CN100395044C - 操作一个金属带轧机机列的方法和控制设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种操作一个金属带(1)轧机机列的方法和控制设备。所述轧机机列具有至少一个轧机机架(3)，在轧机机列的输出口测定所述金属带(1)的本征平直度(ip)。为了确保轧制出的金属带(1)所要求的可见平直度(vp)一定且十分精确地处于预先确定的限制范围内，可以在轧机机列的输出口上测量金属带(1)的翘曲特性，并借助一个翘曲模型(12)将其转换为金属带(1)的本征平直度(ip)。这样就可以借助翘曲模型(12)在线地在整个轧机机列中更好地调节可见平直度(vp)。

Description

操作一个金属带轧机机列的方法和控制设备

技术领域

本发明涉及一种操作一个金属带轧机机列的方法，所述轧机机列具有至少一个轧机机架，其中，在轧机机列的输出口测量所述金属带的可见平直度；所述方法尤其适用于操作热轧机，例如精轧机列，但其应用并不仅限于此。

此外，本发明还涉及一种用于操作一个金属带轧机机列的控制设备，所述轧机机列具有至少一个轧机机架，其中，所述控制设备具有至少一个调节单元。

背景技术

德国专利申请DE 198 51 554 A1已公开，在一个轧机机列的输出口测定金属带的型材和/或其平直度，并使用这些数据来预设轧机机列。在这种情况下，测得的可见平直度以输入参数形式输送给一个神经网络。

DE 197 584 66 A1已公开一种用于金属带的平直度调节系统，其中，通过一种在金属带表面产生线条的方法，来测量热轧带表面的几何形。这样测量到的可见平直度通过一个平直度分析系统被输入一个平直度调节器。

发明内容

本发明的目的是操作一个金属带轧机机列，以进行控制从而确保：对轧制出的金属带所要求的可见平直度一定且十分精确地处于预先确定的限制范围之内。

本发明的目的通过一种前文所述的方法而达成，其中，借助一个翘曲模型将可见平直度(Visible flatness)的数值转换为本征平直度(Intrinsicflatness)的数值，以控制轧机机架，并借助一个物流模型在到达平直度的实际测量位置之前(从物流方向来看)确定所述本征平直度。

尽管在用拉力进行轧制——也就是在轧机机架之间——的过程中所述金属带的可见平直度或褶皱有时会完全消失，从而导致在很多情况下无法在轧机机列中测量金属带的可见平直度或褶皱，但根据本发明，通过所述翘曲模型不仅可以考虑到金属带的可见平直度，还可以考虑到本征平直度，因而可以满足对所述金属带可见平直度质量的极高要求。通过所述的可见平直度数值向本征平直度数值的转换或本征平直度数值向可见平直度数值的转换，就可以将借助物流模型计算出的本征平直度和在轧机机列输出口上测量到的可见平直度互相匹配或验证。

借助所述翘曲模型可首先确立所述金属带的本征平直度和可见平直度之间的明确联系。从而才第一次实现了不仅以平直度测量为基础进行预设，而且将可见平直度用来对正在进行的轧制过程进行精确的控制和调节。

有利的方案是通过一个翘曲样本的形式来测定所述可见平直度。从数据方面来讲，所述翘曲样本是易于对比的，并且只需要较少费用就可以对其进行存储。

有利的方案是，所述翘曲样本是三维的。

有利的方案是，为了对金属带的翘曲样本进行测定，除了分析金属带的各个轧槽的相对长度以外，还分析各个轧槽的波长、振幅和相位偏差中的至少一个数值。这样，可以更加准确地测定翘曲样本。

