CN100471961C - 带钢连续退火过程中防止断带的方法和控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种防止连续退火过程中带钢断带的方法和控制系统，它通过测量带钢在连续退火机组开卷机与入口活套之间的板形数据来确定工艺参数值。控制系统包括：安装在连续退火机组开卷机与入口活套之间的板形检测单元，用于测量带钢在连续退火机组开卷机与入口活套之间的板形数据；与板形检测单元和连续退火机组相连的控制单元，其根据测得的板形数据确定工艺参数值并根据确定的工艺参数值对连续退火机组进行控制。在本发明中，由于在带钢进入退火炉之前即已测定带钢板形情况，因此可以及时控制带钢的通板速度、张力和纠偏角度，有效避免了断带事故的发生。此外，由于检测装置安装在退火炉入口前，因此安装和维护都比较方便。

Description

带钢连续退火过程中防止断带的方法和控制系统

技术领域

本发明涉及冶金生产技术，特别涉及一种带钢连续退火过程中防止断带的方法和控制系统。

背景技术

作为钢铁企业的关键生产设备，带钢连续退火炉生产率的高低直接影响到企业的产能。带钢的表面并非平坦的平面，而是呈如图1a或1b所示的波浪起伏状。当沿垂直于带钢传送方向(以下称为横向)剖取如图1a和1b所示带钢时即分别得到图2a和2b所示的剖面示意图，以下将该剖取面称为横截面。在图2a中，带钢横截面的中部向上凸起，以下将这种形状称为边浪；在图2b中，带钢横截面的中部区域向上凹陷，以下将这种形状称为中浪；此外还有一种形状是带钢表面从其中一侧边缘向另一侧边缘倾斜，以下将这种形状称为单边浪。

当带钢在连续退火炉内的行进速度较快时，一旦带钢的板形不良度超过一定程度或表面起伏较大，则非常容易引起带钢跑偏，从而导致断带事故。尤其是对于高速薄带钢连续退火机组，其对带钢板形的敏感度更高，因此更容易发生热瓢曲、跑偏等问题。一旦发生断带事故，就需要停止整个连续退火机组的运行，从而影响产能，特别是炉内断带事故，其往往需要停机24小时来排除故障，对生产的影响更大。

为了在连续退火过程中避免发生断带事故，一种常用的方法是在退火炉内安装工业电视监视装置，生产操作人员通过工业电视监视装置观察板形的大致形状，然后根据情况调整带钢的通板速度、张力和纠偏角度，以免发生跑偏、断带事故。该方法的缺点是安装的工业电视监视装置数量非常有限，而且还需要操作人员凭目测来确定板形情况，因此不能准确、全面地了解炉内带钢的板形情况。此外，由于监视装置一般安装在连退炉内，因此控制具有滞后性，往往无法及时阻止跑偏、断带事故的发生。

发明内容

本发明的目的是提供一种防止连续退火过程中带钢断带的方法，其具有及时、可靠而又实现方式简单的优点。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种带钢连续退火过程中防止断带的方法，控制系统执行下列步骤：

(1)测量带钢在连续退火机组开卷机与入口活套之间的板形数据，所述板形数据包括带钢的浪形和起伏程度；

(2)根据测得的板形数据确定工艺参数值，所述工艺参数值包括带钢在退火炉内的通板速度、张力和纠偏角度；

(3)根据确定的工艺参数值来调整带钢当前的通板速度、张力和纠偏角度。

比较好的是，在上述带钢连续退火过程中防止断带的方法中，采用非接触方式测量带钢的板形数据。

比较好的是，在上述带钢连续退火过程中防止断带的方法中，在步骤(2)中，根据预先设定的带钢厚度、浪形、起伏程度与通板速度和张力的对应关系控制表查找与当前带钢厚度、浪形和起伏程度对应的通板速度和张力。

本发明的另一目的是提供一种带钢连续退火过程中防止断带的控制系统，其具有及时、可靠而又实现方式简单的优点。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种带钢连续退火过程中防止断带的控制系统，包括：

安装在连续退火机组开卷机与入口活套之间的板形检测单元，用于测量带钢在连续退火机组开卷机与入口活套之间的板形数据，所述板形数据包括带钢的浪形和起伏程度；

与板形检测单元和连续退火机组相连的控制单元，其根据测得的板形数据确定工艺参数值并根据确定的工艺参数值对连续退火机组进行控制，所述工艺参数值包括带钢在退火炉内的通板速度、张力和纠偏角度。

