一种热连轧带材尾部厚度控制方法

摘要

本发明主要属于金属压力加工技术领域，具体涉及一种热连轧带材尾部厚度控制方法。首先，计算从精轧F(2)机架开始的各机架在上一机架抛出后由于失张影响到的成品带材长度；随后，根据测厚仪检测到的尾部厚差信号，按照负荷分配原则，计算从F(2)机架开始的各机架应该消除的尾部厚度偏差量；最后，根据从F(2)机架开始的各机架尾部厚度偏差量，对从F(2)机架开始的各机架尾部辊缝调节量进行自学习，修正从F(2)机架开始的各机架尾部辊缝调节量，用于下一块带材的尾部厚度控制。本发明可在对下游机架负荷影响较小的情况下，对热连轧带材尾部厚度进行精确控制。

说明书

技术领域

本发明主要属于金属压力加工技术领域，具体涉及一种热连轧带材尾部厚度控制方法。

背景技术

在连轧过程中，前后两架轧机存在金属秒流量差，当后架的秒流量大于前架时，造成前、后架之间的轧件受到前架轧机的拉力作用，此力通常称为张力。张力的作用使变形区的应力状态发生了变化，减小了纵向的压应力，从而使轧制时降低单位压力，改变张力可影响带材厚度，在其他条件不变化的情况下，增大张力能使带材轧得更薄，减小张力或失张则使带材变厚。

图1所示为一个热连轧7机架精轧机组示意图，图中H表示入口厚度，h表示出口厚度，因此上一机架的出口厚度h_i-1等于下一机架的入口厚度H_i。一般情况下带钢尾部会有逐渐变厚的趋势。图2为热连轧带材尾部厚度示意图，Δh表示实时厚度偏差；D_j表示带材尾部能被F(2)至F(j)机架共计j-1个机架由于上一机架抛出而导致的尾部失张影响到的长度；l_i表示尾部厚跃中F(i+1)机架及其下游机架失张不能影响到的长度；Δh_0(j)表示D_j段所对应的厚度偏差平均值；此处2≤i,j≤7。当带材尾端离开某一机架时，其张力立刻消失，轧制压力突然增大，带材厚度增加，称为尾部厚跃。

以带钢为例，孙一康教授在其著作“带钢热连轧的模型与控制”(北京：冶金工业出版社.2002)中指出，宽带钢在大张力下轧制时，带尾每抛出一次，其轧制压力增加约1.471×10⁵～2.942×10⁵N(15～30Ton)，而带尾的厚度增加约0.025～0.05mm。由于带钢的尾端每抛出一个机架，就要失张一次，因此成品带钢尾部的厚跃是多次叠加起来的，故带卷出现愈接近尾端厚度增加愈大的现象。总增厚量的最大值可达0.15～0.30mm，长达12m。因此带尾失张产生的厚跃现象，对成品带卷质量的影响是很大的，同时带尾温度偏低，如将这种带卷送到冷轧时，冷连轧机组的操作发生困难，事故频繁，产量大幅度下降，因此冷轧厂并不欢迎这种热轧带卷。

尾部补偿功能目前在很多自动厚度控制(Automatic Gauge Control，AGC)系统中均有投入，主要有压尾和拉尾两种方式。传统的压尾都是在带钢尾部离开F(i-1)机架时，加大F(i)机架的压下量，以补偿带钢尾部失张和温降产生的厚跃；或者采用“拉尾”的方式，即带钢尾部离开F(i)机架时，降低F(i+1)机架的速度，使F(i+1)和F(i+2)机架间张力加大，以补偿F(i)和F(i+1)机架间张力消失的影响。以上方式在孙一康教授著作“带钢热连轧的模型与控制”(北京：冶金工业出版社.2002)中提到，并在生产线上有实际应用。另外，童朝南在论文“热轧板带头尾厚度精度控制技术”(钢铁,2005,40(4):46-48)中采用了两架同时压尾的方法，也就是在F(i-2)机架抛钢的时候，F(i)和F(i-1)机架同时压下。张飞在论文“针对尾部厚跃的热轧自适应硬度前馈控制”(冶金自动化,2006,30(5):29-33)中利用F(1)机架的硬度信息对下游机架进行前馈，并通过对F(1)机架尾部轧制力和尾部出口厚差求取相关系数作为自适应系数来修正尾部增益。

