热连轧电气自动化技术及创新分析

   1 热连轧生产线的重组成部分 
  1.1 板坯库 
  为了节省能源,一般希望能加大热装比例,但为了便于轧制品种灵活变动和产品宽度规格调整,以及缓冲轧机与连铸机生产间的不协调,保证轧机的高产量,因此需设置板坯库以堆放板坯。板坯在库内有规则的放置,由生产控制级计算机通过无线遥控吊车进行吊装。 
  1.2 加热炉 
  加热炉是用来加热板坯的,现在应用最为广泛的是步进式加热炉,其能有效减小水印,提高板坯温度的均匀性,一般板坯的出炉温度为1200度左右。板坯加热质量将直接影响轧制带钢质量。板坯的上下面加热不均将在粗轧时形成翘头或扣头,长度方向加热不均将影响成品厚度精度等带钢全长质量指标。 
  1.3 粗轧机 
  粗轧机现在较为流行的是采用单机架方案,即采用一架强力粗轧机进行3~7道次可逆制制来满足精轧的坯料求。采用单机架粗轧机的布置方案大大缩短了粗轧区的长度,减少了粗轧轧制时间,对减少板坯温降十分有利,这将直接影响精轧机可轧产品的下限厚度。为达到提高精轧入口温度的目的,除了减少粗轧轧制时间提高粗轧出口温度外,也可以在粗轧机出口设计保温罩或热卷箱。 
  1.4 精轧机组 
  精轧机组是带钢热连轧生产线的核心设备,产品质量主取决于精轧机组的装备水平和控制水平。精轧机组主包括入口侧导板、飞剪、精轧除鳞箱、精轧机架(现以7机架最为普遍)、除鳞水装置、热轧工艺润滑装置、活套装置、板形控制装置等。精轧终轧温度一般控制在830~880度左右,以保证精轧机组能在奥氏体范围内轧出成品带钢。 
  1.5 卷取机 
  卷取区设有侧导板、夹送辊、卷取机,在带钢咬入卷取机后及时建立张力,保证成品卷不出塔形,边部整齐。目前普遍采用液压助卷辊以实现自动踏步控制(AJC),其目的是使带钢头部能无冲击地平稳进入每个助卷辊,保证带钢表面不出现压痕和避免对助卷机构造成冲击损伤。卷取机的能力(最大卷取厚度,卷径和卷取速度)限制了已有轧机能力的进一步提高及产品的最大厚度规格。 
  2 热连轧电气自动化技术 
  热连轧电气自动化系统一般由三级构成,即(1)基础自动化级(L1级),主完成设备的顺序控制、位置控制、速度控制等任务。(2)过程自动化级(L2级),主执行基于数学模型的轧制规程制定与优化功能,完成工艺过程参数的设定计算任务。(3)生产控制管理级(L3/L4级),主完成生产管理任务。 
  2.1 基础自动化级(L1级) 
  基础自动化级主包括自动位置控制(APC)、自动厚度控制(AGC)、自动宽度控制(AWC)、板形控制(ASC)、卷取温度控制等,其中又以自动厚度控制(AGC)最为重。AGC系统的控制模式和控制算法有很多,例如基于弹跳方程的GM-AGC,基于X射线测厚仪的监控AGC、动态设定型AGC、相对AGC、绝对AGC、轧制力前馈AGC、硬度前馈AGC等。在一个实际的AGC系统中往往包含了多种控制模式。 
  2.1.1 弹跳方程与出口厚度检测 
  由著名的弹跳方程式得出 
  (2-1) 
  考虑到轧机零调及轴承油膜厚度对辊缝的影响以及一些不可测因素,因此实际板厚应为 
  (2-2) 
  式中h-出口板厚,mm; -相对于零调时的辊缝值,mm; 
  -轧机的变形伸长,mm; -零调时的轧机变形伸长,mm; 
  -油膜厚度,mm;OZ-零调时的油膜厚度,mm; 
  -弹跳方程测量误差,mm; -油膜厚度增量,mm; 
  2.1.2 厚度给定值的确定 
  厚度给定值的确定分为两种方法,即绝对AGC和相对AGC。绝对AGC是以各机架按照负荷分配原则所确定的出口厚度作为该机架AGC系统的目标厚度。绝对AGC理论上具有合理性,但由于基于弹跳方程的板厚间接测量方法精度较低,绝对AGC想达到理想的使用效果,仍然面临着比较大的困难。和绝对AGC相比,相对AGC使用更普遍,也更成熟。所谓相对AGC是指不论是否符合厚度设定值,各机架厚度控制系统均以特定时刻本机架带钢头部实际轧出厚度的测量值作为厚度目标值。相对AGC首先避免了AGC系统以设定厚度作为目标值投入后所引起的大范围压下调整,有利于轧制过程的稳定。其次,相对AGC采用锁定板厚的方法可以消除基于弹跳方程的厚度测量方法的系统固有误差的影响。相对AGC的缺点是可能造成实际轧制状况与计算规程出现较大偏差,轧制负荷分配失准,且带钢头部绝对厚度精度缺乏保证。 