比较好的是，在上述带钢连续退火过程中防止断带的控制系统中，所述板形检测单元采用非接触式方式测量带钢的板形数据。

比较好的是，在上述带钢连续退火过程中防止断带的控制系统中，所述控制单元存储带钢厚度、浪形、起伏程度与通板速度和张力的对应关系控制表，并通过查找所述对应关系控制表确定与当前带钢厚度、浪形和起伏程度对应的通板速度和张力。

在本发明中，由于在带钢进入退火炉之前即已测定带钢板形情况，因此可以及时控制带钢的通板速度、张力和纠偏角度，有效避免了断带事故的发生。此外，由于检测装置安装在退火炉入口前，因此安装和维护都比较方便。

附图说明

通过以下结合附图对本发明较佳实施例的描述，可以进一步理解本发明的目的、特征和优点，其中：

图1a和1b为带钢表面波浪起伏的示意图。

图2a和2b分别为图1a和1b所示带钢的横截面形状示意图。

图3为位于传送辊之间的带钢的悬索线图。

图4为按照本发明的第一较佳实施例的防止断带方法流程图。

图5为带钢横截面垂直高度分布的示意图。

图6为安装在连续退火炉内的纠偏机构示意图。

图7为按照本发明第二较佳实施例的防止断带方法流程图。

图8为按照本发明第三较佳实施例的控制系统示意图。

图9为图8所示控制系统中板形检测单元的示意图。

具体实施方式

在本发明中，为了及时控制带钢的通板速度、张力和纠偏角度，板形检测单元被安装在连续退火机组开卷机与入口活套之间并且根据板形检测单元测得的板形数据来设定相应的通板速度、张力和纠偏角度。

板形检测分为接触式和非接触式二大类方式，接触式检测方法的原理是使板形测量辊与带钢表面接触，当带钢表面不平坦时，由于压电效应的存在，板形测量辊各区域将产生不同幅度的压电信号，通过测量这些压电信号的幅度即可确定带钢各部分的垂直高度分布情况；非接触式检测方法一般采用多个测距传感器来测量传感器平面与带钢表面之间的距离从而得到带钢表面的垂直高度分布，由此获得带钢板形的情况。在本发明中，上述两类板形检测方式皆可用来检测板形数据，而且通板速度、张力和纠偏角度的设定方式与板形数据的测量方式无关。

以下借助附图描述本发明的较佳实施例。

第一实施例

当带钢悬垂在连续退火机组开卷机与入口活套的两个支承位置(例如传送辊与带钢的接触位置)之间时，由于张力设置较小，因此带钢在重力作用下基本上呈如图3所示的悬索线状，该示意图为悬垂在在连续退火机组开卷机与入口活套的两个支承位置之间的带钢剖面示意图，其沿带钢传送方向(以下称为纵向)剖取，以下将该剖取面称为纵截面。当沿纵向将带钢划分为多条狭长的纵向区域时，带钢表面的波浪起伏形状使得悬垂在两根传送辊之间的带钢各纵向区域具有不同的长度，而且它们长度的相对差值越大，则带钢表面波浪起伏的程度也越大，反之，它们长度的相对差值越小，则带钢表面波浪起伏的程度也越小。因此当确定了带钢纵向区域在支承位置之间的长度分布之后，即可确定带钢表面的起伏程度和浪形。

对于悬垂在两个支承位置之间的带钢，其每个纵向区域的纵截面都可以视作一条如图3所示的具有一定刚度的悬索线，因此只要已知两个支承位置之间在水平方向(即图3中的X轴方向)上的距离l和悬索线上特定点至支承位置在Z轴方向上的垂直距离(例如最低位置点与支承位置之间的垂直距离d)，就可以计算出悬索线在两个支承位置之间的长度L。在本实施例中，为便于后续计算处理，将该特定点设定为悬索线在两个支承位置之间的中点位置。悬索线的长度可应用变分法求泛函极值问题的算法来计算，但是变分法求泛函极值问题的方程形式非常复杂，计算量很大，因此为简化起见，本实施例将带钢的悬索线近似假设为下列形式的正弦曲线：

$z=d\·\mathrm{Sin}\left(\frac{\mathrm{\πx}}{l}\right)---\left(1\right)$

这里，如图3所示，z和x分别为悬索线上任意一点在Z轴和X轴上的坐标，l为两个支承位置之间在X轴方向上的距离，d为悬索线上最低位置点与支承位置平面之间的垂直距离。悬索线的长度L则可采用下式计算：

