CN104942002A - 一种热轧带钢中间坯切头控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热轧带钢中间坯切头控制方法，包括：获取热轧带钢中间坯运行速度和热轧带钢中间坯头部到飞剪剪切点的初始长度；飞剪控制系统确定当前所需飞剪加速时间、飞剪加速度和恒速运行时间；飞剪控制系统通过飞剪电机控制飞剪先以飞剪加速度持续运行所需飞剪加速时间，再匀速持续运行恒速运行时间，完成热轧带钢中间坯切头控制。本发明综合考虑剪切能量损失和超前率获得了飞剪剪切速度，通过对中间坯实时速度积分获得实时剪切距离和剪切剩余时间，根据飞剪转鼓剩余弧长和实际剪切速度得到飞剪实时加速度和加速时间。本发明在大多轧制现场环境下均能方便实现，根据实际速度实时调整飞剪加速度和加速时间后可以大幅度提高中间坯头部剪切精度。

Description

一种热轧带钢中间坯切头控制方法

技术领域

本发明属于轧制过程自动控制技术领域，特别涉及一种热轧带钢中间坯切头控制方法。

背景技术

热轧带钢在经过粗轧机组轧制成中间坯后，头尾会出现舌头形、鱼尾形等缺陷，并且由于中间坯在辊道运输过程中受空气和冷却水影响，头尾温度往往偏低。为了保证后续生产的稳定性，在进入精轧机组前需要对中间坯头尾进行切除。对中间坯头尾的剪切是由布置在精轧机组入口处的转鼓式飞剪通过自动控制在中间坯正常前进过程中完成的。

转鼓式飞剪由上下两个转鼓构成，上下转鼓通过其两端的双列圆柱滚动轴承安装在机架的轴承孔内，与机架形成一个整体。每个转鼓上有一片头刀和一片尾刀，两刀互差角度180度，飞剪的跟踪角度指上剪鼓头刀的角度，转鼓式飞剪结构图如图1所示。每个剪刃由液压弹簧夹紧缸通过楔块将其紧固在转鼓上，实现剪刃的在线快速更换，每对剪刃的重叠量和侧隙可以通过转鼓上的垫片调整。

中间坯头部剪切的工作过程如下：飞剪等待时头刀停在启动位置，当收到启动信号后，飞剪转鼓启动并加速运行达到剪切速度，在180度切断带钢。飞剪在转过180度后开始降速，在停止位置时速度降为零，接着反向转动在启动位置的180度反向位置停止，中间坯头部剪切过程中的飞剪角度图如图2所示。这时切头过程结束，此时飞剪尾刀处于启动位置，为切尾做好准备。

从飞剪切头的各个位置点、剪切速度等来看，飞剪剪切启动时使用的只是一个中间坯瞬时速度。事实上，由于中间坯与中间辊道打滑等现象的存在，中间坯速度不可能为定值，这样必然会导致切头长度的偏差，降低了头部剪切精度和产品成材率。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种热轧带钢中间坯切头控制方法，克服飞剪启动剪切后中间坯速度波动的问题，以达到提高头部剪切精度的目的。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种热轧带钢中间坯切头控制方法，包括以下步骤：

步骤1、获取热轧带钢中间坯运行速度和热轧带钢中间坯头部到飞剪剪切点的初始长度；

步骤2、飞剪控制系统确定当前所需飞剪加速时间、飞剪加速度和恒速运行时间；

步骤2-1、对实时获取的热轧带钢中间坯运行速度进行低通滤波，并通过对低通滤波后的热轧带钢中间坯运行速度积分计算热轧带钢中间坯头部到飞剪剪切点的实时长度；

步骤2-2、确定热轧带钢中间坯运行速度、剪切过程的能量损失、飞剪剪切速度之间的函数关系，进而确定飞剪剪切速度；

所述剪切过程的能量损失与带钢的宽度、带钢的厚度、转鼓半径及剪刃高度、传动电机额定功率、飞剪整体的转动惯量有关；

步骤2-3、根据飞剪剪刃从启动开始点到剪切点的弧长和飞剪剪切速度，计算飞剪从开始运动到剪切的加速时间；

步骤2-4、根据热轧带钢中间坯运行速度积分计算热轧带钢中间坯已经运行长度，从而计算当前时刻热轧带钢中间坯上的剪切点到飞剪剪切点的长度、在当前时刻的热轧带钢中间坯运行速度下热轧带钢中间坯还需要运行的时间；

