压控制系统的广泛应用(液压压下、液压弯辊、液压窜辊机构)，全部控制都将作用于轧辊轧件形成的变形区。,（1）冷、热连轧控制系统需满足的两个要求：1)高速控制连轧机组除了一些顺序逻辑控制可以采用通用的可编程控制器(PLC)外，大部分功能要求实现高速控制，控制周期ll0ms，为此需大量采用HPC(高性能控制器)，HPC为多CPU控制器。,2)高速通讯由于多个控制功能(例如厚度控制、张力控制、板形控制)最终都作用到变形区，因此存在较强的功能间耦合，需要相互传递补偿信息。数据更新时间往往要求为l2ms。,（2）系统设计遵循的原则1)系统结构开放计算机系统结构应以国际标准的VME及PCI总线作为基础，从而实现系统开放，开放的系统结构有利于系统今后的扩充和升级。,2)采用多CPU结构高性能控制器采用高档CPU，保证最快控制周期可达lms，适合于应用在分布式生产过程的快速系统中。更重要的是，硬件档次紧跟当前最流行的CPU指标，硬件集成化程度高，百分之百的工业级芯片，适用于各种温度环境和工业现场环境。在高速通讯网络方面，与第三厂家的良好接口和高可靠性的过程IO接口、使得用户能方便配置各类快速系统。多CPU结构和实时多任务操作系统环境，非常适合于冷、热连轧计算机控制系统这样的实时多任务的工作方式。,3)系统尽可能采用远程IO随着现场总线应用的日益广泛，系统与传动(电气及液压)及各子系统一般通过现场总线连接，实现以通信电缆(光缆)代替IO电缆，大量减少电缆数量及电缆铺设工作量，使系统更加可靠。,3带钢热连轧计算机控制系统,4)人机界面采用OPS十OPU结构，即操作台除了必须的紧急按钮等操作器具外，主要由OPS(带CRT显示及专用触模式键盘的操作员站)及OPU(带灯辅助功能键盘)组成。,5)系统具有高可靠性正常连续生产是冷、热连轧机的基本要求，也是提高产品质量和效率的根本保证。因此，轧制过程计算机控制系统要求具有很高的可靠性。一般要求整个系统的故障率小于0.2，也就是说，如果系统的考核时间为720小时，系统允许出现故障及故障恢复时间总共不能超过144小时。6)具有较强的系统诊断能力，一般提供系统诊断站，提高系统可靠性和维护效率。7)每个操作员站的数据点一般不超过l024点，但要求数据刷新要快，一般要求数据刷新小于500ms。,3.3轧制过程计算机系统配置典型结构为了满足冷、热连轧计算机控制系统对于高速控制和高速通讯的要求，国外大电气公司都设计有针对性的大型分布式计算机控制系统。但从系统的拓朴结构上看基本上可归纳为两类系统，即区域控制群结构和超高速网结构。,（1）区域控制器群结构属于区域控制器群这一结构的有GE的INNOVATION系统和西门子的SIROLL系统(图3-1)，其特点是采用高速网将控制连轧机组的各控制器(PLC及HPC)连成一个控制器群以解决各HPC间的快速数据交换(12ms)。,系统由Ll(一级)基础自动化级，L2(二级)过程自动化级及L3(三级)生产控制级构成。基础自动化级内采用高速网后分为二层，上层为区域主管及用于质量控制的HPC(例如厚度控制，板形控制)。下层则为主传动数字控制器和机架控制器(SC)。机架控制器实际上即为本机架各液压机构(液压压下，弯辊，串辊)的液压传动数字控制器(液压APC)。因此可以说下层为传动(电气传动及液压传动)的数字控制器。,3带钢热连轧计算机控制系统,图3-1区域控制器群结构,(2)超高速网结构属于这一结构的有日立系统、三菱系统(图3-2)以及ALSTOM的ALSPA系统。