袁敏，田勇

(寶山鋼鐵股份有限公司不銹鋼分公司熱軋廠，上海200431)

[摘要] 數(shù)學(xué)模型是熱連軋過程系統(tǒng)中的關(guān)鍵控制核心，其參數(shù)設(shè)定的優(yōu)劣將直接關(guān)系到產(chǎn)品的尺寸精度和生產(chǎn)的正常進(jìn)行，寶山鋼鐵股份有限公司不銹鋼分公司1780熱軋廠就采用了東芝三菱先進(jìn)的模型控制技術(shù)。本文對(duì)所采用的主要軋線數(shù)學(xué)模型的控制特點(diǎn)及在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)參數(shù)的確定與優(yōu)化方法進(jìn)行了描述，解決了一系列與模型相關(guān)的問題，為正常生產(chǎn)提供了有力保證。

[關(guān)鍵詞] 熱連軋機(jī)；數(shù)學(xué)模型；設(shè)定控制；參數(shù)優(yōu)化；模擬軋鋼

YUAN Min，TIANYong

(Hot Strip Mill，Stainless Steel Branch of Baoshan Iron& Steel Co Ltd，Shanghai 200431，China)

Abstract：Mathematicmodel is pivotal control kernel in hot rolling process system．Setup of parameters will affect accuracy of products and normalproduction．The advanced model control technology fromToshiba—Mit—subishiInc(TMELC)is applied in 1780 mm Hot Strip Mill of Stainless Steel Branch ofBaoshan Iron&Steel Co Ltd．Control characteristicsof mathematic model and optimization method of parameters for actual productiondescribed．A series of problems about the model havebeen solved and powerful pledge is pumiced for normal production．

Key words：hot strip mill；mathematic model；setup control；parameter optimization；simulating rolling

寶山鋼鐵股有限公司不銹鋼分公司熱軋廠1780不銹鋼生產(chǎn)線，是一條從日本三菱引進(jìn)的工藝設(shè)備居于世界領(lǐng)先水平且自動(dòng)化程度非常高的現(xiàn)代化生產(chǎn)線，以熱軋不銹鋼鋼卷為主導(dǎo)產(chǎn)品，同時(shí)發(fā)揮軋機(jī)能力大、控制水平高的特點(diǎn)，兼顧生產(chǎn)薄規(guī)格、高強(qiáng)度、高附加值的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金鋼等，產(chǎn)品規(guī)格齊全。它應(yīng)用了東芝三菱先進(jìn)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)，其中的L2軋線過程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包含了模型的自動(dòng)控制功能。

1．1 總體特點(diǎn)

L2軋線過程機(jī)中，采用了東芝三菱(TMEIC)自行開發(fā)的過程控制數(shù)學(xué)模型，包括有軋制節(jié)奏控制(MPC)、粗軋?jiān)O(shè)定(RSU)、自動(dòng)寬度控制(AWC)、精軋?jiān)O(shè)定(FSU)、板形控制(ASC)、PC軋機(jī)設(shè)定(PCSU)、在線磨輥設(shè)定(ORGSU)、卷取溫度控制(catch)、卷取機(jī)設(shè)定(cSU)等主要模型。

各模型采用模塊化的程序設(shè)計(jì)來對(duì)應(yīng)于特定的控制功能，如軋機(jī)設(shè)定、參數(shù)分析、系數(shù)學(xué)習(xí)、動(dòng)態(tài)調(diào)整、特定設(shè)備的設(shè)定等，與L2過程控制計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)共同運(yùn)行于Compaq KS40小型服務(wù)器下，采用三菱中間軟件的DRBF文件系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和調(diào)用，結(jié)合各自獨(dú)立的文件結(jié)構(gòu)，對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行定義與充填，頻繁進(jìn)行文件讀與寫的操作，采用內(nèi)存和磁盤形式保存每個(gè)鋼卷的設(shè)定數(shù)據(jù)，最多可保存4 000卷鋼卷的設(shè)定信息，因此可較大程度地滿足模型進(jìn)行參數(shù)分析的要求。

