CN1857829A - 簿带连铸带厚控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及薄带连铸工艺中的带厚控制方法和装置。本发明采用前馈和反馈相结合的方法，通过建立适合薄带连铸小轧制力带厚控制模型，当轧制力波动较大时，通过轧制力一速度控制器计算出下一时刻的速度量，作为输入量给结晶辊驱动电机，调节下一时刻结晶辊的速度来调节轧制力，实现闭环控制；利用铸带出口处的测厚仪实测的带厚波动，并在带厚/辊缝计算模块中计算出实际的辊缝波动，该波动与轧制力波动引起辊缝差作为输入信号，通过液压伺服机构实现辊缝的变化，完成带厚的闭环控制。本发明通过对轧制力、辊缝变化的控制，实现带厚的控制，响应速度快，易于实现。

Description

薄带连铸带厚控制方法和装置

(一)技术领域

本发明涉及薄带连铸工艺中的带厚控制方法和装置。

(二)背景技术

薄带连铸主要形式之一是钢水经过高速旋转的结晶辊，并在轧制力的作用下凝固成2-5mm铸带。目前薄带连铸生产的基本工艺过程是：薄带连铸机(双辊、单辊、轮带式)—密闭室—活套—夹送辊—热轧(单机架或两机架或无)—控冷—卷取。钢水从钢包经过长水口、中间包和浸入式水口进入旋转的水冷结晶辊与侧封板形成的熔池内，经过水冷结晶辊的冷却形成铸带，通过摆动导板、夹送辊将铸带送至铸带输送辊道，经过热轧机，喷淋冷却，飞剪直至卷取机。该工艺生产的铸带直接冷轧或经过热轧后冷轧成产品，这要求铸带厚度公差小，要满足冷轧要求。因此铸带的厚度是板带钢最主要的尺寸质量指标之一。

传统的轧钢原理中，带钢的厚度h与预调辊缝值S₀和轧机弹跳值ΔS之间的关系可用弹跳方程描述。

         h＝S₀+ΔS＝S₀+P/K_m

斜率K_m称为轧机刚度，表征轧机产生单位弹跳量所需的轧制压力。根据弹跳方程，钢实际轧出厚度主要取决于S₀、K_m和P这三个因素。凡是影响轧制压力、原始辊缝、油膜厚度等的因素都将影响实际铸带的厚度。

薄带连铸的工艺过程与轧钢工艺有很大的区别，这主要体现在：

(1)薄带连铸是以凝固为主，轧制力很小，只有几吨。而轧机的轧制力是几百吨，上千吨。

(2)结晶辊是水冷空心辊，系统控制中预压靠力小，最大几十吨，预紧力无法完全消除机械间隙，是非弹性变化。

(3)生产过程轧制力是反馈信号，而不是给定信号量。即通过控制凝固过程的Kiss点的位置来控制轧制力。

由于结晶辊是铸机不是轧机，系统的压靠力小，机械间隙不能消除，因此，轧制力增加和减小时，曲线不重合，即不是弹性变形。因此上述的弹跳方程不能直接应用，必须建立薄带连铸工艺小轧制力情况下的带厚控制模型和控制方法。

另外，在浇注过程中，一方面，工艺参数如浇铸温度、液位、速度等也不稳定，这些工艺的变化都会导致浇注过程中轧制力发生变化时，轧制力变化会导致辊缝变化，从而带厚也会波动；另一方面，在浇注过程中机架、结晶辊、轴承、轴承座、压头等变形、以及结晶辊热膨胀、磨损和安装过程中心线偏差等因素都会影响铸带的实际厚度。

目前在轧机上普遍使用的带厚控制方法主要有反馈式、厚度计式、前馈式、张力式、液压式等厚度自动控制系统。这些控制方法都是基于轧机弹性变形的弹跳方程的基础上建立的控制模型。CN1248190A和US6408222B1是一种双辊薄带连铸控制带材厚度的和装置，其主要解决的是由于固定辊和移动辊偏心引起的误差消除方法，其主要的装置是在辊径上安装位移传感器，控制偏心引起的辊缝偏差。US6,536,506B2是一种薄带连铸带厚控制方法，该方法主要是使铸带的凝固末端低于两辊最近点，使轧制力降低，通过调节速度的变化，控制轧制力，从而生产稳定的铸带。该方法主要的问题是铸带凝固末端低于两辊最近点容易发生漏钢，而且生产中速度太快，100m/min，系统响应必须快，控制滞后且精度低。CN1265345A是一种解决结晶辊变形(如椭圆)引起的厚度波动。由于结晶辊变形引起的周期性的辊缝变化，会形成周期性的带厚波动，因此采用X射线扫描仪检测的厚度周期性的变化，通过周期性的改变施加速度变化曲线解决辊缝变化。发表在6th IEEE Industril sysposium on Industrial Electronics的文献“Control Problem and solution in the steady state in the strip castingprocess”提出了一种薄带连铸带厚的控制方法，该方法主要用于稳定阶段，是理想状态而且是通过轧制力—速度控制模型进行控制。上述专利的实质是通过改变速度，解决周期性的、有规律的辊缝变化，从而解决带厚的均匀性问题。但在生产实际中，开浇阶段，浇注阶段，温度、液面等等工艺和设备都会不稳定，从而导致带厚不均匀。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种薄带连铸带厚控制方法和装置，它采用前后反馈相结合的控制方法，考虑工艺参数的变化和机械变形对带厚的影响，在生产中动态地控制辊缝，以保证生产厚度均匀的铸带。该方法响应速度快，易于实现。

