簿帶連鑄帶厚控制方法和裝置的製作方法
2024-02-28 03:34:15
專利名稱：簿帶連鑄帶厚控制方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及薄帶連鑄工藝中的帶厚控制方法和裝置。
背景技術：
薄帶連鑄主要形式之一是鋼水經過高速旋轉的結晶輥，並在軋制力的作用下凝固成2-5mm鑄帶。目前薄帶連鑄生產的基本工藝過程是薄帶連鑄機(雙輥、單輥、輪帶式)—密閉室—活套—夾送輥—熱軋(單機架或兩機架或無)—控冷—卷取。鋼水從鋼包經過長水口、中間包和浸入式水口進入旋轉的水冷結晶輥與側封板形成的熔池內，經過水冷結晶輥的冷卻形成鑄帶，通過擺動導板、夾送輥將鑄帶送至鑄帶輸送輥道，經過熱軋機，噴淋冷卻，飛剪直至卷取機。該工藝生產的鑄帶直接冷軋或經過熱軋後冷軋成產品，這要求鑄帶厚度公差小，要滿足冷軋要求。因此鑄帶的厚度是板帶鋼最主要的尺寸質量指標之一。
傳統的軋鋼原理中，帶鋼的厚度h與預調輥縫值S0和軋機彈跳值ΔS之間的關係可用彈跳方程描述。
h＝S0+ΔS＝S0+P/Km斜率Km稱為軋機剛度，表徵軋機產生單位彈跳量所需的軋制壓力。根據彈跳方程，鋼實際軋出厚度主要取決於S0、Km和P這三個因素。凡是影響軋制壓力、原始輥縫、油膜厚度等的因素都將影響實際鑄帶的厚度。
薄帶連鑄的工藝過程與軋鋼工藝有很大的區別，這主要體現在(1)薄帶連鑄是以凝固為主，軋制力很小，只有幾噸。而軋機的軋制力是幾百噸，上千噸。
(2)結晶輥是水冷空心輥，系統控制中預壓靠力小，最大幾十噸，預緊力無法完全消除機械間隙，是非彈性變化。
(3)生產過程軋制力是反饋信號，而不是給定信號量。即通過控制凝固過程的Kiss點的位置來控制軋制力。
由於結晶輥是鑄機不是軋機，系統的壓靠力小，機械間隙不能消除，因此，軋制力增加和減小時，曲線不重合，即不是彈性變形。因此上述的彈跳方程不能直接應用，必須建立薄帶連鑄工藝小軋制力情況下的帶厚控制模型和控制方法。
另外，在澆注過程中，一方面，工藝參數如澆鑄溫度、液位、速度等也不穩定，這些工藝的變化都會導致澆注過程中軋制力發生變化時，軋制力變化會導致輥縫變化，從而帶厚也會波動；另一方面，在澆注過程中機架、結晶輥、軸承、軸承座、壓頭等變形、以及結晶輥熱膨脹、磨損和安裝過程中心線偏差等因素都會影響鑄帶的實際厚度。
目前在軋機上普遍使用的帶厚控制方法主要有反饋式、厚度計式、前饋式、張力式、液壓式等厚度自動控制系統。這些控制方法都是基於軋機彈性變形的彈跳方程的基礎上建立的控制模型。CN1248190A和US6408222B1是一種雙輥薄帶連鑄控制帶材厚度的和裝置，其主要解決的是由於固定輥和移動輥偏心引起的誤差消除方法，其主要的裝置是在輥徑上安裝位移傳感器，控制偏心引起的輥縫偏差。US6,536,506B2是一種薄帶連鑄帶厚控制方法，該方法主要是使鑄帶的凝固末端低於兩輥最近點，使軋制力降低，通過調節速度的變化，控制軋制力，從而生產穩定的鑄帶。該方法主要的問題是鑄帶凝固末端低於兩輥最近點容易發生漏鋼，而且生產中速度太快，100m/min，系統響應必須快，控制滯後且精度低。CN1265345A是一種解決結晶輥變形(如橢圓)引起的厚度波動。由於結晶輥變形引起的周期性的輥縫變化，會形成周期性的帶厚波動，因此採用X射線掃描儀檢測的厚度周期性的變化，通過周期性的改變施加速度變化曲線解決輥縫變化。發表在6th IEEE Industril sysposium on Industrial Electronics的文獻「Control Problem and solution in the steady state in the strip castingprocess」提出了一種薄帶連鑄帶厚的控制方法，該方法主要用於穩定階段，是理想狀態而且是通過軋制力—速度控制模型進行控制。上述專利的實質是通過改變速度，解決周期性的、有規律的輥縫變化，從而解決帶厚的均勻性問題。但在生產實際中，開澆階段，澆注階段，溫度、液面等等工藝和設備都會不穩定，從而導致帶厚不均勻。