这一系统的特点是所有控制器都平铺地连接在LlL2间的超高速网上，利用超高速网的宽频带，各控制器间以及L1与L2间以五种速度交换数据。同一区域内控制器可以以12ms的周期交换数据；不同区域的控制器可以以50ms或100m周期交换数据；Ll与L2间可以用50ms(跟踪信息)、100ms(数据采样)及500ms(设定值下送)周期交换数据；L1与L2与人机界面系统的服务器可以用500或1000ms周期交换数据。,无论是“区域控制器群”还是“超高速网”结构，由于解决了12ms的超高速数据交换，都很好地满足了冷、热连轧过程的“二高”要求。,3带钢热连轧计算机控制系统,图3-2超高速网结构,3.4CSP计算机系统主要功能,3带钢热连轧计算机控制系统,连铸计算机（板坯连铸过程控制）,轧制计算机（轧制过程控制：设定、AGC、卷取温度控制、速度控制等）,生产控制计算机（产品性能、产品质量数据传送等）,板形计算机（轧件板形控制）,4.带钢热连轧数学模型的基本方程（BasicEquationsofMathematicModelsforHotStripMills）,4.1弹跳方程轧机弹跳量一般可达25mm，对于开坯轧机或开坯道次来说，由于每道压下量大(往往在几十毫米以上)，一般可不考虑轧机的弹跳量。但对于热轧和冷轧薄板来说，情况就完全不同了，由于压下量仅为几个毫米甚至小于1mm(冷轧则更小)，轧机的弹跳量与压下量属同一数量级，甚至弹跳量超过钢板厚度，因此必须考虑弹跳影响，并需对弹跳值进行精确计算，这样才能得到符合公差要求的产品。轧机操作时所能调节的只是轧辊空载辊缝S，而薄板轧机操作中一个最大的困难是如何通过调节S来达到所需要的带钢厚度。根据弹跳现象可写出以下关系式(图41),式中SP有载辊缝，mm；h轧件厚度，mm；S空载辊缝，mm；C机座总刚度，kNnm。刚度的定义为轧辊辊缝增大1mm所需要的轧制力大小，根据试验表明，机座弹性变形的特性如图4-1所示。从图4-1中可以看出刚度是轧制力的函数C=f(P)，而且机座的弹性变形与轧制力并非线性关系，在小轧制力时为一曲线，当轧制力大到一定值以后，力和变形才能近似呈线性关系。这一现象的产生可用零件之间存在接触变形和轴承间隙等来解释。这一非线性区并不稳定，每次换辊后都有变化，特别是轧制力接近于零时的变形(实际上是间隙)很难精确确定，亦即辊缝的实际零位很难确定，因此上面的关系式很难实际应用。,图4-1轧机弹跳曲线,在现场实际操作中，为了消除上述不稳定段的影响，都采用了所谓人工压零位的方法，即先将轧辊压靠到一定的预压靠力P0，此时将辊缝仪的指示清零（作为零位），这样可克服不稳定段的影响。,轧辊压靠,(1)在轧制过程中，轧辊和机架的温度都有所升高(直到某一稳定状态)，将产生热膨胀，同时由于轧辊不断磨损，因而使辊缝发生“漂移”。因此在上述公式中应增加补偿量，以符号“G”表示，称为辊缝零位。(2)当支撑辊采用油膜轴承时，其油膜厚度与轧辊转速和轧制力大小有关，因此在加速过程中，油膜厚度的变化将影响辊缝的精度，其变化量用O表示。基于这两点考虑，弹跳方程可写成：,4.2辊缝形状方程由于轧出带钢的断面形状(凸度)即是有载辊缝形状，因此带钢断面形状控制(板形控制)实质上是对有载辊缝形状的控制(图4-3)。