CN105312327B - 一种液压张力温轧机金属轧件的温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种液压张力温轧机金属轧件的温度控制方法，属于液压张力温轧机技术领域，本发明采用的是双变压器加热方法；由于轧制过程中被加热的轧件长度和厚度不断变化导致其电阻的不断变化，单纯的PID温度控制器无法满足这种复杂状况下的温度控制精度要求，需要设计特殊的前馈控制器和采用特殊的控制手段实现温度控制；本发明与传统的单变压器加热方式相比，避免出现轧制过程中通电导致的无效加热的弊端，通过对轧件长度和厚度计算，采用前馈控制器和反馈控制器组合的方式实现了轧制过程中的轧件加热和温度控制，完全能够满足轧件，特别是金属薄带在轧制过程中保持温度均匀性的要求。

Description

一种液压张力温轧机金属轧件的温度控制方法

技术领域

本发明属于液压张力温轧机技术领域，具体涉及一种液压张力温轧机金属轧件的温度控制方法。

背景技术

液压张力温轧机的工作原理：布置在温轧机左右两侧的两个张力液压缸上安装夹钳，单片金属板穿过温轧机工作辊，并被夹持在左右夹钳之间，左右张力液压缸对轧件施加张力，采用低电压大电流的电阻加热方式对两个夹钳之间的轧件通电加热，轧制过程中两个张力液压缸保持恒张力，轧件保持恒温。

现有轧件加热方法分为两种：单变压器加热和双变压器加热。

(1)单变压器加热方式是将左、右两个夹钳作为两个电极，采用一个变压器对这两个电极通电，对夹持在左、右夹钳之间的轧件进行加热。这种方法优点是加热时温轧机辊缝可以打开，缺点是只能在温轧机停车后对轧件加热，无法在轧制过程中对其加热，不利于保证金属薄板的温度均匀性。原因是轧制过程中温轧机出口侧部分的轧件厚度要小于温轧机入口侧部分的轧件厚度，由于轧件厚度越小电阻越大，如果对左右夹钳通电，最终得到加热的部分则会是轧件的温轧机出口侧部分，即无效加热，而真正需要加热的部分应该是温轧机入口侧部分。当轧件一道次轧制完成后，温轧机停车，此时轧件的有效变形区厚度一致，通电加热是有效的。

(2)双变压器加热方法是在轧辊末端安装电刷，使轧辊作为一个电极，左、右夹钳作为另外两个电极，采用两个变压器在左夹钳和轧辊之间、右夹钳和轧辊之间形成两个独立的回路，分别对轧件在左夹钳和轧辊之间的部分、右夹钳和轧辊之间的部分单独加热，且这两部分可实现单独温度闭环控制，能够满足轧件在轧制过程中时刻保持在线加热状态。这种方法要求温轧机辊缝始终闭合，对轧件保持一定的压力使轧辊和轧件充分接触，用于导电。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种液压张力温轧机金属轧件的温度控制方法，以达到满足金属薄带在轧制过程中保持温度均匀性的目的。

一种液压张力温轧机金属轧件的温度控制方法，包括以下步骤：

步骤1、采集轧件左侧和右侧的实际温度值；

步骤2、根据设定的温度值，采用PID控制算法获得液压张力温轧机调功装置的反馈控制量；

步骤3、根据测量获得所要加热轧件的长度，并根据原料厚度获得所要加热轧件的厚度；

步骤4、根据轧件的材料属性、尺寸和温度获得用于加热轧件的内能和用于弥补轧件热辐射造成的热损，进一步获得满足轧件加热所需要的电功率；

步骤5、根据所获电功率获得液压张力温轧机调功装置的前馈控制量；

步骤6、将液压张力温轧机调功装置的反馈控制量与前馈控制量相加，获得调功装置总控制量，完成轧件的温度控制。

步骤2所述的设定的温度值采用阶梯式温度设定方法。

步骤3所述的根据原料厚度获得所要加热轧件的厚度，具体公式如下：

其中，h_m(n)表示第n时刻，轧件在第m道次的温轧机出口厚度；表示第m道次第n时刻的温轧机左侧轧件有效变形区长度；表示第m道次第n-i时刻的温轧机左侧轧件有效变形区长度，i取值为大于1的整数；表示第n时刻的温轧机右侧轧件有效变形区长度；表示第n-i时刻的温轧机右侧轧件有效变形区长度；表示轧件在第m-1道次的温轧机出口厚度平均值，当m-1＝0时，H表示原料厚度。