步骤2-5、通过对飞剪的实时旋转速度积分实时计算飞剪已经旋转的弧长，得到飞剪转鼓还需要旋转的弧长；

步骤2-6、根据飞剪转鼓还需要旋转的弧长、飞剪剪切速度、在当前时刻的热轧带钢中间坯运行速度下热轧带钢中间坯还需要运行的时间，计算当前热轧带钢中间坯头部剪切所需要的飞剪加速时间、飞剪加速度和恒速运行时间；

步骤3、飞剪控制系统通过飞剪电机控制飞剪先以飞剪加速度持续运行所需飞剪加速时间，再匀速持续运行恒速运行时间，完成热轧带钢中间坯切头控制。

所述的热轧带钢中间坯切头控制方法所采用的热轧带钢中间坯切头控制系统，包括：第一热金属检测仪、测速仪、第二热金属检测仪和飞剪控制系统；

所述第一热金属检测仪、测速仪、第二热金属检测仪沿带钢前进方向顺序安装在带钢中间坯运输辊道上方；

第一热金属检测仪的输出端、测速仪的输出端、第二热金属检测仪的输出端分别连接飞剪控制系统的输入端，飞剪控制系统的输出端连接飞剪电机的控制输入端。

所述第二金属检测仪采用扫描式热金属检测仪。

有益效果：

本发明采用了测速仪直接测量中间坯运行速度，并使用低通滤波器对速度进行低通滤波，综合考虑剪切能量损失和超前率获得了飞剪剪切速度，通过对中间坯实时速度积分获得实时剪切距离和剪切剩余时间，根据飞剪转鼓剩余弧长和实际剪切速度得到了飞剪实时加速度和加速时间。本发明在大多轧制现场环境下均能方便的实现，根据实际速度实时调整飞剪加速度和加速时间后可以大幅度提高中间坯头部剪切精度，可以广泛推广到使用转鼓式飞剪的生产企业中。

附图说明

图1为转鼓式飞剪结构图；

图2为中间坯头部剪切过程中的飞剪角度图；

图3为本发明具体实施方式的飞剪区域设备和检测仪表布置图；

图4为本发明具体实施方式的飞剪启动及运行过程中的位置示意图；

图5为本发明具体实施方式的热轧带钢中间坯切头控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

本实施例中，某带钢热轧工程飞剪控制系统，其中间坯头尾采用转鼓式飞剪剪切，热轧带钢中间坯切头控制系统，包括：第一热金属检测仪、测速仪、第二热金属检测仪和飞剪控制系统；第一热金属检测仪、测速仪、第二热金属检测仪沿带钢前进方向顺序安装在带钢中间坯运输辊道上方；第一热金属检测仪的输出端、测速仪的输出端、第二热金属检测仪的输出端分别连接飞剪控制系统的输入端，飞剪控制系统的输出端连接飞剪电机的控制输入端。

测速仪采用Beta Laser Mike LS8000-3激光测速仪，飞剪控制系统采用西门子TDC工艺控制系统完成飞剪控制功能，飞剪电机额定转速600rpm，额定功率为600kW。第一热金属检测仪采用选用常州潞城HMD5热金属检测仪，第二金属检测仪选用KELK HMD2048扫描式热金属检测仪。