從系統(tǒng)布置角度上來講，軋線模型掛靠在L2過程控制計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)之下。在進(jìn)行板坯設(shè)定計(jì)算時(shí)，當(dāng)板坯到達(dá)指定位置，u(基礎(chǔ)自動(dòng)化)控制系統(tǒng)的PIE根據(jù)熱金屬檢測(cè)器HMD檢測(cè)的結(jié)果向L2發(fā)送設(shè)定請(qǐng)求電文，經(jīng)L2應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)文件處理后，各控制模型利用從不同渠道獲得的數(shù)據(jù)，對(duì)當(dāng)前板坯進(jìn)行設(shè)定計(jì)算，將模型的設(shè)定計(jì)算結(jié)果(包括PDI原始數(shù)據(jù)信息)通過L2應(yīng)用系統(tǒng)以電文形式傳給PLC，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。

L2模型與基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)并不直接關(guān)連，中間還有L2應(yīng)用層，由L2應(yīng)用模塊對(duì)模型的計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)處理后，由不同區(qū)域的PLC接收，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)定控制。同時(shí)模型確定動(dòng)態(tài)控制的參數(shù)，由L1來實(shí)現(xiàn)。

L2模型與L3生產(chǎn)管理控制系統(tǒng)之間同樣也隔了L2應(yīng)用層，模型接收經(jīng)過L2應(yīng)用程序處理后由L3下發(fā)的軋制計(jì)劃中板坯的PDI數(shù)據(jù)，如板坯號(hào)、鋼卷號(hào)、板坯尺寸、鋼卷尺寸、溫度參數(shù)、化學(xué)成分、設(shè)備使用模式等，模型利用這些參數(shù)進(jìn)行板坯的設(shè)定計(jì)算。

L1、L2、L3關(guān)系如圖1所示。

1 780 mm不銹鋼生產(chǎn)線為緊湊型布置，有一臺(tái)水平四輥粗軋機(jī)加一臺(tái)vE大立輥，通過RSU模型與AWC模型，根據(jù)工藝條件要求，分別對(duì)粗軋機(jī)、大立輥vE與精軋前的小立輥F1E進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定控制。

RSU對(duì)粗軋機(jī)各道次的設(shè)定參數(shù)如速度、壓下率、軋制力、功率等進(jìn)行設(shè)定計(jì)算，對(duì)粗軋出口中間坯厚度(RDH)和粗軋出口溫度(RDT)進(jìn)行有效的控制，滿足精軋機(jī)的軋制要求。

AWC采用SSC短行程控制方法對(duì)軋坯的頭尾部進(jìn)行寬度控制，對(duì)粗軋中間坯本體部分，在vE處采用軋制力一AWC進(jìn)行控制，在F1E處根據(jù)粗軋出口測(cè)寬儀測(cè)量數(shù)據(jù)，采用前饋一AWC對(duì)中間坯的本體部分進(jìn)行寬度控制，滿足精軋軋制寬度要求。

精軋模型包括FSU、ASC、PCSU、ORGSU，根據(jù)工藝要求為精軋相關(guān)設(shè)備確定合適的初始設(shè)定參數(shù)。由FSU模型確定各機(jī)架壓下分配和初始穿帶速度，校核功率與軋制力，并對(duì)分配率和精軋出口溫度FDT進(jìn)行計(jì)算，達(dá)到目標(biāo)厚度和溫度要求。PCSU模型在FSU設(shè)定計(jì)算的基礎(chǔ)上，在PC軋機(jī)的軋輥交叉角和彎輥力許可范圍內(nèi)，對(duì)凸度分配進(jìn)行優(yōu)化，確定初始的～F4軋輥交叉角度與F1～ F7工作輥彎輥力。ASC模型對(duì)軋制過程中F5～ F7的彎輥力進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正來改善帶鋼平直度。ORGSU模型通過計(jì)算工作輥磨損，按軋制長(zhǎng)度或軋輥磨損量決定進(jìn)行全面研磨還是段差研磨，從而改善軋輥表面狀況，為寬度的反向跳躍軋制即自由軋制創(chuàng)造可能。

