热轧带钢板形设定控制在莱钢的研究与应用

赵 波

（山钢股份莱芜分公司 自动化部，山东 莱芜 271104）

0 引言

衡量热轧带钢工艺水平和产品质量的一个重要指标就是板形。成材率的提高需要良好的板形，因此在实际的轧钢生产中尤为迫切和重要的是提高热轧带钢的平直度、板凸度、边部减薄等横断面指标。

过程自动化控制系统负责板形的设定计算，包括窜辊设定、弯辊力设定和弯辊力自学习，其主要任务是根据精轧设定的计算结果来设定计算各机架工作辊的窜辊量和弯辊力的大小。基础自动化控制系统负责按照凸度和平直度设定要求、轧辊均匀磨损要求等接收过程自动化控制系统下达的窜辊位置指令和弯辊力指令，控制液压执行机构动作到位，进行窜辊位置APC（自动位置控制）控制。同时，自动控制系统还有弯辊力前馈调节、板形板厚解耦控制等功能。

1 板形设定控制

板形控制在精轧区域执行，它既可以在基础自动化控制系统（简称L1）中完成，也可以在过程自动化控制系统（简称L2）中完成，也可在人机界面接口（简称HMI）上由操作工选择。L1为半自动状态时，在HMI输入工作辊的窜辊量和弯辊力的设定值；L2为自动状态时，由板形设定模型根据精轧设定模型的计算结果来计算F1～F6机架工作辊窜辊的位置以及弯辊力的大小，并将设定值传送给一级系统。轧制每卷带钢可进行1～2次设定计算。精轧区域主体设备简图如图1所示。

为保证带钢头部的凸度目标值和精轧机下游各机架比例凸度就需要板形设定控制，从而达到控制带钢平坦度目标值的目的。板形设定控制在整个板形控制中起着非常重要的作用，它直接决定带钢头部的板形控制精度，又能够作为板形反馈控制的起点来影响反馈控制的效果。板形设定分为工作辊窜辊设定和工作辊弯辊设定，每次板形设定需经过以下几个过程：①读入各设定已知参数，即数据准备，包括对读入数据的初步处理；②计算工作辊的综合辊形，包括初始辊形、热辊形和磨损辊形；③计算支持辊的综合辊形，包括初始辊形、热辊形和磨损辊形；④工作辊窜辊位置的设定计算；⑤根据来料凸度及平坦度、目标凸度和目标平坦度，考虑板形良好条件，计算各机架的入口凸度及平坦度、出口凸度及平坦度，设定F1～F6各机架的弯辊力大小；⑥各机架设定的弯辊力优化，以保证精轧出口目标凸度和平坦度，同时改善机架间带钢的板形；⑦数据输出及存储。

图1 精轧区域主体设备简图

2 板形设定控制的详细过程

2.1 数据准备

数据准备模块主要完成SSU（板形设定模型）所需数据的初始化、从HMI和其他功能（如FSU）读取所需数据及一些相关的实测数据以及从其他文件读取板形设定计算所需数据。

2.2 工作辊综合辊形的设定

2.2.1 工作辊综合辊形的设置

初始辊形设置就是指计算磨削辊形参数、磨损辊形参数、热辊形参数和将三者结合及作出相对应的计算处理，得到能应用于弯辊设定的工作辊综合辊形的数值。工作辊的辊形在工作辊初始辊形计算中起着重要的作用，工作辊的磨损和热胀是热轧的一个显著特点，也是影响板形最主要的两个干扰因素。磨损辊形计算模型和热辊形计算模型是板形设定的两个基础模型，也是提高板形设定精度的重要因素。由于轧制过程中影响工作辊磨损的因素很多，且各因素多具时变性，因此只能考虑影响磨损的主要因素，通过大量的现场实测来评估模型参数，从而计算出符合现场的工作辊磨损计算模型参数。工作辊热辊形的计算同样复杂，而且不好直接验证，为提高计算的速度并且同时保证计算精度，在合理处理好边界条件的基础上，选用二维差分法来计算轧钢过程中任意时刻的热辊形。

2.2.2 计算支撑辊综合辊形参数

支撑辊综合辊形参数的计算包括磨削辊形的计算方法、磨损辊形的计算方法、热辊形的计算方法以及将三者合并且作出相应的等效处理。能应用于弯辊设定的支撑辊综合辊形的特征参数计算公式如下：

其中：CBS（x）为支撑辊综合辊形；CBG（x）为支撑辊初始辊形；CBW（x）为支撑辊磨损辊形；CBT（x）为支撑辊热辊形。

2.3 设定工作辊窜辊参数

F1～F6工作辊窜辊位置的设定计算取决于工作辊窜辊设定。对于普通辊形的工作辊，窜辊的设定对象是以轧钢过程中每个钢坯为单位，根据轧制规格选择适合的工作辊窜动量的设定（包括工作窜辊步长的设定、工作窜辊模式的设定、工作窜辊频率的设定和工作窜辊行程的设定等），F1～F6机架工作辊的窜辊量或窜辊位置的设置需要在带钢进入精轧机前计算出。