發明內容本發明的目的在於提供一種薄帶連鑄帶厚控制方法和裝置，它採用前後反饋相結合的控制方法，考慮工藝參數的變化和機械變形對帶厚的影響，在生產中動態地控制輥縫，以保證生產厚度均勻的鑄帶。該方法響應速度快，易於實現。
本發明是這樣實現的一種薄帶連鑄帶厚控制方法，是對水平平行，且旋轉方向相反的一個固定輥、一個移動輥的水冷結晶輥之間形成的縫隙進行控制，鋼水從縫隙中經過水冷結晶輥凝固成一定厚度的鑄帶，其特徵是所述薄帶連鑄帶厚控制方法是對軋制力、輥縫的前饋控制和帶厚的後饋控制來實現的，裝在固定輥側的壓力傳感器將檢測到的軋制力信號送至軋制力寄存器，在鑄帶輸出端裝有帶厚測厚儀，當軋制力波動時，經軋制力比較器比較，若|Pi-Pi-1|≥P0式中Pi-當前時刻實測的軋制力，Pi-1-前一時刻實測的軋制力，P0-預軋制力，通過軋制力-速度控制器計算出速度量以調節下一時刻結晶輥的速度，實現閉環控制；若|Pi-Pi-1|＜P0通過輥縫計算模塊按式(1)計算出輥縫的變化SP=PiKmj=Pi-Pi-1Kmj---(1)]]>式中Kmj-剛度係數，j＝1，2，當Pi-Pi-1＞0，Kmj中j取1，即Km1為軋制力增加時剛度係數，當Pi-Pi-1＜0，Kmj中j取2，即Km2為軋制力減少時剛度係數，裝在鑄帶輸出端的帶厚測厚儀檢測的數據輸入帶厚寄存器，當帶厚波動時，經帶厚-輥縫計算模塊按式(2)計算出總的輥縫變化S=h-2(Pa-P0)Km1+Km2+Km2-Km12Km1Km2Pa+(B2Km2-A2Km1)---(2)]]>式中ΔS-總的輥縫變化量，Δh-實測帶厚變化量，A、B-經驗係數，Pa-目標軋制力，由設備等原因引起的輥縫變化量的計算可由式(3)得到，ΔSm＝ΔS-ΔSp(3)通過將總的輥縫波動與軋制力波動引起的輥縫差ΔSm作為輸入信號，通過液壓伺服機構實現對輥縫的閉環控制。
上述的薄帶連鑄帶厚控制方法，所述軋制力-速度控制器由式(4)計算出下一時刻的速度量，Vi+1＝C(Pi-Pi-1)+Vi+D (4)式中Vi+1-下一時刻結晶輥的轉速，Vi-當前時刻結晶輥的轉速，C、D-經驗係數，根據不同的鋼種的生產工藝確定，該速度量作為輸入量給結晶輥驅動電機，調節下一時刻結晶輥的速度，實現閉環控制。
實現上述的薄帶連鑄帶厚控制方法的裝置，包括一對水平平行，且旋轉方向相反的一個固定輥、一個移動輥的水冷結晶輥，固定輥和移動輥座在軸承座上，分別經聯軸器與驅動電機相連接，鋼水從固定輥和移動輥之間的縫隙中經過水冷結晶輥凝固成一定厚度的鑄帶，其特徵是移動輥軸承座連接液壓伺服機構，位移傳感器連接在軸承座上檢測輥縫變化，固定輥軸承座連接壓力傳感器，在鑄帶出口處設置有帶厚測厚儀，電氣控制裝置包括軋制力寄存器、軋制力比較器、輥縫計算模塊、軋制力-速度控制器、帶厚寄存器、帶厚波動計算模塊、帶厚-輥縫計算模塊、輥縫變化量計算器，壓力傳感器接軋制力寄存器，寄存器輸出接軋制力比較器，軋制力比較器從寄存器單元中讀取當前軋制力和前一時刻的軋制力後經比較，輸出分別接軋制力-速度控制器和軋制力引起的輥縫計算模塊，軋制力-速度控制器輸出接驅動電機，輥縫計算模塊輸出接輥縫變化量計算器，帶厚測厚儀輸出接帶厚寄存器，帶厚寄存器接帶厚波動計算模塊，帶厚波動計算模塊從寄存器單元中讀取當前帶厚和前一時刻的帶厚後經比較，輸出接帶厚-輥縫計算模塊，帶厚-輥縫計算模塊輸出接輥縫變化量計算器，輥縫變化量計算器通過對實際的輥縫波動與軋制力波動引起輥縫差的計算，輸出接液壓伺服機構，實現輥縫的調節控制。