  2.1.3 X-监控 AGC 
  基于弹跳方程的间接测量方法测量精度较低,根本不能满足对产品质量的求,因此为保证成品带钢的绝对厚度,即使已经存在GM-AGC,且不论是绝对AGC还是相对AGC,都需X射线测厚仪所给出的厚度偏差实测值对AGC系统实时监控。 
  图1 X-监控AGC原理框图 
  热连轧精轧机组仅在最后机架后设置X射线测厚仪,对前面各机架的AGC系统,轧件从i机架运动到X射线测厚仪所需的时间为 
  (2-3) 
  式中V1-第j个机架的出口速度; -末机架(设共有m个机架)的出口速度;L-机架间距离; -末机架到X射线测厚仪的距离。每个机架的监控值 可由下列递推数值积分公式表示
  (2-4) 
  (2-5) 
  式中, 对于每个机架都是不同的; 为监控增益系数,根据实际系统调整。 
  2.2 过程自动化(L2级) 
  过程自动化包括设定计算和设定、轧件跟踪、数据通讯、数据记录和报表、模拟轧钢以及数学模型等。数学模型中以精轧设定模型应用得最好。精轧设定模型主包括以下几个数学模型1)温度预报模型;2)轧制力预报模型;3)轧制功率、轧制力矩预报模型;4)轧机弹跳模型;5)辊缝计算模型。本文仅分析一下轧制力预报模型。轧制力数学模型中除了考虑轧件的宽度和轧辊的接触弧长之处,把轧制力分解成两个函数的乘积。一个是变形抗力,另一个是应力状态系数。因此, 
  (2-6) 
  式中F-轧制力,kN;Km-变形抗力,kg/mm2;QP-应力状态系数;Ld-轧辊的接触弧长,mm;W-轧件的宽度,mm。 
  (2-7) 
  式中km-变形抗力,kg/mm2;Akm-模型系数;Cnt-化学成分,% 
  Str-变形程度;St-变形速度,1/s; 
  (2-8) 
  (当r≤0.15) (2-9) 
  (当r>0.15) (2-10) 
  (2-11) 
  式中 —应力状态系数; —轧辊的压扁辊径,mm; 
  接触弧长是根据海基柯克公式来计算的 
  (2-12) 
  式中 -接触弧长,mm; -压下量,mm; -轧辊的压扁辊径,mm; 
  2.3 生产控制管理级 
  生产控制管理主包括合同管理、轧制计划编排、产品质量管理系统、作业记录、轧制数据存储及管理、板坯及钢卷库管理、产品发货管理、财务管理、各生产线的相互协调、按合同申请材料、跟踪生产情况和质量情况、组织成品出厂发货等任务。不同的钢铁企业会根据自己的管理体制设置相应的管理功能。 
  3 热连轧电气自动化技术的创新发展 
  对热连轧电气自动化技术的创新研究方向主是 
  (1)自动厚度控制(AGC);自动厚度控制模式和控制算法较多,而且一个实际的系统中也往往包含了多种控制模式,对AGC控制结构、控制策略、和控制算法的改进与创新是一个不断不展的过程。 
  (2)热连轧数学模型;现阶段数学模型里设定模型和温度模型应用较好,板形模型普遍存在问题,需在板形模型上加大投入力度,不断在模型上融入新技术,使模型的软件趋于标准化、产品化、适用于各种类型的热轧生产线,并在模型上加上自适应修正,使模型能够自学习。 
  4 结束语 
  热轧电气自动化控制技术本身是个复杂的控制体系,它的应用对钢铁厂至关重,谁对电气自动化技术应用得好或进者技术更先进,谁的产品质量就更好更稳定,谁的竞争优势就增强,谁的市场信誉和市场占有率就提高,谁就能在激烈的市场竞争中生存、发展。不断创新发展自动化技术,可以提高生产效率,并且大大改进产品精度和性能,带来巨大的经济效益,具有重的意义。 
  参考文献 
  1孙一康.带钢热连轧的模型与控制.冶金工业出版社,2002. 
  2丁修堃.轧制过程自动化.冶金工业出版社,2005. 
  3日镰田正诚.板带连续轧制.冶金工业出版社,2002. 
  4刘玠.热轧生产自动化技术.冶金工业出版社,2006. 
  5刘文仲.现代带钢热连轧轧制压力数学模型及其解析方法.钢铁,2002.

  

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