步骤4所述的根据轧件的材料属性、尺寸和温度获得用于加热轧件的内能和用于弥补轧件热辐射造成的热损，具体公式如下：

计算用于加热轧件的内能公式如下：

其中，ρ_g表示轧件密度，kg/m³；表示第n时刻的温轧机右侧轧件有效变形区长度；表示轧件在第m-1道次的温轧机出口厚度平均值，当m-1＝0时，H表示原料厚度；W表示轧件宽度，mm；c表示平均比热容，J/kg·K；T_sample表示轧件温度，K；t表示时间，s；

计算用于弥补轧件热辐射造成的热损公式如下：

其中，ε表示轧件的辐射系数；σ表示玻尔兹曼常数。

步骤4所述的进一步获得满足轧件加热所需要的电功率，即将用于加热轧件的内能与用于弥补轧件热辐射造成的热损相加求和。

步骤4所述的根据所获电功率获得液压张力温轧机调功装置的前馈控制量，公式如下：

其中，P_m(n)表示满足轧件加热所需要的电功率，P_max表示变压器额定功率，kW；表示变压器功率因数；η_m-1表示第m-1道次的加热效率。

所述的加热功率采用自学习算法随轧件尺寸变化而变化，具体公式如下：

其中，η_m表示第m道次的加热效率；P_m(n)表示满足轧件加热所需要的电功率；表示轧件温度达到目标值并保温时总控制量的稳态输出值；P_max表示变压器额定功率，kW；表示变压器功率因数。

本发明优点：

本发明提出一种液压张力温轧机金属轧件的温度控制方法，本发明采用的是双变压器加热方法。由于轧制过程中被加热的轧件长度和厚度不断变化导致其电阻的不断变化，单纯的PID温度控制器无法满足这种复杂状况下的温度控制精度要求，需要设计特殊的前馈控制器和采用特殊的控制手段实现温度控制；本发明与传统的单变压器加热方式相比，避免出现轧制过程中通电导致的无效加热的弊端，通过对轧件长度和厚度计算，采用前馈控制器和反馈控制器组合的方式实现了轧制过程中的轧件加热和温度控制，完全能够满足轧件，特别是金属薄带在轧制过程中保持温度均匀性的要求。

附图说明

图1为本发明的一种实施例的液压张力温轧机的轧件加热方法的工作原理图；

图2为本发明的一种实施例的轧辊导电装置结构示意图；

图3为本发明的一种实施例的液压张力温轧机金属轧件的温度控制方法流程图；

图4为本发明的一种实施例的温度控制器结构示意图；

图5为本发明的一种实施例的阶梯温度设定示意图；

图中，1-左位移传感器，2-左张力液压缸，3-左夹钳，4-左接触式测温仪，5-支撑辊，6-工作辊，7-右接触式测温仪，8-轧件，9-右夹钳，10-右张力液压缸，11-右位移传感器，12-左变压器，13-左调功装置，14-左变压器电缆，15-右变压器电缆，16-右调功装置，17-右变压器，18-安装板，19-电刷，20-铜套，21-导电铜板，22-轧件基本参数；23-设定温度，24-实测温度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。

本发明实施例中，如图1和图2所示，液压张力温轧机主要包括：温轧机本体，主要由轧机牌坊、支撑辊5、工作辊6、压下液压缸、主电机、传动轴等组成；在轧机左右两侧分别布置左张力液压缸2和右张力液压缸10，左张力液压缸2中安装左位移传感器1，右张力液压缸10中安装右位移传感器11，位移传感器用于测量轧制过程中轧件8有效变形区的长度和轧件的运行速度；左夹钳3与左张力液压缸2连接，右夹钳9与右张力液压缸10连接，用于夹持轧件；在左夹钳3侧面安装导电铜排，采用电缆14与左变压器12副侧的一端相连；在右夹钳9侧面安装导电铜排，采用电缆15与右变压器17副侧的一端相连；轧辊导电装置安装在支撑辊5的一端，由安装板18、电刷19、铜套20和导电铜板21组成，铜套20采用热装的方式安装在支撑辊5传动侧的出轴，调整电刷19位置使之与铜套20压紧，导电铜板21和电刷19由安装板18固定在支撑辊5传动侧轴承座上，采用电缆(14，15)将导电铜板21与左变压器12和右变压器17副侧的一端相连。控制系统通过左调功装置13控制左变压器12的输出功率，通过右调功装置16控制右变压器17的输出功率。

本发明实施例中，液压张力温轧机金属轧件的温度控制方法，方法流程图如图3和图4所示，包括以下步骤：

步骤1、采集轧件左侧和右侧的实际温度值；

本发明实施例中，在温轧机左侧安装左接触式测温仪4，右侧安装右接触式测温仪7；测温时，接触式测温仪(4，7)落下，热电偶测温弹簧片压紧轧件，可以精确测量轧件的实际温度；轧件移动时，接触式测温仪(4，7)可以在轧件上滑动继续测量；根据张力液压缸(2，10)的位移传感器(1，11)判断夹钳(3，9)位置，在左夹钳3到达左接触式测温仪4之前，左接触式测温仪4自动抬起避让左夹钳3，在右夹钳9到达右接触式测温仪7之前，右接触式测温仪7自动抬起避让右夹钳9；