本發明採用前饋和反饋相結合的方法，通過建立適合薄帶連鑄小軋制力帶厚控制模型，當軋制力波動較大時，通過軋制力—速度(P/V)控制器計算出下一時刻的速度量，作為輸入量給結晶輥驅動電機，調節下一時刻結晶輥的速度來調節軋制力，實現閉環控制；利用鑄帶出口處的測厚儀實測的帶厚波動，並在帶厚/輥縫計算模塊中計算出實際的輥縫波動，該波動與軋制力波動引起輥縫差作為輸入信號，通過液壓伺服機構實現輥縫的變化，完成帶厚的閉環控制。本發明考慮了工藝變化和其它設備變形等對帶厚的影響，利用比例積分微分控制器對帶厚進行在線控制；通過輥縫的變化，而不是速度的變化，實現帶厚的控制，該方法響應速度快，易於實現。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步說明。
圖1為本發明薄帶連鑄帶厚控制方法的示意圖；圖2為薄帶連鑄帶厚控制裝置示意圖。
圖中1固定輥，2移動輥，3軸承座，4液壓伺服機構，5聯軸器，6電機，7壓力傳感器，8位移傳感器，9熔池，10鑄帶，11帶厚測厚儀，12軋制力控制器，13帶厚控制器，14輥縫控制器。
具體實施方式
參見圖1、圖2，薄帶連鑄帶厚控制方法，是對一對水平平行，且旋轉方向相反的一個固定輥1、一個移動輥2的水冷結晶輥輥子之間形成的縫隙進行控制，鋼水從縫隙中經過水冷結晶輥凝固成一定厚度的鑄帶10，所述薄帶連鑄帶厚控制方法是對固定輥2的軋制力控制、對帶厚和輥縫的控制。
本發明是通過如下步驟來實現的在生產澆鑄前，必須對結晶輥的剛度進行測試。由於液壓缸4與軸承座3之間是機械連接，存在機械間隙，而且軸承座3油膜、壓力傳感器7與固定輥1的連接以及機架的變形等使得整個系統都存在不可避免的機械間隙。對於薄帶連鑄工藝，由於結晶輥是水平放置，軋制力也是水平方向，而且由於結晶輥是中空水冷，壓靠時的壓下力只有幾十噸，無法消除機械間隙。本發明採用增、減軋制力壓靠法來確定。在冷態時空載條件下，通過液壓執行機構4移動移動輥2向固定輥1壓靠，並通過壓力傳感器7記錄壓力值，壓靠力從小逐漸增加，通過壓力傳感器7和位移傳感器8上分別記錄壓力值和位移值。將測試點進行線性回歸處理，得到曲線1方程P＝Km1h+A通過液壓執行機構逐漸減小壓靠力，使壓靠力從大到小逐漸減少到0噸，記錄壓力傳感器7和位移傳感器8上的值，將測試點進行線性回歸處理，得到曲線2方程P＝Km2h+B通過這樣的方法，確定Km1、Km2、A、B係數，並將結果存儲在計算機內。
澆注開始時，鋼水注入到結晶輥熔池9中，在結晶輥1、2的冷卻作用下，鋼水凝固成坯殼，從結晶輥1、2中拉出鑄帶10。當澆鑄溫度、速度等工藝參數發生變化後，必然會使鑄帶10的凝固過程發生變化，體現在軋制力的變化上。此時壓力傳感器7檢測到的壓力信號會發生變化。將壓力傳感器7檢測到的壓力信號實時傳輸到軋制力寄存器121中，從寄存器121中讀取當前時刻和前一時刻的壓力傳感器7實測到的軋制力在軋制力比較器122進行比較，若軋制力的波動在某一範圍內，即
|Pi-Pi-1|＜P0則，在工藝變化引起的輥縫變化的控制器12中根據如下模型計算Sp=PiKmj=Pi-Pi-1Kmj---(1)]]>Pi-任一時刻實測的軋制力；Pi-1-前一時刻實測的軋制力；Kmj-剛度係數；j＝1，2；Km1和Km2分別為軋制力增加和軋制力減少時的剛度係數，由線性回歸確定。