分别设置信号接口形式和接口参数，将热金属检测信号和速度信号连接到飞剪控制系统，实现中间坯速度的直接测量，通过普通热金属检测器安装位置对中间坯头部到飞剪剪切点的长度进行初步修正，并通过扫描式高精度热金属检测器安装位置对中间坯头部到飞剪剪切点的长度进行精确修正，飞剪区域设备和检测仪表布置图如图3所示。

一种热轧带钢中间坯切头控制方法，如图5所示，包括以下步骤：

步骤1、获取热轧带钢中间坯运行速度和热轧带钢中间坯头部到飞剪剪切点的初始长度；

Beta Laser Mike LS8000-3激光测速仪安装于距离飞剪中心线5m的位置，设置接口形式采用5V增量式脉冲信号，设置接口参数：5000个脉冲表示1m/s的速度信号；第一热金属检测仪安装于距离飞剪中心线8m的位置，设置接口形式采用24V数字量输入信号；第二金属检测仪安装于距离飞剪中心线3m的位置，设置接口形式采用24V数字量输入信号；第一热金属检测仪、测速仪、第二热金属检测仪分别连接到西门子TDC工艺控制系统的SM500信号模块上，通过编程读取出中间坯的实时速度，当第一热金属检测仪检测到信号时将中间坯头部到飞剪剪切点的长度修正为8m，当第二金属检测仪检测到信号时将中间坯头部到飞剪剪切点的长度修正为3m；

步骤2、飞剪控制系统确定当前所需飞剪加速时间、飞剪加速度和恒速运行时间；

步骤2-1、对实时获取的热轧带钢中间坯运行速度进行低通滤波，并通过对低通滤波后的热轧带钢中间坯运行速度积分计算热轧带钢中间坯头部到飞剪剪切点的实时长度；

为了避免热轧带钢中间坯速度v_s以极小幅值高频变化对计算过程的影响，使用双线性滤波器对其进行低通滤波得到热轧带钢中间坯实时速度为v_s,f；

双线性滤波器：y_n＝a₀×[x_n+x_n-2]+a₁×x_n-1-b₁×y_n-1-b₂×y_n-2

其中的相关计算参数为：

I＝cot(π×F/F_A)

b＝B/F

$a_0=\frac{K\·(1+I^2)}{1+b\·I+I^2}$

$a_1=\frac{2\·K\·(1-I^2)}{1+b\·I+I^2}$

$b_1=\frac{2\·(1-I^2)}{1+b\·I+I^2}$

$b_2=\frac{1-b\·I+I^2}{1+b\·I+I^2}$

式中，截止频率F＝20Hz，采样频率F_A＝500Hz，带宽B＝20Hz，增益系数K＝1，x_n-2、x_n-1和x_n分别为上两周期、上一周期和当前周期激光测速仪检测到的热轧带钢中间坯速度，y_n-2、y_n-1和y_n分别为上两周期、上一周期和当前周期经滤波后的热轧带钢中间坯速度。

步骤2-2、确定热轧带钢中间坯运行速度、剪切过程的能量损失、飞剪剪切速度之间的函数关系，进而确定飞剪剪切速度；

剪切过程的能量损失与带钢的宽度、带钢的厚度、转鼓半径及剪刃高度、传动电机额定功率、飞剪整体的转动惯量有关；

本实施方式考虑飞剪剪刃高度的转鼓半径r_fs为0.504m，传动电机额定功率P_m为600kW，飞剪系统的转动惯量J_fs为1230kgm²，调试参数β＝0.0015，调试参数ε＝0.14，热轧带钢中间坯的宽度W为0.5m，厚度为35mm，剪切速度超前率α为0.05，中间坯初始速度v_s,f0为1.0m/s，该条件下飞剪剪切速度为：

$\begin{array}{c}{v}_{cut0}=r_{fs}\sqrt{{\left(\frac{v_{s,f0}}{r_{fs}}\right)}^2+\frac{P_m}{J_{fs}}(\frac{W\tan \mathrm{\β}}{1000}+\frac{h}{1000}\mathrm{\ϵ}(1-\mathrm{\ϵ}))}(1+\mathrm{\α})\\ =0.504\×\sqrt{{\left(\frac{1.0}{0.504}\right)}^2+\frac{600}{1230}(\frac{0.5\×\tan 0.0015}{1000}+\frac{0.035}{1000}\×0.14\×(1-0.14))}(1+0.05)\\ =1.050m/s\end{array}$