本发明是这样实现的：一种薄带连铸带厚控制方法，是对水平平行，且旋转方向相反的一个固定辊、一个移动辊的水冷结晶辊之间形成的缝隙进行控制，钢水从缝隙中经过水冷结晶辊凝固成一定厚度的铸带，其特征是所述薄带连铸带厚控制方法是对轧制力、辊缝的前馈控制和带厚的后馈控制来实现的，装在固定辊侧的压力传感器将检测到的轧制力信号送至轧制力寄存器，在铸带输出端装有带厚测厚仪，当轧制力波动时，经轧制力比较器比较，

若：|P_i-P_i-1|≥P₀

式中：P_i-当前时刻实测的轧制力，

      P_i-1-前一时刻实测的轧制力，

      P₀-预轧制力，

通过轧制力-速度控制器计算出速度量以调节下一时刻结晶辊的速度，实现闭环控制；

若：|P_i-P_i-1|＜P₀

通过辊缝计算模块按式(1)计算出辊缝的变化：

$\mathrm{\Δ}{S}_P=\frac{\mathrm{\Δ}{P}_i}{K_{\mathrm{mj}}}=\frac{P_i-P_{i-1}}{K_{\mathrm{mj}}}---\left(1\right)$

式中：K_mj-刚度系数，j＝1，2，

当P_i-P_i-1＞0，K_mj中j取1，即K_m1为轧制力增加时刚度系数，

当P_i-P_i-1＜0，K_mj中j取2，即K_m2为轧制力减少时刚度系数，装在铸带输出端的带厚测厚仪检测的数据输入带厚寄存器，当带厚波动时，经带厚-辊缝计算模块按式(2)计算出总的辊缝变化：

$\mathrm{\ΔS}=\mathrm{\Δh}-\frac{2(P_a-P_0)}{K_{m1}+K_{m2}}+\frac{K_{m2}-K_{m1}}{2K_{m1}\·K_{m2}}{P}_a+(\frac{B}{2K_{m2}}-\frac{A}{2K_{m1}})---\left(2\right)$

式中：ΔS-总的辊缝变化量，

      Δh-实测带厚变化量，

      A、B-经验系数，

      P_a-目标轧制力，

由设备等原因引起的辊缝变化量的计算可由式(3)得到，

ΔS_m＝ΔS-ΔS_p                    (3)

通过将总的辊缝波动与轧制力波动引起的辊缝差ΔS_m作为输入信号，通过液压伺服机构实现对辊缝的闭环控制。

上述的薄带连铸带厚控制方法，所述轧制力-速度控制器由式(4)计算出下一时刻的速度量，

V_i+1＝C(P_i-P_i-1)+V_i+D             (4)