有利的方案是，为测定翘曲样本而使用一个多轨迹激光测量仪。这样就可以以低廉的成本对翘曲样本进行高准确性的测定。

有利的方案是，对所述可见平直度进行光学式(Topometric)测量。因为这样可以直接对金属带表面结构、尤其是对翘曲样本进行平面测定。

有利的方案是，对所述平直度进行在线转换。这样就可以特别精确地对金属带平直度进行控制或调整。

有利的方案是，通过一个可在线使用的近似函数进行平直度的转换。这种方案可以节省在可见平直度和本征平直度之间转换所需的在线计算时间。

有利的方案是，以金属带的本征平直度为基础，借助曲翘模型，通过在金属带的横向方向上使用假定的温度划分来模拟金属带的翘曲样本。与所述金属带温度分布相应的金属带上的纵向热膨胀(而不是向横向)与一个可归属与本征平直度的长度划分相对应。这样，仅须模拟一个长度有限的分段，并且根据该分段边界处的适当的边界条件，就可以得出具有主要偏差的弹性板变形的模型公式。

有利的方案是，在自选位置上预先确定一个或多于一个的平直度极限值，以控制所述轧机机列。所述自选位置可以在轧机机列里面和/或轧机机列的后面。所述平直度极限值可以涉及本征平直度和/或可见的平直度。由于在在轧机机列里面或轧机机列的后面均可以预先确定平直度极限值，所以可以明显提高轧制过程的调节精确度。

本发明的目的还通过一种控制设备达成，其用于操作所述具有至少一个轧机机架的金属带轧机机列，其中，为了实施前文所述的方法，所述控制设备具有至少一个与翘曲模型耦合的调节单元。而所述翘曲模型与一个用于测量金属带的可见平直度的装置以及一个物流模型耦合。从属权利要求所涉及的是控制设备的优选实施方案。所述控制设备具有与所述方法类似的优点。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明的其他优点和细节作进一步说明，其中：

图1是一个用于轧制金属带的多机架轧机机列和一个归属于所述轧机机列的控制设备，

图2a至2c是具有平直度缺陷的金属带的例子，

图3是通过轧槽对金属带进行划分，

图4是具有控制设备的多机架轧机机列的一部份，

图5是金属带的一个部分的几何形。

具体实施方式

根据图1，一个用于轧制金属带1的轧机机列由一个控制处理器2控制。所述金属带1可以是例如钢带、铝带或有色金属带，尤其是铜带。所述轧机机列具有至少两个轧机机架3。

所述轧机机架3至少具有工作辊4，(如在图1中所示的对于轧机机架3中的一个机架)在通常的情况下也具有备份辊5。轧机机架3也可以具有更多轧辊，例如可轴向移动的中间辊。

所述金属带1顺其纵向x流过该轧机机列，其中，金属带1的横向y几乎平行于工作辊4的轴。

图1所示的轧机机列实施为用于热轧钢带的精轧机列。虽然本发明尤其适合应用于热轧钢带的多机架精轧机列，但其应用并不仅限制于此。所述轧机机列尤其也可以实施为冷轧机列(串联式轧机列)和/或实施为用于轧制一有色金属(例如铝、铜或其它非铁族金属)。

所述控制设备2具有一个调节单元11。而所述调节单元11具有一个用于控制型材和平直度的模块10。所述模块10与一个物流模型9耦合。控制设备2向机架调节器6预先规定型材施控元件和平直度施控元件(未示出)的目标值。所述机架调节器6接着按照预定的目标值来调整所述施控元件。

向控制设备2输入的输入值包括例如轧制程序数据，如金属带1的输入厚度，以及每个轧机机架3的轧制力和压下量。在一般的情况下，所述输入值还包括在所述轧机机列输出口处金属带1的一个最终厚度，一个目标型材值，一个目标厚度轮廊曲线和一个目标平直度样本。在大多数情况下，经轧制的所述金属带1应尽可能平直。

但是金属带1经常会具有平直度缺陷，如图2a，2b和2c以图解形式举例所示。如图1所示，金属带1的平直度缺陷可以在位置x2进行测定，例如借助一个多轨迹激光测量仪13进行测定。

图2a表示金属带1上的一个中心突起。图2b表示金属带1边缘上的平直度缺陷。图2c表示金属带1上的突起，这些突起在金属带1的纵向x上反复出现，并且尤其是在金属带1的横向y上的两个区域中出现。