步骤2-3、根据飞剪剪刃从启动开始点到剪切点的弧长和飞剪剪切速度，计算飞剪从开始运动到剪切的加速时间；

飞剪剪刃从启动开始点到剪切点的弧长为S_k＝1.100m，可以计算出飞剪从开始运动到剪切的加速时间为：

$t_{cut0}=\frac{2S_k}{v_{cut0}}=\frac{2\×1.100}{1.050}=2.095s$

设定切头长度(中间坯头部到剪切点的长度)为l_cut,h＝0.1m，从而可以计算出飞剪启动剪切时，热轧带钢中间坯头部距离飞剪剪切点的长度S_cut为：

S_cut＝v_s,f0t_cut0-l_cut,h＝1.0×2.095-0.1＝1.995m

步骤2-4、飞剪启动切头后t时刻，根据热轧带钢中间坯运行速度积分计算热轧带钢中间坯已经运行长度为1.0m，此时中间坯的实际运行速度变化为1.1m/s，从而计算当前时刻热轧带钢中间坯上的剪切点到飞剪剪切点的长度、在当前时刻的热轧带钢中间坯运行速度1.1m/s下热轧带钢中间坯还需要运行的时间；

由于辊道打滑等因素，中间坯实时速度v_s,f一直在变化。根据热轧带钢中间坯实时速度积分计算已经运行长度S_cut,p＝∫v_s,ftdt，可以计算出飞剪启动切头后t时刻热轧带钢中间坯上的剪切点到飞剪剪切点的长度为：

S_pos＝S_cut-∫v_s,ftdt+l_cut,h＝1.995-1.0+0.1＝1.095m

当前热轧带钢中间坯速度v_s,f下，热轧带钢中间坯还需要运行的时间为：

$t_{opt}=\frac{S_{pos}}{v_{s,f}}=\frac{1.095}{1.1}=0.995s$

步骤2-5、通过对飞剪的实时旋转速度积分实时计算飞剪已经旋转的弧长，得到飞剪转鼓还需要旋转的弧长；

飞剪的实时旋转速度为v_fs＝0.502m/s，并通过积分实时计算飞剪已经旋转的弧长S_k,p＝∫v_fstdt＝为0.251m，则飞剪转鼓还需要旋转的弧长为：

S_k,opt＝S_k-∫v_fstdt＝1.100-0.251＝0.849m

其中包括飞剪加速时间t₁和恒速运行时间t₂，也就是

t_opt＝t₁+t₂

中间坯速度为v_s,f＝1.1m/s时的飞剪剪切速度为

$\begin{array}{c}{v}_{cut,opt}=r_{fs}\sqrt{{\left(\frac{v_{s,f}}{r_{fs}}\right)}^2+\frac{P_m}{J_{fs}}(\frac{B\tan \mathrm{\β}}{1000}+\frac{h}{1000}\mathrm{\ϵ}(1-\mathrm{\ϵ}))}(1+\mathrm{\α})\\ =0.504\×\sqrt{\left(\frac{1.1}{0.504}\right)+\frac{600}{1230}(\frac{0.5\×\tan 0.0015}{1000}+\frac{0.035}{1000}\×0.14\×(1-0.14\left)\right)}(1+0.05)\\ =1.155m/s\end{array}$

则

$S_{k,opt}=\frac{v_{cut,opt}+v_{fs}}{2}{t}_1+v_{cut,opt}{t}_2$

飞剪启动及运行过程中的位置示意图如图4所示。

步骤2-6、根据飞剪转鼓还需要旋转的弧长、飞剪剪切速度、在当前时刻的热轧带钢中间坯运行速度下热轧带钢中间坯还需要运行的时间，计算当前热轧带钢中间坯头部剪切所需要的飞剪加速时间、飞剪加速度和恒速运行时间；