窜辊数值的设定计算主要根据轧钢情况和窜辊的设置，对F1～F6机架的工作辊的窜辊位置进行设置计算，能有效改善轧辊辊面的不均匀磨损，从而实现自由规程轧制的目的。窜辊设定模型的计算结果具体体现为F1～F6机架上工作辊的轴向窜动数值，“＋”代表向操作侧窜动，“－”代表向传动侧窜动，下工作辊的轴向窜动与上工作辊的轴向数值相同但是方向相反，上下工作辊轴向窜动是以轧制中心线作为标定零点。

2.4 计算弯辊力模型系数

弯辊力模型系数包括带钢窜辊量、支撑辊辊径、轧机的轧制压力、导卫的设定宽度、工作辊辊径的选择和工作辊辊形的打磨等。大量的离线计算采用有限元离线模型来进行，然后对结果进行回归分析整理，从而计算出在线弯辊力模型系数的公式。进行弯辊力设定计算时，需要引入各种计算参数，就可得出F1～F6机架弯辊力模型系数，包括弯辊力、轧制压力、支撑辊辊身边部辊形、支撑辊辊身中部辊形、工作辊辊身中部辊形、工作辊辊身边部辊形的影响系数和常数项等。

2.5 计算机架间带钢平坦度和凸度

依据等比例凸度的原则，根据目标精轧出口预期凸度和预期平坦度，从F6机架开始往前推计算出各机架出口预期凸度和预期平坦度。

2.6 计算F1～F6机架弯辊力

由弯辊力计算模型和机架入口和出口的凸度、平坦度计算模型，按照弯辊设定策略，根据各机架出口带钢目标凸度和平坦度，自F1机架开始往后计算出各机架所需弯辊力。进行F1～F6机架的弯辊力大小设定计算时，当所需要计算设置机架的工作辊为带特殊

其中：BFN为弯辊力设定计算值；Cm为带钢机械凸度；RFS为轧制力设定值；CWE为工作辊辊身边部的综合辊形；CBE为支撑辊辊身边部的综合辊形；CWR为工作辊初始辊形；CWC为工作辊辊身中部的综合辊形；kRF为轧制力影响系数；CBC为支撑辊辊身中部的综合辊形；kCST为常量系数；kBC为支撑辊中部辊形影响系数；kWC为工作辊中部辊形影响系数；kBF为弯辊力影响系数；kCWR为工作辊初始辊形影响系数；kWE为工作辊边部辊形影响系数；kBE为支撑辊边部辊形影响系数。

2.7 优化机架弯辊力

正常情况，精轧出口带钢的目标凸度是固定值，控制偏差是允许存在的，即精轧出口带钢凸度控制在CRAIM±CRDET范围内均可（其中，CRDET为凸度偏差，CRAIM为目标凸度）。在F1～F6机架弯辊力的设定计算中，对于特殊工况下，将精轧出口的目标平坦度和目标凸度都准确地保持在一个值上是有很大难度的，尽管能满足板形良好准则，但有时不能保证机架间平坦度。所以在将精轧出口凸度控制在合理偏差范围内的前提下，各机架弯辊力或窜辊量是可以依次改变的，以有效降低F1～F6机架间的带钢宽度方向的不均匀延伸。我们采用的优化计算方法是简单的登山法，目标函数是F1～F6机架出口平坦度的加权之和，出口平坦度的权值越大，代表机架越往后。

3 输出数据和存储板形数据的设定

板形设定计算完毕后需要将计算结果输出并且保存，同时为便于离线分析，需将一些设定计算结果及相应的工况参数保存，包括各机架轧制压力设定值；各机架弯辊力设定计算值；各机架窜辊设定值SFTS；各机架工作辊辊身中部辊形；各机架工作辊辊身边部辊形；各机架支撑辊辊身中部辊形；各机架支撑辊辊身边部辊形；各机架出口凸度计算值；各机架入口凸度计算值；各机架入口平坦度计算值；各机架出口平坦度计算值。

4 应用效果

本文通过对热轧带钢板形设定控制进行深入的研究，在掌握设定详细过程的基础上投入现场应用，取得明显的效果。本板形设定应用极大地提高了板形的控制精度，使带钢成品的板形得到有效改善。该系统的各项性能指标领先于国内水平，客户对带钢板形的控制精度的要求得到了满足。曲线的辊型时，应给弯辊力设定一合力的数值，然后设定所计算机架工作辊窜辊的位置。等窜辊位置确定后，再计算出该机架所需弯辊力的大小数值。当弯辊力正负超限时，还要根据轧制情况按一定的控制策略来调整上一机架弯辊力的设定大小。其计算模型如下：

［1］丁修堃.轧制过程自动化［M］.第3版.北京：冶金工业出版社，2009.

［2］王国栋.板形控制和理论［M］.北京：冶金工业出版社，1993.