式中：V_i+1-下一时刻结晶辊的转速，

      V_i-当前时刻结晶辊的转速，

      C、D-经验系数，根据不同的钢种的生产工艺确定，

该速度量作为输入量给结晶辊驱动电机，调节下一时刻结晶辊的速度，实现闭环控制。

实现上述的薄带连铸带厚控制方法的装置，包括一对水平平行，且旋转方向相反的一个固定辊、一个移动辊的水冷结晶辊，固定辊和移动辊座在轴承座上，分别经联轴器与驱动电机相连接，钢水从固定辊和移动辊之间的缝隙中经过水冷结晶辊凝固成一定厚度的铸带，其特征是移动辊轴承座连接液压伺服机构，位移传感器连接在轴承座上检测辊缝变化，固定辊轴承座连接压力传感器，在铸带出口处设置有带厚测厚仪，电气控制装置包括轧制力寄存器、轧制力比较器、辊缝计算模块、轧制力-速度控制器、带厚寄存器、带厚波动计算模块、带厚-辊缝计算模块、辊缝变化量计算器，压力传感器接轧制力寄存器，寄存器输出接轧制力比较器，轧制力比较器从寄存器单元中读取当前轧制力和前一时刻的轧制力后经比较，输出分别接轧制力-速度控制器和轧制力引起的辊缝计算模块，轧制力-速度控制器输出接驱动电机，辊缝计算模块输出接辊缝变化量计算器，带厚测厚仪输出接带厚寄存器，带厚寄存器接带厚波动计算模块，带厚波动计算模块从寄存器单元中读取当前带厚和前一时刻的带厚后经比较，输出接带厚-辊缝计算模块，带厚-辊缝计算模块输出接辊缝变化量计算器，辊缝变化量计算器通过对实际的辊缝波动与轧制力波动引起辊缝差的计算，输出接液压伺服机构，实现辊缝的调节控制。

本发明采用前馈和反馈相结合的方法，通过建立适合薄带连铸小轧制力带厚控制模型，当轧制力波动较大时，通过轧制力—速度(P/V)控制器计算出下一时刻的速度量，作为输入量给结晶辊驱动电机，调节下一时刻结晶辊的速度来调节轧制力，实现闭环控制；利用铸带出口处的测厚仪实测的带厚波动，并在带厚/辊缝计算模块中计算出实际的辊缝波动，该波动与轧制力波动引起辊缝差作为输入信号，通过液压伺服机构实现辊缝的变化，完成带厚的闭环控制。本发明考虑了工艺变化和其它设备变形等对带厚的影响，利用比例积分微分控制器对带厚进行在线控制；通过辊缝的变化，而不是速度的变化，实现带厚的控制，该方法响应速度快，易于实现。

(四)附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为本发明薄带连铸带厚控制方法的示意图；

图2为薄带连铸带厚控制装置示意图。

图中：1固定辊，2移动辊，3轴承座，4液压伺服机构，5联轴器，6电机，7压力传感器，8位移传感器，9熔池，10铸带，11带厚测厚仪，12轧制力控制器，13带厚控制器，14辊缝控制器。

(五)具体实施方式

参见图1、图2，薄带连铸带厚控制方法，是对一对水平平行，且旋转方向相反的一个固定辊1、一个移动辊2的水冷结晶辊辊子之间形成的缝隙进行控制，钢水从缝隙中经过水冷结晶辊凝固成一定厚度的铸带10，所述薄带连铸带厚控制方法是对固定辊2的轧制力控制、对带厚和辊缝的控制。

本发明是通过如下步骤来实现的：

在生产浇铸前，必须对结晶辊的刚度进行测试。由于液压缸4与轴承座3之间是机械连接，存在机械间隙，而且轴承座3油膜、压力传感器7与固定辊1的连接以及机架的变形等使得整个系统都存在不可避免的机械间隙。对于薄带连铸工艺，由于结晶辊是水平放置，轧制力也是水平方向，而且由于结晶辊是中空水冷，压靠时的压下力只有几十吨，无法消除机械间隙。本发明采用增、减轧制力压靠法来确定。在冷态时空载条件下，通过液压执行机构4移动移动辊2向固定辊1压靠，并通过压力传感器7记录压力值，压靠力从小逐渐增加，通过压力传感器7和位移传感器8上分别记录压力值和位移值。将测试点进行线性回归处理，得到曲线1方程：

                     P＝K_m1h+A

通过液压执行机构逐渐减小压靠力，使压靠力从大到小逐渐减少到0吨，记录压力传感器7和位移传感器8上的值，将测试点进行线性回归处理，得到曲线2方程：

                     P＝K_m2h+B

通过这样的方法，确定K_m1、K_m2、A、B系数，并将结果存储在计算机内。

浇注开始时，钢水注入到结晶辊熔池9中，在结晶辊1、2的冷却作用下，钢水凝固成坯壳，从结晶辊1、2中拉出铸带10。当浇铸温度、速度等工艺参数发生变化后，必然会使铸带10的凝固过程发生变化，体现在轧制力的变化上。此时压力传感器7检测到的压力信号会发生变化。将压力传感器7检测到的压力信号实时传输到轧制力寄存器121中，从寄存器121中读取当前时刻和前一时刻的压力传感器7实测到的轧制力在轧制力比较器122进行比较，若轧制力的波动在某一范围内，即：

                    |P_i-P_i-1|＜P₀

则，在工艺变化引起的辊缝变化的控制器12中根据如下模型计算：

${\mathrm{\ΔS}}_p=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_i}{K_{\mathrm{mj}}}=\frac{P_i-P_{i-1}}{K_{\mathrm{mj}}}---\left(1\right)$