CTC模型根據(jù)FSU預(yù)測(cè)的FDT和F7機(jī)架出口的軋制速度，通過控制層流輥道各冷卻水箱的水量，控制帶鋼的卷取溫度，達(dá)到精確的控制要求。CSU模型計(jì)算與卷取機(jī)有關(guān)的輥道前導(dǎo)率和延滯率、助卷輥和夾送輥輥縫、卷筒扭矩、側(cè)導(dǎo)板開口度、卸卷小車等待位置、AJC控制參數(shù)等，確保得到良好的卷形。

按實(shí)際生產(chǎn)情況，RSU與AWC目前采用了以下幾個(gè)控制方法。

(1)粗軋各道次負(fù)荷分配。在線采用了壓下分配計(jì)算模型，簡(jiǎn)化了模型的運(yùn)算方式，降低了服務(wù)器的運(yùn)算負(fù)荷。對(duì)所采用的壓下分配參數(shù)則采用離線模擬軋鋼的辦法進(jìn)行確定，提高了參數(shù)設(shè)定的準(zhǔn)確性。

(2)對(duì)溫度反饋誤差的參數(shù)設(shè)定。由于粗軋人口側(cè)無測(cè)溫儀，加熱爐根據(jù)粗軋末道次的RDT進(jìn)行爐溫的反饋控制，為防止由于板坯溫度波動(dòng)過大而造成的設(shè)備或質(zhì)量問題，對(duì)實(shí)際軋制用參數(shù)均較常規(guī)留有稍大余量。

(3)對(duì)板坯寬度偏差的參數(shù)設(shè)定。模型采用L3下達(dá)的名義寬度數(shù)據(jù)，但由于板坯的名義尺寸與實(shí)際尺寸常有較大偏差(特別是經(jīng)過修磨的不銹鋼板坯)，為此分別對(duì)粗軋第1道次和以后的各道次采用不同的寬度控制模型和學(xué)習(xí)方法，盡可能消除板坯寬度偏差對(duì)第1道次出口寬度的影響。

(4)粗軋入口擺鋼設(shè)定。該功能在粗軋倒數(shù)第3道次軋制完成且實(shí)際測(cè)得RIB"后，確定是否啟動(dòng)。按實(shí)際測(cè)得的RIB"，在軋制末道次前，確定必需的擺鋼時(shí)間。該功能在軋制鐵素體鋼時(shí)尤為重要。

針對(duì)1780不銹鋼生產(chǎn)線標(biāo)志性軋制鋼種304不銹鋼，在模型上進(jìn)行了多方面的參數(shù)優(yōu)化。

(1)大立輥側(cè)壓量的調(diào)整。第1次試軋304不銹鋼后，從寧波寶新不銹鋼公司反饋的信息，距帶鋼邊部20 mm左右有折疊狹縫。為此修改了熱線性膨脹系數(shù)，對(duì)大立輥各道次的側(cè)壓量進(jìn)行了調(diào)整，通過后來再次試軋，邊部折痕距離減小到了10mm左右。同時(shí)側(cè)壓量調(diào)整以后，使帶鋼實(shí)際寬度也達(dá)到了目標(biāo)寬度以上，保證了用戶的加工要求。

(2)中間坯厚度的確定。軋制304不銹鋼時(shí)，最初中間坯厚度均為30 mm，而在軋制極限規(guī)格(如2．5 mm×1 520mm)時(shí)，精軋前段機(jī)架軋制負(fù)荷非常大，超過42000kN上限而發(fā)生跳電。為此，在粗軋機(jī)能力允許的條件下，將中間坯厚度按鋼卷厚度規(guī)格進(jìn)行區(qū)分，逐步改到25 mm，既使粗軋機(jī)的負(fù)荷在安全范圍內(nèi)，又使精軋機(jī)實(shí)際最大負(fù)荷不超過40 000 kN，保證不銹鋼正常生產(chǎn)。

