于明興 張廣清 牛慶林

(安陽鋼鐵股份有限公司)

可逆終軋機設(shè)定模型在安鋼爐卷軋機上的應(yīng)用

于明興 張廣清 牛慶林

(安陽鋼鐵股份有限公司)

介紹了安鋼第二煉軋廠爐卷軋機設(shè)定模型的基本功能、主要原理,及軋機設(shè)定模型在爐卷軋機上的實際應(yīng)用情況,實踐表明,軋機設(shè)定模型在軋制力的預(yù)估、軋件溫度的計算上有較高的精度。為爐卷軋機的品種開發(fā)、質(zhì)量提升提供了技術(shù)保障。

爐卷軋機 軋制力 輻射傳熱

0 前言

安鋼第二煉軋廠爐卷軋機始建于 2003年,是一條集煉鋼、精煉、連鑄、軋鋼四位一體的現(xiàn)代化生產(chǎn)線,其中軋機為 3.5 m寬板爐卷軋機,采用了可逆終軋機設(shè)定模型、層流冷卻控制模型、軋輥處理模型、液壓 AGC等先進的控制技術(shù),是一條代表當(dāng)今世界先進控制水平的軋鋼生產(chǎn)線。下面筆者就可逆終軋設(shè)定模型在爐卷軋機上的應(yīng)用及效果做一介紹。

1 模型的基本功能

可逆終軋機設(shè)定模型的基本功能是:在給定軋機機電設(shè)備性能的清況下,根據(jù)來料的初始數(shù)據(jù)(鋼種、厚度、寬度、溫度等)和要求的成品規(guī)格,合理分配各軋制道次的壓下量。因為在一定軋制條件下,各道次的壓下量分配確定后,每個道次的入口厚度、出口厚度、軋制力、力矩、功率、軋制速度等主要參數(shù)就確定了,因此,所謂負荷分配就是各道次壓下量的分配。中厚板軋機軋制規(guī)程設(shè)定計算的內(nèi)容,包括根據(jù)來料條件及對成品的要求,通過模型的計算,確定各道次的壓下制度、速度制度和溫度制度[1]。首先要確定各道次的壓下制度,然后才能按軋制條件確定各道次的軋制速度。根據(jù)開軋溫度及軋制過程的溫度降,計算各道次的軋制力和軋制力矩,如果不滿足工藝及設(shè)備要求,再進行修正。模型的主要計算內(nèi)容有:

1)計算各道次的負荷分配,即在合理分配負荷的前提下,確定各道次的出口厚度和各道次的壓下量;

2)計算各道次的軋制溫度;

3)根據(jù)最大生產(chǎn)率和對中板終軋溫度要求,并且考慮軋件咬入的穩(wěn)定性,確定各道次的軋制速度;

4)計算軋制力和軋機的彈跳值,決定各道次空載輥縫設(shè)定值;

5)確定其它操作變量 (各道次的彎輥力、單位張力等)。

2 模型的基本原理

可逆終軋機設(shè)定模型主要有軋制力計算模型、溫度演變計算模型、輥縫設(shè)定模型、軋機變形模型等幾個組成部分。其中軋制力計算、溫度計算模型最為關(guān)鍵,現(xiàn)介紹如下:

2.1 軋制力計算模型

計算單位寬度的軋件需要的軋制力和前滑系數(shù)是基于變形的Von Kar man公式,軋制力計算模型的輸入有:軋機入口軋件的厚度、軋機出口軋件的厚度、軋機入口側(cè)和出口側(cè)的張力、工作輥的半徑、工作輥變形常數(shù)、軋件的變形抗力等。軋制力的計算是一個迭代的過程,每次迭代中根據(jù)工作輥的變形后的半徑計算軋制力,反過來再根據(jù)計算出的軋制力在計算工作輥的變形后半徑,直到最后計算出的軋制力的變化小于 1%。工作輥半徑的改變的計算基于 Hitchcock公式[2],主要決定于工作輥材料的變形常數(shù),這個變形常數(shù)決定于構(gòu)成工作輥的材料。其中軋件的變形抗力 K可以用以下公式表示:

式中:σb——基礎(chǔ)鋼種在 925℃這個溫度下的變形抗力,這個值保存在模型的配置文件里,它不隨軋制鋼種的改變而變化;

εb——基礎(chǔ)變形率,保存在配置文件里的一個常數(shù);.