所述金属带1上的突起主要由其内部应力引起。金属带中的内应力也称为本征平直度ip。

图3表示金属带1被划分为假定的轧槽S1至Sn，或者说测量轧槽S1`至Sm`。如果将金属带1剪切成纵向的窄条或者说是轧槽S1至Sn，则可以测量出不一致的带长分布(本征带长分布)，这是造成金属带1中的内应力的原因。所述多轨迹激光测量仪13探测金属带1的每个测量轧槽S1`至Sm`的相对长度，并在优选情况下附加地测定例如各个轧槽S1`至Sm`的波长，振幅和/或相位偏差的数值。十分重要的是，这些相关的本征长度或测量出的相对长度并不与相应的假定轧槽S1至Sn和测量轧槽S1`至Sm`相对应。

如图4所示，金属带1在热轧过程中可以区别本征带平直度ip和可见带平直度vp。所述本征平直度ip如上所述涉及轧槽S1至Sn的带长分布。而所述可见平直度vp由所述金属带的翘曲特性而得出，所述金属带的翘曲特性取决于例如金属带1的带厚、带宽、弹性模型(Elasticity module)以及所述金属带1所受到的总拉力。

根据图4，在轧机机列(尤其为一个精轧机列)输出口的一个位置x2测量可见平直度vp，并将其提供给一个翘曲模型12。按本发明，所述可见平直度这样进行测量，即测量设备的输出数值不仅是在横向y上沿带宽的可见带长分布，而且由所述测量设备的输出数值可以重新组建金属带的三维翘曲模型。在一个多轨迹激光测量系统的情况下，测量设备不仅输出各个测量轧槽S1`至Sm`的(相对)长度，而且也输出各个轧槽S1`至Sm`的波长和相位偏差。在进行可见平直度vp的光学式测量时，金属带1的表面结构被以平面的和三维的方式根据金属带1的巨大面积探测。所述平直度的光学式测量优选地基于一种带投影法。在此方法中，将带图形(样本)投影在金属带1的表面上并借助一个矩阵摄影机进行连续探测。

在优选的情况下，在位置x1计算本征平直度ip，所述位置x1在所述轧机机架3之间或后面，尤其在一个精轧机列的轧机机架3之间和/或后面。在此，优选情况下借助一个物流模型9(参见图1)进行所述计算，而所述物流模型9是一个调节单元11的一个组成部分。在位于轧机机列输出口的位置x2上，借助翘曲模型12将通过物流模型9计算出的本征平直度ip与已测得可见平直度vp进行比较，其中，所述可见平直度vp在轧机机列输出口测得。尤其在一个冷轧机情况下，原则上也可以在金属带1上测量本征平直度ip。

借助所述翘曲模型12，可确立本征平直度和可见平直度之间尽可能明确的联系。因此，例如一个具有适度的本征不平直度(Intrinsic lack of flatness)的很厚的金属带1，由其翘曲特性不能推断出其本征平直度ip，这是因为这种金属带1一般不会翘曲。

优选情况下，不同平直度(ip或vp)的确定以下列次序而进行：

1.所述与所述金属带1的翘曲特性大体相应的可见平直度vp，通常在最后一个轧机机架3上进行测量，例如一个精轧机列的输出口。

2.借助所述翘曲模型12，在可见平直度vp的测量位置上(参见步骤1)测定金属带1的本征平直度ip。

3.借助物流模型9在轧机机架3之间，例如在精轧机列里，确定本征平直度ip。这样，从物流方向来看，就可以在到达平直度实际测量位置(这里指本征平直度)之前，确定本征平直度。

通过物流模型9可以确立在轧机机架3之间测得的本征平直度ip和在最后的轧机机架3之后测得的的本征平直度ip之间的关系。可向物流模型9输入输入值，如金属带1的带厚轮廊曲线以及平直度样本或平直度数值，即经由轧机机架3加工之前和加工之后的平直度。所述物流模型9在线测定金属带1经由轧机机架3加工之后的本征平直度样本以及金属带1在横向y上的轧制力样本，并将这些数据输入到一个轧制变形模型中(图中未具体显示)。所述轧制变形模型(图中未具体显示)优选为所述调节单元11的组成部分。轧制变形模型测定轧制形变并把这些形变输入到一个目标值测定单元中(图中未具体显示)。所述目标值测定单元借助测定的轧制形变和金属带1的在机架输出侧的轮廊曲线，测定各个轧机机架3的型材施控元件和平直度施控元件的目标值。