以上文献提到的方法对尾部厚跃的控制都不是基于当前实际厚差进行控制，且无法兼顾精轧机组各机架的负荷平衡，同时也没有采用自学习算法，不能够实现根据本块轧制完成时各机架尾部失张的带材长度所对应的尾部实际厚差，去自动调节各机架的压尾量，因此无法实现带材尾部厚度的精确控制。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种热连轧带材尾部厚度控制方法，所述方法能够通过计算带材在各机架尾部失张时影响的精轧出口带材长度及厚度，对从F(2)机架开始的各机架尾部辊缝调节量进行自学习，修正从F(2)机架开始的各机架尾部辊缝调节量，用于下一块带材的尾部厚度控制，以满足带材尾部厚度公差落在允许范围内的目的。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种热连轧带材尾部厚度控制方法，所述方法基于自学习算法，利用相同品种规格的带材在轧制时前后两块带材尾部厚度特征相近的原理，计算带材在各机架尾部失张时影响的精轧出口带材长度及厚度，根据从第二个机架F(2)开始的各机架尾部厚度偏差量，对从第二个机架F(2)开始的各机架尾部辊缝调节量进行自学习，修正从第二个机架F(2)开始的各机架尾部辊缝调节量，用于下一块带材的尾部厚度控制。

进一步地，对于一个包含n架轧机的精轧机组，对各机架在带材尾部厚度控制过程中对应的辊缝调节速度的自学习的过程具体为：

计算尾部厚跃中F(i+1)机架及其下游机架失张不能影响到的长度l_i，1≤i≤n；

计算带材尾部能被F(2)至F(j)机架共计j-1个机架的尾部失张影响到的D_j段所对应的厚度偏差平均值Δh_0(j)，2≤i≤j≤n；

计算F(i)机架在轧制对应精轧出口带钢D_j段时，应调节的辊缝平均值ΔS_i,j，2≤i≤j≤n；

将F(i)机架在D_i段至D_n段需要调节的辊缝平均值ΔS_i,j在各段内进行线性化，且压尾动作起始点为0，从而生成一条开始于0，各段首尾相连的辊缝折线，并计算F(i)机架在D_j段的补偿斜率k_{i,j_comp}，得出F(i)机架的补偿斜率集K_{i_comp}＝[k_{i,i_comp},k_{i,i+1_comp},…,k_{i,n_comp}]；

最后，采用自学习方法更新下一块带材在F(i)机架带钢尾部压尾斜率集K_i。

进一步地，所述l_i的计算方法具体为：

1)计算F(i)机架出口处带材速度v_i，2≤i≤n；v_i计算公式为：

v_i＝v_i0*(1+f_i)

式中，v_i0表示从编码器实时得到的F(i)机架的轧辊线速度反馈，f_i表示过程控制系统给出的前滑值，2≤i≤n；

2)计算尾部厚跃中F(i+1)机架及其下游机架失张不能影响到的长度l_i，具体为：

从带材尾部从F(1)机架抛出时刻开始，至带材尾部抛出F(n)机架为止，对F(n)机架速度v_n和采样周期ΔT的乘积实时累加得出当前F(n)机架轧出长度l＝Σ(v_n*ΔT)，此处Σ表示累加，在带材从F(i)机架抛出瞬间，将l赋值给l_0,i，则l_0,1＝0，l_n＝l_0,2-l_0,1＝l_0,2，而当1≤i≤n-1时，l_i＝l_n-(l_0,i+1-l_0,i)。