ε——軋件的平均變形率,這個值通過“Simplified HotRolling Calculations”方法計算得出[1],

m——變形率指數(shù),與軋件溫度和單位壓下量相關(guān)的參數(shù);

εt——與鋼種和溫度相關(guān)的變形抗力系數(shù)曲線(對于軋制的每一個鋼種,在模型表中都保存有與之對應(yīng)的一條溫度—變形抗力系數(shù)曲線,并且在每成功軋制完成一塊鋼坯后,系統(tǒng)會根據(jù)預(yù)測值和反饋值之間的偏差來自動更新軋制鋼種所對應(yīng)的這條曲線)。

a——平均硬度系數(shù),每個鋼種都有唯一的平均硬度系數(shù)與之對應(yīng),并且這個系數(shù)也會自動更新。

g——與目標(biāo)軋制厚度相關(guān)的軋制力預(yù)測系數(shù)。

h——所軋制鋼坯的硬度和鋼種標(biāo)準(zhǔn)硬度的比值(h=1.0+(Current Slab C.E.-GradeMean C.E.))。

在軋制過程中,單位寬度的軋件所需的軋制力與鋼種、化學(xué)成分、入口厚度、軋件的軋制溫度和軋件的硬度有關(guān)。由鋼種平均硬度、不同溫度下的應(yīng)力系數(shù)、不同厚度范圍軋制力預(yù)估系數(shù)和基礎(chǔ)變形抗力等組合而成。通過對一些系數(shù)的不斷修正,最后軋制力計算模型可以比較準(zhǔn)確的計算出各道次的預(yù)估軋制力。提供給一級AGC控制作參考。

2.2 軋件溫度演變計算模型

軋件在軋制過程中,熱量流失的方式有兩種:傳導(dǎo)和熱輻射,其中傳導(dǎo)主要有軋件在粗除鱗、精除鱗過程中和水接觸導(dǎo)致的散熱,和空氣接觸引起的熱量流失,軋件在輥道上傳輸時和輥道接觸引起的熱量損失、和軋輥接觸引起的熱量損失。最主要的熱量流失方式是輻射傳熱,各種傳熱方式計算如下:

2.2.1 輻射傳熱

輻射傳熱主要通過軋件的上下表面向周圍環(huán)境放散熱量,通過輻射方式流失的熱量用 Stefan-Boltzmann公式計算:

式中:Qpiece——軋件通過輻射流失的熱量;

Apiece——軋件的表面積;

εpiece——軋件的輻射率σ——斯蒂芬—波爾茲曼常數(shù);

Tsurround——周圍環(huán)境的絕對溫度;Tsurf——軋件的表面絕對溫度。

2.2.2 傳導(dǎo)傳熱

熱傳導(dǎo)分為兩部分,一部分是軋件內(nèi)部之間的熱傳導(dǎo),另一部分是軋件表面和所接觸的輥道、軋輥之間的熱傳導(dǎo)。

1)軋件內(nèi)部之間的熱傳導(dǎo)如圖 1所示,計算采用有限元微分方程來計算,所用的公式如下:

式中:Qi→i+1——相鄰兩個節(jié)點之間單位時間內(nèi)傳遞的熱量;

Ai→i+1——相鄰兩個節(jié)點之間的接觸面積;

Ti——節(jié)點 i的平均溫度;

D——相鄰兩個節(jié)點之間的距離。

圖1 軋件內(nèi)部之間的熱量傳導(dǎo)

2)與冷卻水、除鱗水之間的熱傳導(dǎo),采用牛頓傳導(dǎo)公式,在這里假設(shè)軋件和冷卻水之間的邊界沒有熱量的存儲,軋件流失的熱量全部由冷卻水帶走。所用的公式如下:.

式中:Qp——單位時間內(nèi)冷卻水從軋間表面帶走的熱量;

Aw——冷卻水所覆蓋的軋件的表面積;

Tsurf——軋件表面的溫度;

Tw——冷卻水的溫度;

hw——冷卻水的熱傳導(dǎo)效率。

3 模型應(yīng)用與效果

1)軋機設(shè)定模型作為爐卷軋機過程控制系統(tǒng)的核心,和二級跟蹤系統(tǒng)、HM I界面密切結(jié)合,通過二者的不斷交互,將軋件的設(shè)定請求和設(shè)定結(jié)果發(fā)送到相應(yīng)的控制回路。操作員通過 HM I界面可以設(shè)定軋制規(guī)程的負荷分配策略、軋制最少道次數(shù)、軋件的厚度附加值、寬帶附加值、板形目標(biāo)值、溫度偏差附加值等輸入?yún)?shù),這些參數(shù)適用于所有軋件的規(guī)程設(shè)定計算。通過 PD I數(shù)據(jù)顯示和修改界面,操作員可以修改軋件的板坯數(shù)據(jù)、目標(biāo)軋制數(shù)據(jù)、軋制過程的一些特殊要求等參數(shù),在這個界面完成修改后,二級系統(tǒng)自動向模型發(fā)送新的工作請求,模型根據(jù)修改后的 PD I數(shù)據(jù)生成新的軋制規(guī)程,然后通過二級控制系統(tǒng)將軋制規(guī)程發(fā)送給一級控制系統(tǒng)。

在軋制規(guī)程顯示界面上,操作人員可以看到軋件的整個軋制規(guī)程,包括每道次壓下量、每道次的預(yù)估軋制力、每道次的預(yù)估轉(zhuǎn)矩、每道次的預(yù)估溫度、每道次的彎輥力設(shè)定值等參數(shù),界面下方顯示的模型設(shè)定計算的狀態(tài),包括設(shè)定計算成功、計算有報警項、計算失敗三種狀態(tài)。