通过使用翘曲模型12可以对物流模型9和模块10中实施的型材控制和平直度控制(分别参见图1)在可见平直度vp的测量数据的基础上进行调整。可以给出可见平直度vp或相应的可见不平直度的下限和上限，所述下限和上限可以借助于翘曲模型12被转换为本征平直度ip或本征不平直度的限界。所述翘曲模型12由本征不平直度计算出金属带1的翘曲样本。由计算出来的翘曲样本又可以测定所述可见不平直度。反向模拟可用来得到反向推论。

在优选情况下，所述翘曲模型12基于弹性板变形的理论上。所述本征平直度ip这样来模拟，即沿带宽(即横向y方向)使用一个假定的金属带温度分布，所述温度分布由金属带1纵向x上的热膨胀引起，并且同时将所述温度分布应用于与本征平直度ip相关联的所述长度分布。

现在来看如图5所示的金属带分段，所述分段长度为a，宽度为b和厚度为h。此外，该图还示出了纵向x，横向y以及一个垂直线z。仅模拟的是一半或整个基本翘曲长度的长度a的一个金属带分段，以及所述分段的上端和下端的周期性边界条件。所述金属带侧的边界条件为自由边界条件。所述模型等式是偏微分方程和从属于其的边界条件，它们可以例如借助有限差法(Finite difference method)或有限元法(Finite element method)解出。

根据求解算法的计算时间，可以直接在线使用所述翘曲模型12。作为代替方案，借助一个离线模型可以生成一个可在线使用的近似函数。这种近似函数可以在线应用于所述翘曲模型12。

为了更好地了解所述翘曲模型12的运作方式，首先必须认识到，例如对金属带1进行热轧时，所测量到金属带1的偏差通常明显大于带厚h，其中，所述偏差由金属带1的翘曲而产生。然而，典型的，所述偏差明显小于翘曲特性的典型波长以及带宽b。由于板形变的传统、线性理论只在偏差小于或等于带厚h的约1/5时有效，则在本情况下必须使用板约束的非线性描述。除了在图5中所示描述金属带1的数值以外，还使用了弹性模型(简称为E-Modul)，其中，在通常的情况下，采用一个恒定的弹性模型。现在，所述非线性翘曲特性可以通过如下内容描述：

$\left(I\right)\frac{D}{h}\·{\▿}^{4}w(x,y)=\frac{P}{h}+L(w(x,y),\mathrm{\Φ}(x,y))$

其中，用电势Φ表示在带平面发生作用的动力。所述电势Φ一般也称为爱里应力(Airy’s stress)函数。公式中所用的w表示金属带1的垂直位移(Vertical displacement)。而p表示由外面作用的压力分布，该压力分布在所述垂直线z方向起其作用。D由如下的公式定义：

$\left(\mathrm{II}\right)D:=\frac{{\mathrm{Eh}}^3}{12(1-v^2)}$

其中，E表示弹性模型，v表示金属带1的横向收缩系数(Poisson’s ratio)。

此外，公式I所述项L(w，Φ)由下列公式得出：

$\left(\mathrm{III}\right)L(w,\mathrm{\Φ}):=\frac{{\∂}^{2}w}{\∂x^2}\frac{{\∂}^2\mathrm{\Φ}}{\∂y^2}-\frac{{\∂}^{2}w}{\∂y^2}\frac{{\∂}^2\mathrm{\Φ}}{\∂x^2}-2\frac{{\∂}^{2}w}{\∂x\∂y}\frac{{\∂}^2\mathrm{\Φ}}{\∂x\∂y}$

如果还进行关于热量所导致的内应力(Internal stress)和拉伸(Strain)的设想，就得到如下的公式：

(IV)

$\frac{1}{E}\·{\▿}^4\mathrm{\Φ}(x,y)+{\mathrm{\κ}}_x\frac{{\∂}^{2}T(x,y)}{\∂y^2}+{\mathrm{\κ}}_y\frac{{\∂}^{2}T(x,y)}{\∂x^2}={\left(\frac{{\∂}^{2}w}{\∂x\∂y}\right)}^2-\frac{{\∂}^{2}w}{\∂x^2}\frac{{\∂}^{2}w}{\∂y^2}=-\frac{1}{2}L(w(x,y),w(x,y))$

