1780mm 热连轧板形控制系统的研究和优化

蔡秀丽

（1.河钢股份有限公司承德分公司，河北 承德 067102；2.河北省钒钛工程技术研究中心，河北 承德 067102）

本文通过工作辊型的改进、工艺模型及其控制参数的优化，使1780mm 热连轧生产线的生产过程更加稳定，产品质量特别是板形质量不断提高，并取得了良好的效果。

1 热连轧带钢发展历史及现状

1924 年美国在阿瑟兰建成1470mm 热连轧带钢生产线，1926年在巴特勒建成1070mm 热连轧带钢生产线，开创了大规模生产热连轧带钢的历史。在此后的80 多年里，带钢热连轧技术迅速发展，特别是自20 世纪60 年代以来，随着计算机自动控制和可控硅技术等新技术的出现，升速轧制、层流冷却、液压传动等新工艺的应用，带钢热连轧发展更为迅速，由于热轧带钢生产的高经济性和高效率性，以上技术在轧钢生产中得到了更为广泛的应用，轧钢领域成为各种新技术应用最普遍的一个领域。带钢热连轧生产线的建设己成为国际钢铁企业迅速提高产能、有效增加投资收益的首选项目。

我国拥有的第一条热连轧钢材生产线是建于1959 年的鞍钢1700mm 半连轧生产线，成套设备从前苏联引进，产品厚度规格为1.8mm～8mm，宽度为500mm～1500mm；1978 年武钢建成投产的1700mm 热连轧生产线在当时已达到世界先进水平；20世纪80 年代宝钢2050mm 热带钢轧机的投产，使我国热轧宽带钢轧机的生产技术和装备上了一个新的高度。

2 板形控制系统的组成

（1）板形控制系统设备。某1780mm 热连轧线电气控制系统及工艺模型采用了Siemens 技术，并配备相应的L3 系统，大幅度提高了生产过程的自动化程度及产品的控制精度。板形控制区主要在精轧区域，精轧机组为七机架四辊连轧机组，每个机架均具有正弯辊及窜辊功能，F1～F4 最大弯辊力为1800kN，精轧机组Fl～F4 工作辊使用了改进型的CVC 辊型，F5～F7 最大弯辊力为1200kN，最大窜辊量150mm，为sin 辊型。在精轧出口分别安装X-ray 凸度仪和平直度仪，为板形反馈控制提供必要的凸度及平直度测量值。其中，凸度仪将带钢的横向厚度数据传输给模型，模型再将凸度反馈值发送给基础自动化系统，通过调节弯辊力实现板形的动态控制。

（2）板形控制数学模型。通过数学模型控制，进一步提高了1780mm 热连轧生产线的板形控制精度。

精轧设定模型按来料材质、尺寸、温度和目标尺寸等设定精轧工艺参数，包括各机架的负荷分配、轧制速度、机架间张力等。

板形设定模型基于PDI 数据及预设定数据计算轧辊的热辊形，从而设定板形控制参数，包括各机架的窜辊设定及各机架的弯辊设定等。

在一级自动控制系统中，自动平直度控制系统依据精轧F7出口平直度仪检测到的数据对F7 弯辊力进行动态闭环控制，以保证带钢出口平直度。

板形保持系统依据轧制过程中轧制力的变化动态补偿和调整轧制力，根据轧制过程中轧辊热凸度及热磨损变化，调整轧辊弯曲力，以保证精轧过程中有载辊缝凸度的稳定，进而保证带钢板形。

3 板形控制系统原理

板形是指带材的平直度，即波形、瓢曲的有无和程度。一般情况下，当板坯来料板形良好时，板形的好坏取决于带钢在宽度方向上的延伸率是否相等，即压下率是否相同。

为了保证带材具有良好的板形，带钢必须在宽度方向上有一定的延伸率，即以“比例凸度一定”的原则来确定压下量。

标准凸度的引入是板形控制的核心，通常较好的板形判别式为：

式中：Ch—带钢出口凸度；CH—带钢入口凸度；h—带钢出口厚度；H—带钢入口厚度。

严格来说，带钢的各纵向纤维延伸是相等的，但往往不可能完全相等，良好的板形可控制在一定范围内。对热连轧而言，因前几个机架出口厚度较厚，轧制时仍有一定的宽展，从而降低了严格的比例凸度恒定要求。通常，当轧件厚度小于6mm 时，不存在横向流动，必须严格遵守一定比例的凸度条件，以保持良好的平直度；轧件厚度在6mm～12mm 间属于过渡区，横向流动从0 变化到100%；当轧件厚度大于12mm 时，其限制较少，即适度的比例凸度变化不会影响板带的平直度。