$L={\∫}_0^l\sqrt{1+\frac{d^2{l}^2{\mathrm{Cos}}^2\left(\frac{\mathrm{\πx}}{l}\right)}{l^2}}---\left(2\right)$

上式方程式(2)的积分运算较为复杂，因此可以进一步简化为下式：

$L\≈\frac{{4l}^2+d^2{\mathrm{\π}}^2}{4l}---\left(3\right)$

表1示出了公式(2)和(3)计算值的比较结果，其中L为公式(2)的计算结果，而L′为公式(3)的计算结果。由表1可见，在带钢急峻度d/l较小时，公式(3)的计算误差较小。由于带钢急峻度d/l一般都小于10％，因此简化公式(3)的计算误差小于0.042％。

                     表1

 

l(mm)	100	100	100	100	100
						d(mm)	1	2.5	5	7.5	10
L(mm)	100.024669	100.154035	100.614025	101.373790	102.424
						L’(mm)	100.024674	100.154213	100.616850	101.387913	102.467
误差(％)	0.000005	0.0002	0.003	0.014	0.042
						l(mm)	100	100	100	100	100
d(mm)	25	50	75	100
						L(mm)	113.984	146.370	186.630	230.489
L’(mm)	115.421	161.685	238.791	346.740
						误差(％)	1.26	10.46	27.95	49.16

在计算出带钢纵向区域在两个支承位置之间的长度分布后即可据此确定带钢的起伏程度。起伏程度可以采用各种形式的特征量来表征，只要特征量的取值与带钢纵向区域之间的相对长度差值正相关或负相关即可。

对于中浪和边浪，其仅有一个最高位置或最低位置并且位于带钢中部，因此可采用下列形式的带钢相对延伸差ε作为表征起伏程度的特征量：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{|L_c-L_e|}{\max \left(\stackrel{\·}{L_c}{,L}_e\right)}---\left(4\right)$

这里，L_c和L_e分别为位于带钢中部和边缘处的纵向区域在两根传送辊之间的长度。

对于单边浪，其最高位置和最低位置都位于带钢边缘处，因此采用下列形式的带钢相对延伸差ε作为表征起伏程度的特征量：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{|L_e\′-L_e|}{\max (L_e\′,L_e)}---\left(5\right)$

这里，L_e和L_e′分别为位于带钢左右边缘处的纵向区域在两根传送辊之间的长度。

一般而言，带钢表面起伏程度越大，则带钢跑偏和断带的可能性就越大，因此带钢的通板速度和张力应该适当降低，反之，亦如此。对于不同的起伏程度，不同浪形下发生带钢跑偏和断带的可能性也不同。此外，对于不同的带钢厚度，发生跑偏和断带的可能性也不同。在本实施例中，为了方便控制，根据设备和生产的实际具体情况和经验预先设定各种厚度下带钢通板速度、张力与起伏程度、浪形的对应关系控制表，其中表2示出了某薄带钢连退机组中带钢厚度、起伏程度和浪形与带钢在连续退火炉内通板速度和张力之间的对应关系，表3示出了某薄带钢连退机组中带钢厚度、起伏程度和浪形与带钢在连续退火炉内张力之间的对应关系。

                      表2

                       表3

在上述表2和3中，带钢厚度的单位为厘米，以I为后缀的数据项s表示带钢表面的起伏程度，其数值与上述公式(4)和(5)中带钢相对延伸差ε之间的关系为：

ε＝s·10^-5                       (6)

百分比代表各种浪形和起伏程度下带钢通板速度和张力的相对值，其参考基准为各种带钢厚度和浪形下起伏程度较小时的通板速度和张力。例如，对于厚度介于0.18～0.25厘米并且浪形为中浪的带钢，将起伏程度小于15I时的通板速度和张力设定为参考基准值，如果退火过程中带钢的起伏程度介于15I～30I，则应将其通板速度和张力调整为参考基准值的85％。

以下借助图4描述本实施例的防止板形断带方法的流程图。

如图4所示，在步骤S11中，板形测量单元测量如图5所示位于带钢中部和边缘的纵向区域在某一横截面上的垂直高度d_c、d_e和d_e′，该横截面位于两个传送辊之间的中间位置。

在步骤S12，板形测量单元对带钢表面的浪形进行判断。具体而言，如果d_c小于d_e和d_e′，则带钢表面为中浪，如果d_c小于d_e和d_e′，则带钢表面为边浪，如果d_e大于d_c和d_e′，或者如果d_e′大于d_c和d_e，则带钢表面为单边浪。