其中，T表示金属带1中的温度，κ_x或κ_y表明纵向或横向方向(x或y)的热膨胀系数。

所述公式(I)和(IV)形成一个两个相互耦合的、非线性的、偏微分方程的系统。如果还使用适当的边界条件，如金属带分段的上端和下端上的自由边界或周期性边界条件，就可以把所述公式(I)和(IV)以迭代的方式用数字算出。

本发明的基本思想可以总结如下：

本发明涉及一种操作金属带1轧机机列的方法和控制设备。所述轧机机列具有至少一个轧机机架3，其中，所述金属带1的本征平直度ip在轧机机列的输出口测定。为了确保对轧制出的金属带1所要求的可见平直度vp一定且十分精确地处于预先确定的限制范围之内，金属带1的可见平直度vp或翘曲特性可以在轧机机列输出口上测定，或优选情况下在轧机机列输出口上测量，并且借助一个翘曲模型12转换为金属带1的本征平直度ip。这样就可以借助翘曲模型12在线地将可见平直度用于控制轧机机列的轧机机架。按本发明，优选情况下可以在整个轧机机列中借助翘曲模型12更好的在线调节可见平直度vp。

所述翘曲模型12可被在线使用，并可以确立轧制金属带1的绝对本征平直度ip和金属带1中实际测量到的可见缺陷，即可见平直度vp，之间的明确联系。这是第一次可以实现：基于本征平直度对物流模型9或就实际测量到的数值对其相应的型材控制和平直度控制进行验证、调整和调谐。

Claims (14)

1.一种操作一个金属带(1)轧机机列的方法，所述轧机机列具有至少一个轧机机架(3)，其中，在轧机机列的输出口测量所述金属带(1)的可见平直度(vp)，

其特征在于，

将所述可见平直度(vp)的数值转换为本征平直度(ip)的数值，并借助一个物流模型(9)在到达平直度的实际测量位置之前确定所述本征平直度(ip)，以使用一个翘曲模型(12)来控制至少一个轧机机架。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

通过一个翘曲样本的形式来测定所述可见平直度(vp)。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述翘曲样本是三维的。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，

为了测定所述翘曲样本，除了分析所述金属带(1)的各个轧槽(S1至Sn)的相对长度以外，还分析所述各个轧槽(S1至Sn)的波长、振幅和相位偏差中的至少一个数值。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

使用一个多轨迹激光测量仪(13)来测定所述本征平直度(ip)。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

对所述可见平直度(vp)进行光学式测量。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

借助所述翘曲模型(12)把本征平直度(ip)的数值转换为可见平直度(vp)的数值。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

所述平直度转换(ip或vp)在线进行。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

所述平直度转换(ip或vp)借助于在线近似函数进行。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

以所述金属带(1)的本征平直度(ip)为基础，借助所述曲翘模型(12)，通过在金属带(1)的横向(y)方向上使用假定的温度划分而测定金属带(1)的所述翘曲样本。

11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

在自选位置上预先确定一个或多于一个的平直度极限值，从而控制所述轧机机列。

12.一种用于操作一个金属带(1)轧机机列的控制设备(2)，所述轧机机列具有至少一个轧机机架(3)，其中，所述控制设备(2)具有至少一个调节单元(11)，其特征在于，

所述调节单元(11)与一个翘曲模型(12)耦合，以实施根据上述任一权利要求所述的方法，所述翘曲模型(12)与一个用于测量金属带(1)所述可见平直度(vp)的装置以及一个物流模型(9)耦合。

13.根据权利要求12所述的控制设备(2)，其特征在于，

用于测量所述可见平直度(vp)的装置是一种多轨迹激光测量仪(13)。

14.根据权利要求12或13所述的控制设备(2)，其特征在于，

为了测定所述金属带(1)的一个翘曲样本，所述翘曲模型(12)与至少一个光学式测量系统耦合。

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