进一步地，所述ΔS_i,j的计算方法为：

1)计算为消除尾部厚差，F(i)机架在D_j段的需要压下的厚度Δh_tc(i,j)，其中D_j段对应精轧机组轧出长度l_j-1至l_j段。

Δh_tc(i,j)的计算方法具体为：

将D_j段的厚差将分配给F(2)至F(j)机架共j-1个机架的压尾动作来消除，机架中每个机架需要消除的厚差量Δh_tc(j)＝Δh_0(j)/(j-1)，即F(i)机架在D_j段的需要压下的厚度Δh_tc(i,j)＝Δh_tc(j)，2≤i≤j≤n；

2)计算F(i)机架出口厚度偏差与F(i)机架辊缝调节量之间的比例系数b_i，具体为：

出口厚度偏差与F(i)机架辊缝调节量之间的比例系数此处M表示轧机刚度系数，Q表示带材塑性系数，i、k表示相应机架号，∏表示累积，M_i、Q_i分别表示F(i)机架的刚度系数和塑性系数，M_k、Q_k分别表示F(k)机架的刚度系数和塑性系数，2≤i<k≤n。

3)ΔS_i,j采用下式计算：ΔS_i,j＝b_iΔh_tc(i,j)。

进一步地，所述F(i)机架在D_j段的补偿斜率k_{i,j_comp}的计算方法为：

进一步地，所述采用自学习方法更新下一块带材在F(i)机架带钢尾部压尾斜率集K_i，具体为：

假定当前为第m块带材，计算F(i)机架在下一块带材D_j段的压尾斜率k_i,j(m+1)＝k_i,j(m)+α*k_{i,j_comp}，k_i,j(0)＝0，2≤i≤j≤n；α为学习系数，用来改变学习速度，m>0时，0<α≤0.5；m＝0时，α＝1。

如果用集合K_i＝[k_i,i,k_i,i+1,…,k_i,n]为F(i)机架的尾部压尾斜率，则第m+1块带材在F(i)机架的尾部压尾斜率为K_i(m+1)＝K_i(m)+α*K_{i_comp}。

进一步地，对于一个包含n架轧机的精轧机组，所述方法对压尾辊缝调节包括以下步骤：

步骤一：计算F(i)机架出口速度v_i；

v_i＝v_i0*(1+f_i)

式中，v_i0表示从编码器实时得到的F(i)机架的轧辊线速度反馈，f_i表示过程控制系统给出的前滑值，2≤i≤n；

步骤二：计算F(i)机架从F(i-1)机架抛出后的距离s_i，相应采取不同的辊缝压尾斜率：

进一步地，步骤二具体为：

假定当前为第m块带材，F(i)机架从F(i-1)机架抛出后的距离s_i，从尾部从F(i-1)机架抛出时刻开始，至尾部从F(i)机架抛出时刻结束，对F(n)机架速度v_n和采样周期ΔT的乘积实时累加得出当前F(n)机架轧出长度s_i＝Σ(v_n*ΔT)，当l_j-1≤s_i≤l_j时，采用压尾斜率k_i,j(m)，2≤i≤j≤n。

本发明的有益技术效果：

本发明所述方法对能够对带材的尾部厚度进行有效控制。由于采用了自学习算法，并且对压尾控制所增加的负荷进行了分配，这样能够快速找准压尾量，使尾部厚差进入允许公差范围，也能避免传统方法压尾控制造成下游机架负荷显著增加，使精轧出口板形变差的情况发生。

综合以上热连轧板带尾部厚度控制手段与发明方法，本发明提出的方法不需要增加新的设备，即可改善压下系统定位速度和稳定性，满足轧制过程需要。

附图说明

图1为板坯进入精轧机组各机架前后厚度变化示意图；

图2为热连轧带材尾部厚度示意图；

图3为F(2)机架辊缝调节示意图；

图4为F(2)尾部补偿时机示意图；

图5为基于弹跳曲线的轧制变形分析示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

结合具体工艺及图示对发明的具体实施方法进行说明：

实施例1

本实施例提供一种热连轧带材尾部厚度控制方法，首先，计算从精轧F(2)机架开始的各机架在上一机架抛出后由于失张影响到的成品带材长度；随后，根据测厚仪检测到的尾部厚差信号，按照负荷分配原则，计算从F(2)机架开始的各机架应该消除的尾部厚度偏差量；最后，根据从F(2)机架开始的各机架尾部厚度偏差量，对从F(2)机架开始的各机架尾部辊缝调节量进行自学习，修正从F(2)机架开始的各机架尾部辊缝调节量，用于下一块带材的尾部厚度控制。