步骤2、根据设定的温度值，采用PID控制算法获得液压张力温轧机调功装置的反馈控制量；

本发明实施例中，由于温轧时，只需要对轧件的温轧机入口侧部分加热，左调功装置13和右调功装置16型号相同而且不同时工作，控制系统的反馈控制器采用1个PID控制器即可实现对轧件在温轧机左、右部分的温度控制；向左轧制时，PID控制器的输入信号为轧件设定温度和右接触式测温仪7的实测温度的偏差，反馈控制量通过模拟量输出模板控制右调功装置16；向右轧制时，PID控制器的输入信号为轧件设定温度和左接触式测温仪4的实测温度的偏差，反馈控制量通过模拟量输出模板控制左调功装置13；当接触式测温仪需要抬起时，PID控制器锁定输出值。

本发明实施例中，为提高温度控制的稳态精度，温度设定采用阶梯式温度设定法；温度设定采用阶梯式温度设定法，如图5所示，首先温度PID控制器的温度设定值为T1，当实际温度T到达T1之后，PID控制器的温度设定值变为T2，当实际温度T到达T2后，最终温度设定值T3变为PID控制器的温度设定值；当接触式测温仪需要抬起时，PID控制器锁定输出值；

步骤3、根据测量获得所要加热轧件的长度，并根据原料厚度获得所要加热轧件的厚度；

本发明实施例中，轧制过程中，根据左位移传感器和右位移传感器的测量值，计算第m道次第n时刻的温轧机左侧轧件有效变形区长度记为第n时刻的温轧机右侧轧件有效变形区长度记为

已知原料厚度为H，第m道次的轧件厚度计算如下：

其中，h_m(n)表示第n时刻，轧件在第m道次的温轧机出口厚度；表示第m道次第n时刻的温轧机左侧轧件有效变形区长度；表示第m道次第n-i时刻的温轧机左侧轧件有效变形区长度，i取值为大于1的整数；表示第n时刻的温轧机右侧轧件有效变形区长度；表示第n-i时刻的温轧机右侧轧件有效变形区长度；表示轧件在第m-1道次的温轧机出口厚度平均值，当m-1＝0时，H表示原料厚度；i选取合适数值用于保证公式(1)的分母取值大于20mm，即或

步骤4、根据轧件的材料属性、尺寸和温度获得用于加热轧件的内能和用于弥补轧件热辐射造成的热损，进一步获得满足轧件加热所需要的电功率；

本发明实施例中，以硅钢为例，升温速率为15K/s，升温段电加热功率如表1所示；

ε＝0.78，ρ_g＝7800kg/m³，轧件有效变形区尺寸：l×w×δ为0.6×0.22×0.002m，比热容c与轧件温度有关。

表1硅钢加热电功率

计算用于加热轧件的内能公式如下：

其中，ρ_g表示轧件密度，kg/m³；表示第n时刻的温轧机右侧轧件有效变形区长度；表示轧件在第m-1道次的温轧机出口厚度平均值，当m-1＝0时，H表示原料厚度；W表示轧件宽度，mm；c表示平均比热容，J/kg·K；T_sample表示轧件温度，K；t表示时间，s；

计算用于弥补轧件热辐射造成的热损公式如下：

其中，ε表示轧件的辐射系数；σ表示玻尔兹曼常数，取值为5.67×10^-8w/m²·K⁴。

将用于加热轧件的内能与用于弥补轧件热辐射造成的热损相加求和获得满足轧件加热所需要的电功率，具体公式如下：

本发明实施例中，以同样的升温速率和轧件尺寸，计算镁合金薄板升温段电加热功率如表2所示。ε＝0.4，ρ_g＝1820kg/m³。

表2镁合金加热电功率

步骤5、根据所获电功率获得液压张力温轧机调功装置的前馈控制量，公式如下：

其中，P_m(n)表示满足轧件加热所需要的电功率，P_max表示变压器额定功率，kW；表示变压器功率因数；η_m-1表示第m-1道次的加热效率，η₀取值为0.7左右。

本发明实施例中，每轧制一个道次，轧件尺寸发生变化均导致轧件电阻发生变化，每一道次的加热效率也会随之改变，因此在每道次温轧机停车加热时，轧件温度达到目标值并保温期间，对加热效率进行自学习计算，当前道次的加热效率计算值在下一道次的温度前馈控制中使用；具体加热效率自学习算法为：