當Pi-Pi-1＞0；Kmj中j取1，即Km1為軋制力增加時剛度係數；當Pi-Pi-1＜0；Kmj中j取2，即Km2為軋制力減少時剛度係數；當前時刻軋制力Pi與前一時刻實測的軋制力Pi-1進行比較，如果軋制力增加，則取軋制力增加時的剛度係數Km1，並將該係數代入公式(1)中，計算輥縫的變化值；若任一時刻壓力傳感器7實測到的軋制力Pi+1與上一時刻實測的軋制力Pi進行比較，軋制力減小，則取軋制力減小時的剛度係數Km2代入公式(1)中計算輥縫的變化量。Kmj根據線性回歸方法確定。當軋制力的波動超過一定的範圍，即|Pi-Pi-1|≥P0則由軋制力-速度控制器124，根據公式(4)計算出速度量，作為輸入量給結晶輥驅動電機6，調節下一時刻結晶輥1、2的速度，實現閉環控制。
Vi+1＝C(Pi-Pi-1)+Vi+D (4)C、D-經驗係數，根據不同的鋼種的生產工藝確定。
由設備熱變形以及其它原因的引起的帶厚波動的控制由帶厚寄存器131、帶厚波動計算模塊132、帶厚/輥縫計算模塊133、由設備等原因引起的輥縫變化量計算器14等單元完成。其主要的原理是後反饋的原理，即利用測厚儀11實測的帶厚波動，並在帶厚-輥縫計算模塊133中根據公式(2)計算出實際的輥縫波動，S=h-2(Pa-P0)Km1+Km2+Km2-Km12Km1Km2Pa+(B2Km2-A2Km1)---(2)]]>
該波動是總的輥縫波動，將其與軋制力波動引起輥縫差，由公式(3)得到，ΔSm＝ΔS-ΔSp(3)通過將總的輥縫波動與軋制力波動引起的輥縫差ΔSm作為輸入信號，由液壓伺服機構4實現輥縫的變化，完成帶厚的在線動態控制。
薄帶連鑄帶厚控制裝置，包括一對水平平行，且旋轉方向相反的一個固定輥1、一個移動輥2的水冷結晶輥，固定輥1和移動輥2座在軸承座3上，分別經聯軸器5與驅動電機6相連接。鋼水從固定輥1和移動輥2之間的縫隙中經過水冷結晶輥凝固成一定厚度的鑄帶10，移動輥軸承座3連接液壓伺服機構4，位移傳感器8連接在軸承座3上檢測輥縫變化。固定輥軸承座3連接壓力傳感器7，在鑄帶10出口處設置有帶厚測厚儀11。薄帶連鑄帶厚的電氣控制裝置包括軋制力寄存器121、軋制力比較器122、輥縫計算模塊123、軋制力-速度控制器124、帶厚寄存器131、帶厚波動計算模塊132、帶厚-輥縫計算模塊133、輥縫變化量計算器14。軋制力控制器12包括軋制力寄存器121、軋制力比較器122、輥縫計算模塊123、軋制力-速度控制器123；帶厚控制器13包括帶厚寄存器131、帶厚波動計算模塊132、帶厚-輥縫計算模塊133；輥縫控制器14為輥縫變化量計算器。壓力傳感器7接軋制力寄存器121，軋制力寄存器121輸出接軋制力比較器122，軋制力比較器122從寄存器121單元中讀取當前軋制力和前一時刻的軋制力後經比較，輸出分別接軋制力-速度控制器124和軋制力引起的輥縫計算模塊123，軋制力-速度控制器124輸出接驅動電機6，輥縫計算模塊123輸出接輥縫變化量計算器14。帶厚測厚儀11輸出接帶厚寄存器131，帶厚寄存器131接帶厚波動計算模塊132，帶厚波動計算模塊132從寄存器131單元中讀取當前帶厚和前一時刻的帶厚後經比較，輸出接帶厚-輥縫計算模塊133。帶厚-輥縫計算模塊133輸出接輥縫變化量計算器14，輥縫變化量計算器14通過對實際的輥縫波動與軋制力波動引起輥縫差ΔSm的計算，輸出接液壓伺服機構4，實現輥縫的調節控制。
權利要求
1.一種薄帶連鑄帶厚控制方法，是對水平平行，且旋轉方向相反的一個固定輥、一個移動輥的水冷結晶輥之間形成的縫隙進行控制，鋼水從縫隙中經過水冷結晶輥凝固成一定厚度的鑄帶，其特徵是所述薄帶連鑄帶厚控制方法是對軋制力、輥縫的前饋控制和帶厚的後饋控制來實現的，裝在固定輥側的壓力傳感器將檢測到的軋制力信號送至軋制力寄存器，在鑄帶輸出端裝有帶厚測厚儀，當軋制力波動時，經軋制力比較器比較，若|Pi-Pi-1|≥P0式中Pi-當前時刻實測的軋制力，Pi-1-前一時刻實測的軋制力，P0-預