表1所示为某1700热连轧Q235钢种的精轧机轧制规程，带材宽度1200mm，来料32mm，成品2.0mm。

表1典型轧制规程

分析尾部厚度变大的原因。对F(i)机架而言，在轧制过程中其入口侧带钢是有张力的，入口张力的变化通过入口活套角度体现出来，并通过调节F(i-1)机架的速度来保持F(i)机架入口侧(亦即F(i-1)机架的出口侧)张力稳定。但是，当带钢尾部从F(i-1)机架抛出时，F(i-1)机架和F(i)机架之间的带钢是没有张力的，此时没有张力的带钢进入F(i)机架轧制时会导致F(i)机架轧制力增大，F(i)机架轧出的带钢厚度变厚。而尾部厚度补偿的目的就是为了消除带钢尾部由于失张造成的厚跃。

通过图1来分析各个机架压尾动作反映到精轧出口带钢上能够影响到的长度。在图1中，F(1)、F(2)、……、F(7)表示一个热连轧精轧机组的7个机架；H表示入口厚度，h表示出口厚度，如果用i表示机架号，则有上一机架的出口厚度h_i-1等于下一机架的入口厚度H_i，即h_i-1＝H_i，2≤i≤7。

由于各个机架之间的距离d都是相等的(某1700热连轧d＝5000mm)，各个机架在其相邻的上游机架抛钢以后，能压尾的带钢长度都是等于d，但是各个机架的入口带钢厚度不一样，从F(2)到F(7)机架的入口厚度分别为H₂＝16.65mm，H₃＝9.44mm，H₄＝5.69mm，H₅＝3.90mm，H₆＝3.01mm，H₇＝2.38mm。那么，F(i)机架压尾动作能影响到的、对应于精轧出口的长度为W_i和w_i分别表示F(i)机架的入口宽度和出口宽度。由于水平辊轧制过mm程中，宽度方向的延展极小，因此可以认为在F(2)至F(7)轧制过程中宽度没有变化，从而可得根据表1的参数，并结合图2，可以很容易可以得出L₂＝41625mm，L₃＝23600mm，L₄＝14225mm，L₅＝9750mm，L₆＝7525mm，L₇＝5950mm。

以F(2)机架在F(1)机架抛钢后的补偿过程为例，说明要如何调节辊缝，进而得出精轧其他机架调节辊缝的通用公式。

由于长度的计算要用通过设定厚度、前滑率等参数，这些参数由过程控制级根据相关模型推导，存在一定误差，而时间参数可以由基础自动化控制器检测得到，因此采用时间参数来确定各机架的尾部补偿时机和补偿量。

图2为热连轧带材尾部厚度示意图，Δh表示实时厚度偏差；D_j表示带材尾部能被F(2)至F(j)机架共计j-1个机架由于上一机架抛出而导致的尾部失张影响到的长度；l_i表示尾部厚跃中F(i+1)机架及其下游机架失张不能影响到的长度；Δh_0(j)表示D_j段所对应的厚度偏差平均值；此处2≤i,j≤7。