P_i-任一时刻实测的轧制力；

P_i-1-前一时刻实测的轧制力；

K_mj-刚度系数；j＝1，2；K_m1和K_m2分别为轧制力增加和轧制力减少时的刚度系数，由线性回归确定。

当P_i-P_i-1＞0；K_mj中j取1，即K_m1为轧制力增加时刚度系数；

当P_i-P_i-1＜0；K_mj中j取2，即K_m2为轧制力减少时刚度系数；

当前时刻轧制力P_i与前一时刻实测的轧制力P_i-1进行比较，如果轧制力增加，则取轧制力增加时的刚度系数K_m1，并将该系数代入公式(1)中，计算辊缝的变化值；若任一时刻压力传感器7实测到的轧制力P_i+1与上一时刻实测的轧制力P_i进行比较，轧制力减小，则取轧制力减小时的刚度系数K_m2代入公式(1)中计算辊缝的变化量。K_mj根据线性回归方法确定。当轧制力的波动超过一定的范围，即：

                    |P_i-P_i-1|≥P₀

则由轧制力-速度控制器124，根据公式(4)计算出速度量，作为输入量给结晶辊驱动电机6，调节下一时刻结晶辊1、2的速度，实现闭环控制。

            V_i+1＝C(P_i-P_i-1)+V_i+D     (4)

C、D-经验系数，根据不同的钢种的生产工艺确定。

由设备热变形以及其它原因的引起的带厚波动的控制由带厚寄存器131、带厚波动计算模块132、带厚/辊缝计算模块133、由设备等原因引起的辊缝变化量计算器14等单元完成。其主要的原理是后反馈的原理，即利用测厚仪11实测的带厚波动，并在带厚-辊缝计算模块133中根据公式(2)计算出实际的辊缝波动，

$\mathrm{\ΔS}=\mathrm{\Δh}-\frac{2(P_a-P_0)}{K_{m1}+K_{m2}}+\frac{K_{m2}-K_{m1}}{2K_{m1}\·K_{m2}}{P}_a+(\frac{B}{2K_{m2}}-\frac{A}{2K_{m1}})---\left(2\right)$

该波动是总的辊缝波动，将其与轧制力波动引起辊缝差，由公式(3)得到，

           ΔS_m＝ΔS-ΔS_p          (3)

通过将总的辊缝波动与轧制力波动引起的辊缝差ΔS_m作为输入信号，由液压伺服机构4实现辊缝的变化，完成带厚的在线动态控制。

薄带连铸带厚控制装置，包括一对水平平行，且旋转方向相反的一个固定辊1、一个移动辊2的水冷结晶辊，固定辊1和移动辊2座在轴承座3上，分别经联轴器5与驱动电机6相连接。钢水从固定辊1和移动辊2之间的缝隙中经过水冷结晶辊凝固成一定厚度的铸带10，移动辊轴承座3连接液压伺服机构4，位移传感器8连接在轴承座3上检测辊缝变化。固定辊轴承座3连接压力传感器7，在铸带10出口处设置有带厚测厚仪11。薄带连铸带厚的电气控制装置包括轧制力寄存器121、轧制力比较器122、辊缝计算模块123、轧制力-速度控制器124、带厚寄存器131、带厚波动计算模块132、带厚-辊缝计算模块133、辊缝变化量计算器14。轧制力控制器12包括轧制力寄存器121、轧制力比较器122、辊缝计算模块123、轧制力-速度控制器123；带厚控制器13包括带厚寄存器131、带厚波动计算模块132、带厚-辊缝计算模块133；辊缝控制器14为辊缝变化量计算器。压力传感器7接轧制力寄存器121，轧制力寄存器121输出接轧制力比较器122，轧制力比较器122从寄存器121单元中读取当前轧制力和前一时刻的轧制力后经比较，输出分别接轧制力-速度控制器124和轧制力引起的辊缝计算模块123，轧制力-速度控制器124输出接驱动电机6，辊缝计算模块123输出接辊缝变化量计算器14。带厚测厚仪11输出接带厚寄存器131，带厚寄存器131接带厚波动计算模块132，带厚波动计算模块132从寄存器131单元中读取当前带厚和前一时刻的带厚后经比较，输出接带厚-辊缝计算模块133。带厚-辊缝计算模块133输出接辊缝变化量计算器14，辊缝变化量计算器14通过对实际的辊缝波动与轧制力波动引起辊缝差ΔS_m的计算，输出接液压伺服机构4，实现辊缝的调节控制。