軋制力，通過軋制力-速度控制器計算出速度量以調節下一時刻結晶輥的速度，實現閉環控制；若|Pi-Pi-1|＜P0通過輥縫計算模塊按式(1)計算出輥縫的變化Sp=PiKmj=Pi-Pi-1Kmj---(1)]]>式中Kmj-剛度係數，j＝1，2，當Pi-Pi-1＞0，Kmj中j取1，即Km1為軋制力增加時剛度係數，當Pi-Pi-1＜0，Kmj中j取2，即Km2為軋制力減少時剛度係數，裝在鑄帶輸出端的帶厚測厚儀檢測的數據輸入帶厚寄存器，當帶厚波動時，經帶厚-輥縫計算模塊按式(2)計算出總的輥縫變化S=h-2(Pa-P0)Km1+Km2+Km2-Km12Km1Km2Pa+(B2Km2-A2Km1)---(2)]]>式中ΔS-總的輥縫變化量，Δh-實測帶厚變化量，A、B-經驗係數，Pa-目標軋制力，由設備等原因引起的輥縫變化量的計算可由式(3)得到，ΔSm＝ΔS-ΔSp(3)通過將總的輥縫波動與軋制力波動引起的輥縫差ΔSm作為輸入信號，通過液壓伺服機構實現對輥縫的閉環控制。
2.根據權利要求1所述的薄帶連鑄帶厚控制方法，其特徵是軋制力-速度控制器由式(4)計算出下一時刻的速度量，Vi+1＝C(Pi-Pi-1)+Vi+D (4)式中Vi+1-下一時刻結晶輥的轉速，Vi-當前時刻結晶輥的轉速，C、D-經驗係數，根據不同的鋼種的生產工藝確定，該速度量作為輸入量給結晶輥驅動電機，調節下一時刻結晶輥的速度，實現閉環控制。
3.一種實現權利要求1或2所述的薄帶連鑄帶厚控制方法的裝置，包括一對水平平行，且旋轉方向相反的一個固定輥、一個移動輥的水冷結晶輥，固定輥和移動輥座在軸承座上，分別經聯軸器與驅動電機相連接，鋼水從固定輥和移動輥之間的縫隙中經過水冷結晶輥凝固成一定厚度的鑄帶，其特徵是移動輥軸承座連接液壓伺服機構，位移傳感器連接在軸承座上檢測輥縫變化，固定輥軸承座連接壓力傳感器，在鑄帶出口處設置有帶厚測厚儀，電氣控制裝置包括軋制力寄存器、軋制力比較器、輥縫計算模塊、軋制力-速度控制器、帶厚寄存器、帶厚波動計算模塊、帶厚-輥縫計算模塊、輥縫變化量計算器，壓力傳感器接軋制力寄存器，寄存器輸出接軋制力比較器，軋制力比較器從寄存器單元中讀取當前軋制力和前一時刻的軋制力後經比較，輸出分別接軋制力-速度控制器和軋制力引起的輥縫計算模塊，軋制力-速度控制器輸出接驅動電機，輥縫計算模塊輸出接輥縫變化量計算器，帶厚測厚儀輸出接帶厚寄存器，帶厚寄存器接帶厚波動計算模塊，帶厚波動計算模塊從寄存器單元中讀取當前帶厚和前一時刻的帶厚後經比較，輸出接帶厚-輥縫計算模塊，帶厚-輥縫計算模塊輸出接輥縫變化量計算器，輥縫變化量計算器通過對實際的輥縫波動與軋制力波動引起輥縫差的計算，輸出接液壓伺服機構，實現輥縫的調節控制。
全文摘要
本發明涉及薄帶連鑄工藝中的帶厚控制方法和裝置。本發明採用前饋和反饋相結合的方法，通過建立適合薄帶連鑄小軋制力帶厚控制模型，當軋制力波動較大時，通過軋制力一速度控制器計算出下一時刻的速度量，作為輸入量給結晶輥驅動電機，調節下一時刻結晶輥的速度來調節軋制力，實現閉環控制；利用鑄帶出口處的測厚儀實測的帶厚波動，並在帶厚/輥縫計算模塊中計算出實際的輥縫波動，該波動與軋制力波動引起輥縫差作為輸入信號，通過液壓伺服機構實現輥縫的變化，完成帶厚的閉環控制。本發明通過對軋制力、輥縫變化的控制，實現帶厚的控制，響應速度快，易於實現。
文檔編號B22D11/16GK1857829SQ200510025640
公開日2006年11月8日 申請日期2005年4月30日 優先權日2005年4月30日
發明者於豔, 方園, 葉長宏, 崔健 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司