图4所示为F(2)尾部补偿时机示意图；假定F(1)抛钢时刻对应长度为l₁，F(2)抛钢时刻对应长度为l₇，则l₁至l₇的长度即为F(2)机架进行尾部补偿的长度。将F(1)抛钢后F(1)和F(2)机架间的带钢轧制长度用l₁至l₇分成6部分，且满足如下条件：l₁至l₂段只有F(2)机架尾部补偿动作可以影响到(因为在F(2)抛钢的时候，该段对应的带钢已经轧出F(3)，此时F(3)尾部补偿才开始动作)；同理，l₂至l₃段只有F(2)、F(3)机架尾部补偿动作可以影响到；l₃至l₄段只有F(2)至F(4)机架尾部补偿动作可以影响到；l₄至l₅段只有F(2)至F(5)机架尾部补偿动作可以影响到；l₅至l₆段只有F(2)至F(6)机架尾部补偿动作可以影响到；而l₆至l₇段F(2)至F(7)机架尾部补偿动作均可以影响到。

一般的，对F(i)机架的尾部补偿来说，是从F(i-1)机架抛钢(对应尾部超差位置为l_i-1)开始，至F(7)机架抛钢(对应尾部超差位置为l₇)结束，这段时间又被l_i,l_i+1,…,l₆分为8-i段。

对下游的F(i)机架而言，其入口l_j-1至l_j段(3≤i≤j≤7)的厚差由F(i)至F(j)机架共同进行补偿，而事实上，该段同样已由F(2)至F(i-1)机架进行过尾部补偿。易知，在轧制入口带钢l_j-1至l_j段时，F(2)至F(i)中的每个机架需要消掉的厚差平均值对应到出口厚差上为Δh_tc(i)，各个机架为了消除此厚差，需要调节不同的辊缝。接下来说明如何计算各机架需要调节的辊缝。

图5所示为基于弹跳曲线的轧制变形分析示意图；图中S_z为零位辊缝，S₀为空载辊缝，S_m为轧机弹跳；P为轧制力，P₀为预压靠力，ΔP表示轧制力变化量；H、h分别表示出口厚度、入口厚度；ΔS、ΔH、Δh分别为辊缝调节量、入口厚度变化量、出口厚度变化量；R₀₀表示零调时的压靠曲线；R₁₀、R₁₁表示不同辊缝对应的轧机刚度曲线；R₂₀、R₂₁表示不同来料对应的轧件塑性曲线。

根据图5所示，F(i)机架的出口厚度要变化Δh_i，如果辊缝不变(刚度曲线对应R₁₀)，则入口厚度需变化

这意味着塑性曲线从R₂₀平移到R₂₁。

如果来料厚度不变(塑性曲线对应R₂₀)，则轧机辊缝需变化，

这意味着刚度曲线从R₁₀平移到R₁₁。

对F(i)机架而言，可以认为F(i)机架调节辊缝，改变F(i)机架的出口厚度，进而影响其下游的所有机架的入口厚度，进而影响到成品厚度。

以F(2)机架为例，F(2)机架在轧制入口带钢l_j-1至l_j段时，需要补偿的本机架出口厚差为，

因此，F(2)机架应调节辊缝平均值为

同理，F(i)机架在轧制对应出口带钢l_j-1至l_j(2≤i≤j≤7)段时，应调节辊缝平均值为

令

b_i表示出口厚度偏差与F(i)机架辊缝调节量之间的比例系数。根据表1中各参数的赋值，可以得出b_i的具体数值如表2所示。

表2b_i参数赋值表

如表3所示，假定带钢尾部各处厚差均为0.1mm，计算为了消除出口段的l_j-1至l_j段的厚差，F(i)机架在l_j-1至l_j段需要调整的平均辊缝量ΔS_i,j。

表3出口0.1mm厚差各机架辊缝调节量

一般情况下带钢尾部厚差逐渐加大，假定尾部D_j段(l_j-1至l_j段，2≤j≤7)的平均厚差如表4所示，计算为了消除D_j段(l_j-1至l_j段)的厚差，F(i)机架在D_j段(l_j-1至l_j段)需要调整的平均辊缝量。