按軋線實(shí)際生產(chǎn)情況，精軋模型采取了以下特殊控制方法。

針對(duì)生產(chǎn)線上3座加熱爐的不同加熱狀況，F(xiàn)SU模型采取了按爐學(xué)習(xí)的方法，各有一套獨(dú)立的學(xué)習(xí)參數(shù)，加快了對(duì)各爐抽出板坯的精軋溫度學(xué)習(xí)，同時(shí)還可通過爐間學(xué)習(xí)，進(jìn)一步提高和加快溫度學(xué)習(xí)的精度。

當(dāng)不銹鋼中間坯在熱卷箱卷取后精軋無法軋制時(shí)，F(xiàn)SU模型可以將該卷信息暫時(shí)保存，同時(shí)當(dāng)開啟應(yīng)急加熱箱后，對(duì)放入應(yīng)急加熱箱的中間卷進(jìn)行有效升溫控制，溫度滿足后可再次上軋線軋制，避免該卷的報(bào)廢。

由于精軋機(jī)逐步使用高速鋼軋輥，對(duì)使用的機(jī)架，實(shí)際軋制力會(huì)上升3 000—4 000 kN，對(duì)精軋機(jī)負(fù)荷分配十分不利，特別是軋制304 等不銹鋼時(shí)，本來軋制力就很高，因此FSU模型針對(duì)不同材質(zhì)的軋輥，采用了系數(shù)換算的辦法進(jìn)行軋制力的設(shè)定，有效解決了該問題。

高速鋼軋輥一般在使用4～5次后才需要再次磨削，因此在PCSU模型中開發(fā)了軋輥輥形曲線的保存功能，避免了高速鋼軋輥不經(jīng)過磨削而再次上軋線使用時(shí)對(duì)PCSU模型帶來的精度控制影響。

由于304 不銹鋼的軋制對(duì)溫度的要求較高，對(duì)軋輥冷卻水的控制也不同于碳鋼，因此FSU模型采用的方法是，在帶鋼咬入精軋各機(jī)架前，將軋輥冷卻水水壓控制得較小，在咬入后增大水壓。水壓大小可根據(jù)軋輥表面實(shí)際情況與板形控制情況進(jìn)行調(diào)整。

針對(duì)生產(chǎn)中精軋機(jī)發(fā)生咬鋼打滑的現(xiàn)象，F(xiàn)SU模型對(duì)精軋機(jī)架間冷卻水采取帶鋼咬鋼后再延時(shí)噴射的特殊控制方法，對(duì)打滑現(xiàn)象進(jìn)行了有效控制。

精軋機(jī)負(fù)荷分配的原則是F1機(jī)架的壓下量要比設(shè)備允許的最大值要小一些，為充分發(fā)揮設(shè)備能力，給F2～F4機(jī)架盡可能大的壓下量。為避免軋制力過大而影響板形，F(xiàn)5一F7機(jī)架壓下量逐步減小。在軋制較薄的不銹鋼時(shí)，后段機(jī)架軋制力要低些，壓下率曲線如圖2所示。圖3為軋制304不銹鋼，規(guī)格為2．5 mm，寬度為1 250 mm(淺色)和1 520 mm(深色)的軋制力分布圖。

精軋機(jī)前段機(jī)架軋制力的設(shè)定一般不應(yīng)高于35 000 kN，通過合理分配各機(jī)架壓下量，可以防止瞬時(shí)軋制力超限而造成的跳電。

為控制精軋終軋溫度(FDT)，需要對(duì)穿帶速度進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)實(shí)際FDT與目標(biāo)FIYF的差值，利用Excel進(jìn)行數(shù)值分析，可以獲得溫度敏感度系數(shù)，從而準(zhǔn)確控制FDT。如圖4所示，直線方程的斜率即為所求的敏感度系數(shù)，可用于模型程序的學(xué)習(xí)計(jì)算。

針對(duì)軋制層別規(guī)格變化后第1卷鋼卷冷卻度不佳的現(xiàn)象，CTC模型中修改了熱通量系數(shù)的自學(xué)習(xí)方式，當(dāng)軋制層別更換時(shí)，進(jìn)行層別問的擴(kuò)展學(xué)習(xí)，有效提高了第1卷冷卻溫度的精度。