Claims (3)

1.一种薄带连铸带厚控制方法，是对水平平行，且旋转方向相反的一个固定辊、一个移动辊的水冷结晶辊之间形成的缝隙进行控制，钢水从缝隙中经过水冷结晶辊凝固成一定厚度的铸带，其特征是所述薄带连铸带厚控制方法是对轧制力、辊缝的前馈控制和带厚的后馈控制来实现的，装在固定辊侧的压力传感器将检测到的轧制力信号送至轧制力寄存器，在铸带输出端装有带厚测厚仪，当轧制力波动时，经轧制力比较器比较，

若：|P_i-P_i-1|≥P₀

式中：P_i-当前时刻实测的轧制力，

P_i-1-前一时刻实测的轧制力，

P₀-预轧制力，

通过轧制力-速度控制器计算出速度量以调节下一时刻结晶辊的速度，实现闭环控制；

若：|P_i-P_i-1|＜P₀

通过辊缝计算模块按式(1)计算出辊缝的变化：

$\mathrm{\Δ}{S}_p=\frac{\mathrm{\Δ}{P}_i}{K_{\mathrm{mj}}}=\frac{P_i-P_{i-1}}{K_{\mathrm{mj}}}---\left(1\right)$

式中：K_mj-刚度系数，j＝1，2，

当P_i-P_i-1＞0，K_mj中j取1，即K_m1为轧制力增加时刚度系数，

当P_i-P_i-1＜0，K_mj中j取2，即K_m2为轧制力减少时刚度系数，

装在铸带输出端的带厚测厚仪检测的数据输入带厚寄存器，当带厚波动时，经带厚-辊缝计算模块按式(2)计算出总的辊缝变化：

$\mathrm{\ΔS}=\mathrm{\Δh}-\frac{2(P_a-P_0)}{K_{m1}+K_{m2}}+\frac{K_{m2}-K_{m1}}{2K_{m1}\·K_{m2}}{P}_a+(\frac{B}{2K_{m2}}-\frac{A}{2K_{m1}})---\left(2\right)$

式中：ΔS-总的辊缝变化量，

Δh-实测带厚变化量，

A、B-经验系数，

P_a-目标轧制力，

由设备等原因引起的辊缝变化量的计算可由式(3)得到，

ΔS_m＝ΔS-ΔS_p                     (3)

通过将总的辊缝波动与轧制力波动引起的辊缝差ΔS_m作为输入信号，通过液压伺服机构实现对辊缝的闭环控制。

2.根据权利要求1所述的薄带连铸带厚控制方法，其特征是轧制力-速度控制器由式(4)计算出下一时刻的速度量，

V_i+1＝C(P_i-P_i-1)+V_i+D              (4)

式中：V_i+1-下一时刻结晶辊的转速，

V_i-当前时刻结晶辊的转速，

C、D-经验系数，根据不同的钢种的生产工艺确定，

该速度量作为输入量给结晶辊驱动电机，调节下一时刻结晶辊的速度，实现闭环控制。

3.一种实现权利要求1或2所述的薄带连铸带厚控制方法的装置，包括一对水平平行，且旋转方向相反的一个固定辊、一个移动辊的水冷结晶辊，固定辊和移动辊座在轴承座上，分别经联轴器与驱动电机相连接，钢水从固定辊和移动辊之间的缝隙中经过水冷结晶辊凝固成一定厚度的铸带，其特征是移动辊轴承座连接液压伺服机构，位移传感器连接在轴承座上检测辊缝变化，固定辊轴承座连接压力传感器，在铸带出口处设置有带厚测厚仪，电气控制装置包括轧制力寄存器、轧制力比较器、辊缝计算模块、轧制力-速度控制器、带厚寄存器、带厚波动计算模块、带厚-辊缝计算模块、辊缝变化量计算器，压力传感器接轧制力寄存器，寄存器输出接轧制力比较器，轧制力比较器从寄存器单元中读取当前轧制力和前一时刻的轧制力后经比较，输出分别接轧制力-速度控制器和轧制力引起的辊缝计算模块，轧制力-速度控制器输出接驱动电机，辊缝计算模块输出接辊缝变化量计算器，带厚测厚仪输出接带厚寄存器，带厚寄存器接带厚波动计算模块，带厚波动计算模块从寄存器单元中读取当前带厚和前一时刻的带厚后经比较，输出接带厚-辊缝计算模块，带厚-辊缝计算模块输出接辊缝变化量计算器，辊缝变化量计算器通过对实际的辊缝波动与轧制力波动引起辊缝差的计算，输出接液压伺服机构，实现辊缝的调节控制。