根据1780mm 生产线设备情况，采用以下控制策略。1780mm 热连轧精轧机组前4 个机架采用改进型的CVC 工作辊，凸度控制能力强，并在前四机架轧制时，坯料厚度较厚，适度的凸度变化不会影响带钢的平直度，所以在前四机架轧制时可根据需要调整板带钢的平直度。在后三机架为了保证板带钢的平直度，需严格遵守等比例延伸原则，即后三机架的比例凸度恒定。

板形预设定及厚度设定一样，只能保证带钢经过精轧机组后的头部质量，但带钢全长厚度因各种因素而出现变动，所以使用自动厚度控制（AGC）系统来保持带钢全长的厚度质量；同样，带钢全长的板形质量（凸度及平直度）也需由相应的自动板形控制系统控制。在1780mm 热连轧自动板形控制系统中，主要采用三个模型，即板形维持控制、凸度反馈控制、平直度反馈控制来保证带钢全长的板形质量。

4 生产中存在的问题

通过对现场产品质量的统计，发现常规钢种、常规规格产品轧制时板形缺陷较少，但在轧制薄型或厚型等极限规格产品时，会出现表现或潜在的板形问题，从而影响产品质量。如产品厚度小于2.0mm 时，易出现边部浪形的板形缺陷；当产品轧制厚度大于15.0mm 时，易产生镰刀弯板形缺陷。

通过在生产中的跟踪调查及产品发生板形问题的统计分析，其原因包括：①在轧制过程中，前几机架凸度控制能力不够，给后机架凸度控制带来压力，易导致热轧板带存在潜在的板形缺陷；②模型中不同宽厚比产品的屈服系数设置存在问题；③轧辊弹性变形及磨损计算偏差大；④轧制负荷分配需优化。

5 板形控制系统的优化

（1）优化工作辊辊型。通过合理设计工作辊的形状，利用轧辊的轴向移动功能，从而使其辊缝凸度在最小与最大凸度值间能无级调节，然后利用工作辊弯辊系统，扩大板形调节范围，以适应不同轧制条件。

（2）规范精轧支撑辊倒角。精轧支承辊的倒角影响着承载辊缝(包括弯辊挠度)的计算，倒角过大会出现复合辊，导致模型设置异常。因此，对精轧支承辊的倒角进行规范处理十分重要。倒角直径深度为1.5mm，倒角曲线为自由圆弧曲线，FL～F4 倒角两端宽度为130mm 和150mm 交替运用，F5～F7 倒角两端宽度为130mm 和100mm 交替运用。

图1 Shohet 临界曲线

（3）优化数学模型。在带钢轧制过程中，不同宽厚比的板坯金属流动方向不同，因此中浪与边浪的限值也不同，也即是说，Shohet 曲线所反映的板带屈服极限随着宽厚比的变化而变化，并在其200 处差异明显。Shohet 临界曲线如图1 所示。

图1 中曲线的横坐标为宽厚比b/h，纵坐标为变形区出口与入口的相对凸度差CR，Shohet 临界曲线公式为：

上部曲线是产生边浪的临界曲线，当CR 在曲线的上部时，会产生边浪；下部曲线是产生中浪的临界曲线，当临界CR 处于曲线下部时，则将产生中浪。

通过对板型控制系统数学模型的研究，修改模型源程序，使数学模型根据不同的带钢宽厚比数值范围自动切换bckl_mul参数。

（4）优化模型参数。根据轧辊磨损统计的实际反馈，将F7 磨损系数由1.16 调整为1.05，从而使模型计算轧辊磨损更为准确。

（5）改进温度，提高头部厚度的预测精度。根据带钢的材质、温度等参数，由二级计算机对轧件头部进行设定，从而使带钢进入轧机后的实际轧制厚度和预测的轧制厚度相同，其中轧制压力是较易检查判定控制精度的一个参数。若预测轧制压力与实测轧制压力相同，控制精度则较高，检测轧制压力的预测误差已成为衡量轧机厚度设定精度及板形控制的重要指标之一。

若头部厚度精度的设定误差大，常会导致AGC 的频繁过度调整，这会影响成品机架秒流量控制，在轧制薄规格时，易导致头部浪形大，甚至堆钢。

经统计改进后，轧制力的预测偏差约为5%，其原因在于原来的头部温度在取点计算时，未对失真数据点进行过滤，而且采用的是线性算法，当出现温度低点时，会导致计算偏差过大，现对失真点进行了过滤处理，并对线性算法进行了优化，轧制力预测精度提高到3%，从而提高了头部板形控制能力。

6 板形控制系统的优化效果

经优化，1780mm 生产线的板形控制能力逐步提高，甚至当轧制薄型或厚型等极限规格产品时，也显示出其强大的板形控制能力，精轧中板带钢的比例凸度及平直度均在控制范围内。应用这些优化措施后，1780mm 生产线的板形控制精度不断提高，产品合格率不断提升。