当前热轧带钢中间坯头部精确剪切所需要的飞剪加速时间为：

$t_1=\frac{2(v_{cut,opt}{t}_{opt}-S_{k,opt})}{v_{cut,opt}-v_{fs}}=\frac{2(1.155\×0.995-0.849)}{1.155-0.502}=0.920s$

恒速运行时间为：

t₂＝t_opt-t₁＝0.995-0.920＝0.075s

飞剪加速段加速度为：

$a_{opt}=\frac{v_{cut,opt}-v_{fs}}{t_1}=\frac{1.155-0.502}{0.920}=0.710m/s^2$

步骤3、飞剪控制系统通过飞剪电机控制飞剪先以飞剪加速度持续运行所需飞剪加速时间，再匀速持续运行恒速运行时间，完成热轧带钢中间坯切头控制。

设定飞剪的加速度为a_opt＝0.710m/s²并持续t₁＝0.920s时间，其余的时间t₂＝0.075s以匀速运行，完成中间坯头部的优化剪切过程。

Claims (3)

1.一种热轧带钢中间坯切头控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、获取热轧带钢中间坯运行速度和热轧带钢中间坯头部到飞剪剪切点的初始长度；

步骤2、飞剪控制系统确定当前所需飞剪加速时间、飞剪加速度和恒速运行时间；

步骤2-1、对实时获取的热轧带钢中间坯运行速度进行低通滤波，并通过对低通滤波后的热轧带钢中间坯运行速度积分计算热轧带钢中间坯头部到飞剪剪切点的实时长度；

步骤2-2、确定热轧带钢中间坯运行速度、剪切过程的能量损失、飞剪剪切速度之间的函数关系，进而确定飞剪剪切速度；

所述剪切过程的能量损失与带钢的宽度、带钢的厚度、转鼓半径及剪刃高度、传动电机额定功率、飞剪整体的转动惯量有关；

步骤2-3、根据飞剪剪刃从启动开始点到剪切点的弧长和飞剪剪切速度，计算飞剪从开始运动到剪切的加速时间；

步骤2-4、根据热轧带钢中间坯运行速度积分计算热轧带钢中间坯已经运行长度，从而计算当前时刻热轧带钢中间坯上的剪切点到飞剪剪切点的长度、在当前时刻的热轧带钢中间坯运行速度下热轧带钢中间坯还需要运行的时间；

步骤2-5、通过对飞剪的实时旋转速度积分实时计算飞剪已经旋转的弧长，得到飞剪转鼓还需要旋转的弧长；

步骤2-6、根据飞剪转鼓还需要旋转的弧长、飞剪剪切速度、在当前时刻的热轧带钢中间坯运行速度下热轧带钢中间坯还需要运行的时间，计算当前热轧带钢中间坯头部剪切所需要的飞剪加速时间、飞剪加速度和恒速运行时间；

步骤3、飞剪控制系统通过飞剪电机控制飞剪先以飞剪加速度持续运行所需飞剪加速时间，再匀速持续运行恒速运行时间，完成热轧带钢中间坯切头控制。

2.权利要求1所述的热轧带钢中间坯切头控制方法所采用的热轧带钢中间坯切头控制系统，其特征在于，包括：第一热金属检测仪、测速仪、第二热金属检测仪和飞剪控制系统；

所述第一热金属检测仪、测速仪、第二热金属检测仪沿带钢前进方向顺序安装在带钢中间坯运输辊道上方；

第一热金属检测仪的输出端、测速仪的输出端、第二热金属检测仪的输出端分别连接飞剪控制系统的输入端，飞剪控制系统的输出端连接飞剪电机的控制输入端。

3.根据权利要求2所述的热轧带钢中间坯切头控制方系统，其特征在于，所述第二金属检测仪采用扫描式热金属检测仪。