随后在步骤S13中，板形测量单元利用公式(3)计算带钢中部和边缘的纵向区域在两根传送辊之间的长度L_c、L_e和L_e′。对于单浪情形，只要选取与垂直高度d_c相差较大的那个垂直高度来计算长度即可，对于单边浪情形，只要选取垂直高度d_e和d_e′来计算长度即可。

接着在步骤S14中，板形测量单元利用公式(4)或(5)计算作为表征带钢表面起伏程度的特征量的带钢相对延伸差ε并将浪形和带钢相对延伸差ε作为板形数据输出至连续退火机组的控制单元。

接着在步骤S15中，控制单元从前述对应关系控制表查找当前带钢厚度下与步骤S14输出的板形数据对应的通板速度和张力并输出至连续退火机组。

最后，在步骤S16中，连续退火机组在控制单元设定的通板速度和张力下运行。

第二实施例

以下描述按照本发明方法的第二实施例。

在第一实施例中仅利用板形数据来设定带钢在连续退火炉内的通板速度和张力，在本实施例中还利用板形数据来设定带钢的纠偏角度。

当出现单边浪时，由于张力在带钢两侧分布的不均匀，必然出现带钢跑偏现象，为此通过在连续退火炉内安装由跑偏测量装置和纠偏机构构成的闭环反馈控制来加以纠正。如图6所示，连续退火机组的纠偏机构包含设置于带钢行进方向上的纠偏辊6a和6b，通过改变纠偏辊之间的夹角(也即带钢的纠偏角度)可以调整带钢的行进方向，从而达到防止带钢跑偏的目的。但是当单边浪突然出现时(例如前一卷带钢板形很好而后一卷带钢头部有严重的单边浪)，闭环控制系统的滞后可能导致带钢擦边甚至断带。如上所述，在本发明中，在连续退火炉入口前安装有板形测量单元，因此可以利用其测得的板形数据来提前设定纠偏辊之间的夹角，从而实现带钢纠偏角度的前馈纠偏控制。

以下描述纠偏角度设定量的计算方法。

如图6所示，假设两个偏转辊之间的距离为l′，偏转辊之间的夹角为θ，带钢表面的起伏程度为s，带钢宽度为b，则它们之间存在如下关系：

$\mathrm{\θ}=\arctan \frac{0.01\·s\·l\′}{b}---\left(7\right)$

因此当出现较大的单边浪时，控制单元可以在带钢进入退火炉前即指令纠偏机构将纠偏辊之间的夹角按照式(7)的计算结果进行调整以防止带钢跑偏。

以下借助图7描述本实施例的防止板形断带方法的流程图，本实施例也采用与第一实施例相同的方式测量板形数据。

如图7所示，在步骤S21中，板形测量单元测量如图5所示位于带钢中部和边缘的纵向区域在某一横截面上的垂直高度d_c、d_e和d_e′，该横截面位于两个传送辊之间的中间位置。

在步骤S22中，板形测量单元判断带钢表面的浪形，如果是中浪或边浪，则进入步骤S23，如果是单边浪，则进入步骤S27。

随后在步骤S23中，板形测量单元利用公式(3)计算带钢中部和边缘的纵向区域在两根传送辊之间的长度L_c、L_e和L_e′。对于单浪情形，只要选取与垂直高度d_c相差较大的那个垂直高度来计算长度即可，对于单边浪情形，只要选取垂直高度d_e和d_e′来计算长度即可。

接着在步骤S24中，板形测量单元利用公式(4)或(5)计算作为表征带钢表面起伏程度的特征量的带钢相对延伸差ε并将浪形和带钢相对延伸差ε作为板形数据输出至连续退火机组的控制单元。

接着在步骤S25中，控制单元从前述对应关系控制表查找当前带钢厚度下与步骤S24输出的板形数据对应的通板速度和张力并向连续退火机组输出控制指令。

最后，在步骤S26中，连续退火机组在控制单元设定的通板速度、张力和纠偏角度下运行。

在步骤S27中，板形测量单元将单边浪的起伏程度与预先设定值进行比较，如果小于或等于预先设定值，则表明单边浪的起伏程度不至于引起带钢跑偏，因此进入步骤S23，否则进入步骤S28。