2)爐卷軋機從 2005年 10月份投產(chǎn)到現(xiàn)在,依托軋機設(shè)定計算模型、層流冷卻控制模型等先進工藝模型,先后成功開發(fā)出了低合金系列、鍋爐容器用鋼、高層建筑用鋼、橋梁鋼、高級別管線鋼等品種,產(chǎn)品厚度從 8 mm到 50 mm,寬度最寬達到 3200 mm,成為一條高效益生產(chǎn)線。圖 2、圖 3是一塊鋼板的質(zhì)量分析報表的相關(guān)曲線,分別為軋件的厚度偏差曲線和終軋溫度曲線。

圖2 軋件的厚度偏差曲線

圖3 軋件的終軋溫度曲線

由圖 2、圖 3可以看出,軋件的厚度偏差在正負0.1 mm內(nèi)的命中率為 100%,整個長度方向上的同板差非常小,完全符合工藝技術(shù)要求;終軋目標(biāo)溫度820℃的正負 15℃范圍內(nèi),軋件的溫度命中率也為100%,極高的溫度命中率說明軋制規(guī)程設(shè)定模型在溫度和熱量流失方面的算法準(zhǔn)確可靠,為最終保證產(chǎn)品性能提供了條件。

3)表 1列舉了安鋼爐卷軋機生產(chǎn)線的一些具有代表性的品種和規(guī)格的軋制數(shù)據(jù),品種包括低合金系列、橋梁板系列、管線鋼系列、高強度板材等安鋼爐卷軋線的拳頭產(chǎn)品,產(chǎn)品厚度從 8.7 mm到 40 mm,寬度范圍從 2650 mm到 3250 mm,基本覆蓋了爐卷軋線的產(chǎn)品規(guī)格范圍。其中 21 mm的 X70管線鋼,用于西氣東輸二期工程,基本代表了國內(nèi)中厚板生產(chǎn)的國內(nèi)最高水平;8.75 mm的管線鋼,由于斷面寬、規(guī)格薄,生產(chǎn)難度極大。

表1 代表品種規(guī)格產(chǎn)品軋制指標(biāo)

安鋼爐卷軋機依托先進的軋制規(guī)程設(shè)定模型,先后成功開發(fā)了這些極限規(guī)格產(chǎn)品,并組織了大批量的生產(chǎn),取得了顯著的經(jīng)濟效益。從產(chǎn)品的質(zhì)量分析報表可以看出,軋制規(guī)程設(shè)定模型不論是在較厚規(guī)格的產(chǎn)品 (厚度 30 mm或 40 mm),還是較薄規(guī)格的產(chǎn)品 (厚度 8.75 mm),都能計算得出合理的軋制規(guī)程,準(zhǔn)確預(yù)估出各道次的軋制力,為液壓厚度自動控制系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的設(shè)定參考值,最終得到極高的產(chǎn)品厚度命中率。對于不同規(guī)格、不同目標(biāo)溫度的產(chǎn)品,模型通過準(zhǔn)確的溫度計算,合理設(shè)定各道次的軋制速度,使各種規(guī)格產(chǎn)品的終軋目標(biāo)溫度命中率達到 90%以上。由于具備了良好的終軋溫度控制能力,使安鋼爐卷軋機在保證產(chǎn)品性能上具備堅實的技術(shù)基礎(chǔ),在較短的時間內(nèi)成功開發(fā)出了一系列高附加值品種,為提高安鋼產(chǎn)品創(chuàng)效能力,提高品牌知名度作出了突出的貢獻。

4 結(jié)論

安鋼第二煉軋廠爐卷軋機自 2005年 10月投產(chǎn)以來,依托終軋設(shè)定模型、層流冷卻模型、軋輥處理模型等工藝模型和先進的 計算機、PLC控制系統(tǒng),已先后開發(fā)出普碳鋼、優(yōu)碳鋼、鍋爐容器板、高強度低合金鋼、橋梁鋼、船板、管線鋼等幾大系列產(chǎn)品。產(chǎn)品規(guī)格從 100 mm到 6 mm,取得了顯著的經(jīng)濟效益,成為安鋼新的利潤增長點。實踐證明,本生產(chǎn)線所采用的工藝模型具有計算速度快、自適應(yīng)能力強等優(yōu)點。

[1] 劉玠,孫一康.帶鋼熱連軋機計算機控制[M].北京:機械工業(yè)出版社,1997:117-118.

[2] H.Ford and J.M.Alexander,Journal of the Institute ofMetals,PaperNo.2258,April 1964:397-404.

THE APPL ICATION OF RFSMODEL IN ANYANG STECKLEM ILL

YuMingxing Zhang Guangqing Niu Qinglin

(Anyang Iron&Steel Stock Co.,Ltd)

The main function,theory and algorithm of the RFSmodel inAnyang stecklemill is described in thispaper,and the application of the model in anyang steckle is also described briefly in this paper.The practice has shown that the model have high precision in rolling force prediction and temperature calculation.

SteckleMill Rolling force Heat-transfer by radiation

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:2010—6—28