其中，η_m表示第m道次的加热效率；P_m(n)表示满足轧件加热所需要的电功率；表示轧件温度达到目标值并保温时总控制量的稳态输出值；P_max表示变压器额定功率，kW；表示变压器功率因数，为变压器出厂时的固定参数，取值在0.6～0.9之间。

步骤6、将液压张力温轧机调功装置的反馈控制量与前馈控制量相加，获得调功装置总控制量，完成轧件的温度控制。

本发明实施例中，左调功装置13和右调功装置16的总控制量U_m(n)通过模拟量输出模板，由控制系统对其进行调节，完成轧件在温轧过程中的温度闭环控制；

U_m(n)的计算公式如下：

式中，为反馈控制器输出值，取值范围为-0.2～0.2，表示控制量从-20％至20％；为前馈控制器的输出值，取值范围为0～0.8，表示控制量从0至80％。

Claims (6)

1.一种液压张力温轧机金属轧件的温度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、采集轧件左侧和右侧的实际温度值；

步骤2、根据设定的温度值，采用PID控制算法获得液压张力温轧机调功装置的反馈控制量；

步骤3、根据测量获得所要加热轧件的长度，并根据原料厚度获得所要加热轧件的厚度；

步骤4、根据轧件的材料属性、尺寸和温度获得用于加热轧件的内能和用于弥补轧件热辐射造成的热损，进一步获得满足轧件加热所需要的电功率；

步骤5、根据所获电功率获得液压张力温轧机调功装置的前馈控制量；

步骤6、将液压张力温轧机调功装置的反馈控制量与前馈控制量相加，获得调功装置总控制量，完成轧件的温度控制。

2.根据权利要求1所述的液压张力温轧机金属轧件的温度控制方法，其特征在于，步骤2所述的设定的温度值采用阶梯式温度设定方法。

3.根据权利要求1所述的液压张力温轧机金属轧件的温度控制方法，其特征在于，步骤3所述的根据原料厚度获得所要加热轧件的厚度，具体公式如下：

其中，h_m(n)表示第n时刻，轧件在第m道次的温轧机出口厚度；表示第m道次第n时刻的温轧机左侧轧件有效变形区长度；表示第m道次第n-i时刻的温轧机左侧轧件有效变形区长度，i取值为大于1的整数；表示第n时刻的温轧机右侧轧件有效变形区长度；表示第n-i时刻的温轧机右侧轧件有效变形区长度；表示轧件在第m-1道次的温轧机出口厚度平均值，当m-1＝0时，H表示原料厚度。

4.根据权利要求1所述的液压张力温轧机金属轧件的温度控制方法，其特征在于，步骤4所述的根据轧件的材料属性、尺寸和温度获得用于加热轧件的内能和用于弥补轧件热辐射造成的热损，具体公式如下：

计算用于加热轧件的内能公式如下：

$P_m^1\left(n\right)={\mathrm{\ρ}}_g\·L_m^R\left(n\right)\·{\stackrel{\‾}{h}}_{m-1}\·W\·c\·\frac{{\mathrm{dT}}_{sample}}{dt}---\left(2\right)$

其中，ρ_g表示轧件密度，kg/m³；表示第n时刻的温轧机右侧轧件有效变形区长度；表示轧件在第m-1道次的温轧机出口厚度平均值，当m-1＝0时，H表示原料厚度；W表示轧件宽度，mm；c表示平均比热容，J/kg·K；T_sample表示轧件温度，K；t表示时间，s；

计算用于弥补轧件热辐射造成的热损公式如下：

$P_m^2\left(n\right)=2\·L_m^R\left(n\right)\·W\·\mathrm{\ϵ}\·\mathrm{\σ}\·T_{sample}^4---\left(3\right)$

其中，ε表示轧件的辐射系数；σ表示玻尔兹曼常数；

步骤4所述的进一步获得满足轧件加热所需要的电功率，即将用于加热轧件的内能与用于弥补轧件热辐射造成的热损相加求和。

5.根据权利要求1所述的液压张力温轧机金属轧件的温度控制方法，其特征在于，步骤5所述的根据所获电功率获得液压张力温轧机调功装置的前馈控制量，公式如下：

其中，为前馈控制器的输出值，P_m(n)表示满足轧件加热所需要的电功率，P_max表示变压器额定功率，kW；表示变压器功率因数；η_m-1表示第m-1道次的加热效率。

6.根据权利要求5所述的液压张力温轧机金属轧件的温度控制方法，其特征在于，所述的加热功率采用自学习算法随轧件尺寸变化而变化，具体公式如下：

其中，η_m表示第m道次的加热效率；P_m(n)表示满足轧件加热所需要的电功率；表示轧件温度达到目标值并保温时总控制量的稳态输出值；P_max表示变压器额定功率，kW；表示变压器功率因数。