在步骤S28中，控制单元板形测量单元根据式(7)计算纠偏辊的偏转角度θ并向连续退火机组的纠偏机构输出控制指令。步骤S28完成之后也进入步骤S23。

第三实施例

图8示出了实现上述实施例方法的控制系统示意图，该系统包括板形检测单元4和控制单元5。

如图8所示，板形检测单元4安装在连续退火机组开卷机1与入口活套2之间，用于测量带钢在连续退火机组开卷机与入口活套之间的板形数据。控制单元5包括与板形检测单元4和连续退火机组(未画出)相连的通板速度和张力设定模块5a和纠偏辊夹角设定模块5b，其中，模块5a根据板形检测单元4测得的板形数据设定带钢的通板速度和张力并指令连续退火机组在设定的通板速度和张力下运行，模块5b根据板形检测单元4测得的板形数据设定纠偏辊之间的夹角并指示纠偏机构将纠偏辊之间的夹角调整为设定值。

以下对板形检测单元作进一步的描述。

如图9所示，连续退火炉入口前，带钢91在开卷机和入口活套之间的传送辊92和93的带动下沿图中所示箭头V的方向行进，因此可将传送辊92、93与带钢91的接触位置取为支承位置。

在本实施例中，为了测量某一时刻带钢91在垂直于行进方向V的某个横截面上的垂直高度分布，在两根传送辊92和93之间的带钢91下方设置一组垂直于方向V并且跨度接近于带钢宽度的测距传感器41作为板形检测单元中的检测元件。如上所述，为便于计算，应将悬索线上的特定点取为两个支承位置之间的中点位置，因此本实施例中横截面或测距传感器41的位置位于两根传送辊中间，这样，测距传感器41测得的距离信号对应于每个带钢纵向区域悬索线最低位置点与传送辊之间的垂直距离d，从而可以采用公式(2)或(3)来计算每个纵向区域的长度。

如图5所示，每个传感器测量的是往返于其探测平面与带钢下表面之间的信号，因此每个传感器的测量信号分别对应带钢的一个纵向区域在该横截面上的垂直高度值，其中，d_c、d_e和d_e′分别为位于中央和两个边缘的传感器探测平面至带钢下表面的垂直距离，实际上也就是位于带钢中部和边缘的纵向区域在该横截面上的垂直高度，d₀为传动辊至传感器探测平面的垂直距离。

再次参见图9，本实施例的板形检测单元还包含测量信号处理器42，其将测距传感器41输出的一组测量信号转换为带钢在横截面上的垂直高度分布值，并根据上述第一和第二实施例所述的计算方法确定带钢表面的浪形和起伏程度。测试信号处理器42的处理信号作为板形数据送至控制单元5，供其用于控制带钢在连续退火炉内的通板速度、张力和纠偏角度等工艺参数。

Claims (6)

1、一种带钢连续退火过程中防止断带的方法，其特征在于，控制系统执行下列步骤：

(1)测量带钢在连续退火机组开卷机与入口活套之间的板形数据，所述板形数据包括带钢的浪形和起伏程度；

(2)根据测得的板形数据确定工艺参数值，所述工艺参数值包括带钢在退火炉内的通板速度、张力和纠偏角度；

(3)根据确定的工艺参数值来调整带钢当前的通板速度、张力和纠偏角度。

2、如权利要求1所述的带钢连续退火过程中防止断带的方法，其特征在于，采用非接触方式测量带钢的板形数据。

3、如权利要求1或2所述的带钢连续退火过程中防止断带的方法，其特征在于，在步骤(2)中，根据预先设定的带钢厚度、浪形、起伏程度与通板速度和张力的对应关系控制表查找与当前带钢厚度、浪形和起伏程度对应的通板速度和张力。

4、一种带钢连续退火过程中防止断带的控制系统，其特征在于，包括：

安装在连续退火机组开卷机与入口活套之间的板形检测单元，用于测量带钢在连续退火机组开卷机与入口活套之间的板形数据，所述板形数据包括带钢的浪形和起伏程度；

与板形检测单元和连续退火机组相连的控制单元，其根据测得的板形数据确定工艺参数值并根据确定的工艺参数值对连续退火机组进行控制，所述工艺参数值包括带钢在退火炉内的通板速度、张力和纠偏角度。

5、如权利要求4所述的带钢连续退火过程中防止断带的控制系统，其特征在于，所述板形检测单元采用非接触式方式测量带钢的板形数据。

6、如权利要求4或5所述的带钢连续退火过程中防止断带的控制系统，其特征在于，所述控制单元存储带钢厚度、浪形、起伏程度与通板速度和张力的对应关系控制表，并通过查找所述对应关系控制表确定与当前带钢厚度、浪形和起伏程度对应的通板速度和张力。

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