增加了自學(xué)習(xí)停止功能，使當(dāng)前層別在卷取溫度精度達(dá)到很高目標(biāo)時(shí)，對(duì)學(xué)習(xí)系數(shù)和溫度控制精度加以穩(wěn)定保持。

增加了鋼卷長(zhǎng)度的學(xué)習(xí)，采用數(shù)學(xué)計(jì)算和自學(xué)習(xí)結(jié)合的辦法，有效提高了鋼卷尾部的溫度控制精度。

增加了對(duì)多功能儀的可信度檢查，避免在多功能儀發(fā)生故障時(shí)，對(duì)異常數(shù)據(jù)的自學(xué)習(xí)。

在304不銹鋼試生產(chǎn)初期，根據(jù)工藝和控制要求，投用了CTC控制，對(duì)溫度學(xué)習(xí)系數(shù)進(jìn)行了不斷調(diào)整，有效地將卷取溫度從850 ℃降到了

780 ℃，達(dá)到很高的控制精度。在軋制較厚的如8 lain以上規(guī)格的帶鋼時(shí)，卷取機(jī)在卷取帶鋼頭部時(shí)產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，對(duì)卷形控制和卸卷帶來很大困難，為此對(duì)CSU模型中的卷筒擴(kuò)張系數(shù)、助卷輥輥縫、夾送輥壓力等參數(shù)不斷進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，有效解決了該問題。

在模型的參數(shù)優(yōu)化確認(rèn)過程中，有一個(gè)十分有效而重要的手段，即模擬軋鋼。它可在離線模擬環(huán)境和在線模擬環(huán)境下進(jìn)行。在每次軋制新規(guī)格或新鋼種前都需要進(jìn)行離線模擬軋鋼，利用由L3下達(dá)的預(yù)計(jì)劃數(shù)據(jù)，開動(dòng)模擬器，確認(rèn)模型的設(shè)定計(jì)算結(jié)果，從而提高參數(shù)在線投入后的可靠性。而在線模擬，可以做到Ll、L2、L3同時(shí)聯(lián)動(dòng)模擬。首先作為模型參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)的主要手段，對(duì)離線下確定的參數(shù)做軋前最終確認(rèn)，其次也可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)投用的設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行有效確認(rèn)，提高設(shè)備運(yùn)、行安全系數(shù)。當(dāng)在線模擬軋鋼成功后，再進(jìn)行實(shí)物板坯軋制，從而避免實(shí)物板坯軋制的損失。目前國(guó)內(nèi)只有1780熱軋生產(chǎn)線具備Ll、L2、L3多層面模擬軋鋼的功能。

在進(jìn)行304 不銹鋼試生產(chǎn)前，要確定模型的層別參數(shù)，由于無現(xiàn)成數(shù)據(jù)，主要利用日本干葉鋼廠的不銹鋼設(shè)定參數(shù)，根據(jù)1780熱軋廠的設(shè)備裝備特點(diǎn)，結(jié)合初始PDI參數(shù)，利用碳鋼的Ll控制參數(shù)，進(jìn)行離線的模擬軋鋼，來逐步確定各道次、各機(jī)架的壓下負(fù)荷分配系數(shù)、軋制速度、學(xué)習(xí)系數(shù)、溫度系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)，最初試軋4．5 lain×1 250 lain的304 不銹鋼所采用的設(shè)定參數(shù)就是利用模擬軋鋼的方式確定的。接下來軋制4．0，3．5，5．0mm等規(guī)格時(shí)，再利用4．5 lain的數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)展，在模擬軋鋼后進(jìn)行確定。其他的新鋼種如316、430、13480等也采用相同辦法。因此，模擬軋鋼對(duì)確定新規(guī)格、新產(chǎn)品的參數(shù)有重要意義，大大提高了模型在線投用效率。

2004年12月，1780熱軋生產(chǎn)線完成了不銹鋼的功能考核，達(dá)到了較高控制精度，考核鋼種為304不銹鋼，每個(gè)項(xiàng)目考核軋制20塊板坯，具體見表1。