影响有载辊缝形状的因素较多，包括：(1)使辊系弯曲变形(含有一些剪切变形)的轧制力；(2)使辊系弯曲变形的弯辊力；(3)改变轧辊辊型的热辊型和磨损辊型；(4)改变轧辊辊型的CVC技术，PC技术及其他可控制辊型技术。因此有载辊缝形状可用以下方程描述:,式中，CR辊缝中部开度与板边处开度之差，即为与带钢凸度有关的有载辊缝形状，mm；P轧制力，kN；F弯辊力，kN；KP辊系在轧制力作用下的弯曲变形，又称为轧机横向刚度，kNmm；KF辊系在弯辊力作用下的弯曲变形，又称为弯辊横向刚度，kNmm。,C可控辊型，根据采用CVC或PC等技术确定其值，mm；H热辊型，为此需建立热辊型模型，mm；W一磨损辊型，为此需建立统计型磨损模型，rnm；O初始辊型，根据板形控制需要进行辊型设计和磨辊，mm；入口带钢凸度，mm；E0，EC，E相应系数。对于热轧带钢来说，H，W为扰动量，C及F为控制量，而轧制力可以看作扰动量，亦可作为控制量。一般对于设有弯辊、窜辊(或PC辊)板形控制手段的轧机可不再利用轧制力来控制凸度，而对于缺乏板形控制装置的轧机，则可以通过负荷分配，特别是后34机架的轧制力分配来保证板形良好。,正如上面公式所列，空载辊缝形状决定于辊系的辊型，主要为：(1)轧辊磨辊所确定的工作辊及支撑辊初始(冷)辊型；(2)工作辊的热辊型；(3)工作辊的磨损辊型；(4)CVC，PC等可控辊型。而有载辊缝形状除了决定于空载辊缝形状外还将决定于：(1)轧制力所造成的辊系弯曲变形及压扁变形；(2)弯辊力所造成的辊系弯曲变形。,因此，辊缝形状的确定，将涉及辊系的一批“辊型”模型及弯曲、压扁模型等。这些模型并不能简单地写出一个或一批方程。,图4-2轧辊压扁（纵向厚度）,图4-3轧辊弯曲（横向厚度）,4.3平直度方程为了保持板形良好(不起浪)，必须使轧件沿宽度方向上各点的延伸率相等，亦即沿宽度方向的各点的压缩率应相同。实际上轧件的横断面边缘和中间存在着一定的厚差称为凸度，如图4-4所示。如果来料已有凸度，则轧出的成品亦应有一定的凸度才能保证其板型良好。,即在来料平直度良好时，入口和出口相对凸度相等，这是轧出平直度良好带钢的基本条件。要指出的是由于轧辊与轧件接触的宽度上存在压扁，在板宽边缘处由于压扁的过渡而存在边部减薄。因此上面各公式中的he。指的是离实际边部约40mm处的板厚。,图4-4轧件入口和出口端面形状,轧前端面,轧后端面,4.4流量方程,流量方程：式中-入口和出口带钢宽度，mm；L-入口带钢长度，mm；-入口和出口带钢厚度，mm；-入口和出口带钢速度，m/s。,对热连轧有两类流量方程：（1）一个机架变形区入口和出口的流量方程,对于热连轧精轧机组，宽展很小，所以：或者式中f为前滑；为后滑；为轧辊线速度。,（2）多个机架的流量方程或一个机架的变形区流量方程（变形区入口和出口流量恒等）是完全正确的，但多个机架的流量方程，则仅在稳态下正确。,可从两个方面来论证多机架流量方程的局限性：(1)当由于某种扰动而使i机架出口厚度产生一个变动(例如使某一段带钢变厚)。在这一段带钢尚未进下一机架前，i和i+1机架间各段带钢速度相等，但流量不等(厚度较厚的该段带钢流量大)，因而此时对于这一段变厚的带钢来说，i和i+1机架出口流量是不相等的(图4-5)。(2)当由于某种扰动使i机架出口速度或i+1机架人口速度有所变动时将使机架间张力发生变化，由连轧张力方程可知，仅当vi+1和vi不相同时才会有张力变动，因此在张力变动期间(带钢弹性拉伸有变动)i和i+1机架的流量