表4出口0.1mm厚差各机架辊缝调节量

以F(2)机架为例，通过上式可以求出在各段应该调节的平均辊缝ΔS₂₁,ΔS₂₂,…,ΔS₂₇，由于辊缝的变化是连续的，因此通过图3中的折线方式来实现辊缝的变动。

图3为F(2)机架辊缝调节示意图。其中，ΔS_2,j表示F(2)机架在D_j段实际需要调节的辊缝绝对值，k_2,j表示F(2)机架在D_j段实际需要调节的辊缝斜率，每一段折线的平均值与对应段的平均辊缝相等，2≤j≤7。由于6段折线必须从0开始变化，中间折线首尾相连，因此，可以通过6个斜率把这6段折线表达出来，假定l_i-1至l_i段的斜率为k_{2,i_comp}，则可以认为集合K_{2_comp}＝[k_{2,2_comp},k_{2,3_comp},…,k_{2,7_comp}]为F(2)机架本组尾部补偿辊缝的一个解集。按照前文所述方法，F(2)机架在D_j段的补偿斜率k_{2,j_comp}的计算方法为：

同理可得出F(i)机架的解集K_{i_comp}＝[k_{i,i_comp},k_{i,i+1_comp},…,k_{i,7_comp}]。也就是说，每得出一组尾部厚差，就可以据此计算出要消除此厚差，各个机架在原有调节量(之前的斜率)的基础上，需要增加多少调节量(新的斜率)。

所述采用自学习方法更新下一块F(i)机架带钢尾部压尾斜率集K_i，具体为：

假定当前为第m块带材，计算F(i)机架在下一块带材D_j段的压尾斜率k_i,j(m+1)＝k_i,j(m)+α*k_{i,j_comp}，k_i,j(0)＝0，2≤i≤j≤n；α为学习系数，用来改变学习速度，m>0时，0<α≤0.5；m＝0时，α＝1。

如果用集合K_i＝[k_i,i,k_i,i+1,…,k_i,n]为F(i)机架的尾部压尾斜率集，则有，K_i(m+1)＝K_i(m)+α*K_{i_comp}。

为了减小尾部补偿对各机架的影响，比如造成带钢甩尾、电机过载、油缸过载等状况，需对F(i)机架的压下速度和压下量会有一个限定。因此需设定F(i)机架尾部补偿的最大补偿辊缝绝对值ΔS_max,i和最大补偿斜率绝对值k_max,i。即有-ΔS_max,I≤ΔS_i,j≤ΔS_max,i。

对于一个包含n架轧机的精轧机组，所述方法对压尾辊缝调节包括以下步骤：

步骤一：计算F(i)机架出口速度v_i；

v_i＝v_i0*(1+f_i)

式中，v_i0表示从编码器实时得到的F(i)机架的轧辊线速度反馈，f_i表示过程控制系统给出的前滑值，2≤i≤n；

步骤二：计算F(i)机架从F(i-1)机架抛出后的距离s_i，相应采取不同的辊缝压尾斜率，具体为：

假定当前为第m块带材，F(i)机架从F(i-1)机架抛出后的距离s_i，从尾部从F(i-1)机架抛出时刻开始，至尾部从F(i)机架抛出时刻结束，对F(n)机架速度v_n和采样周期ΔT的乘积实时累加得出当前F(n)机架轧出长度s_i＝Σ(v_n*ΔT)，当l_j-1≤s_i≤l_j时，采用压尾斜率k_i,j(m)，2≤i≤j≤n。

综上可知，本发明提供的热连轧带材尾部厚度控制方法。首先，计算从精轧F(2)机架开始的各机架在上一机架抛出后由于失张影响到的成品带材长度；随后，根据测厚仪检测到的尾部厚差信号，按照负荷分配原则，计算从F(2)机架开始的各机架应该消除的尾部厚度偏差量；最后，根据从F(2)机架开始的各机架尾部厚度偏差量，对从F(2)机架开始的各机架尾部辊缝调节量进行自学习，修正从F(2)机架开始的各机架尾部辊缝调节量，用于下一块带材的尾部厚度控制。能够可在对下游机架负荷影响较小的情况下，对热连轧带材尾部厚度进行精确控制。