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的模型控制技術(shù)。本文對所采用的主要軋線數(shù)學(xué)模型的控制特點及在實際生產(chǎn)中對參數(shù)的確定與優(yōu)化方法進行了描述，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；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的工藝設(shè)備居于世界領(lǐng)先水平且自動化程度非常高的現(xiàn)代化生產(chǎn)線，以熱軋不銹鋼鋼卷為主導(dǎo)產(chǎn)品，同時發(fā)揮軋機能力大、控制水平高的特點，兼顧生產(chǎn)薄規(guī)格、高強度、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)用了東芝三菱先進的計算機自動控制技術(shù)，其中的L2軋線過程控制計算機系統(tǒng)包含了模型的自動控制功能。

1．1 總體特點

L2軋線過程機中，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)、粗軋設(shè)定(RSU)、自動寬度控制(AWC)、精軋設(shè)定(FSU)、板形控制(ASC)、PC軋機設(shè)定(PCSU)、在線磨輥設(shè)定(ORGSU)、卷取溫度控制(catch)、卷取機設(shè)定(cSU)等主要模型。

各模型采用模塊化的程序設(shè)計來對應(yīng)于特定的控制功能，如軋機設(shè)定、參數(shù)分析、系數(shù)學(xué)習(xí)、動態(tài)調(diào)整、特定設(shè)備的設(shè)定等，與L2過程控制計算機應(yīng)用系統(tǒng)共同運行于Compaq KS40小型服務(wù)器下，采用三菱中間軟件的DRBF文件系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行存儲和調(diào)用，結(jié)合各自獨立的文件結(jié)構(gòu)，對控制參數(shù)進行定義與充填，頻繁進行文件讀與寫的操作，采用內(nèi)存和磁盤形式保存每個鋼卷的設(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過程控制計算機應(yīng)用系統(tǒng)之下。在進行板坯設(shè)定計算時，當(dāng)板坯到達指定位置，u(基礎(chǔ)自動化)控制系統(tǒng)的PIE根據(jù)熱金屬檢測器HMD檢測的結(jié)果向L2發(fā)送設(shè)定請求電文，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)，對當(dāng)前板坯進行設(shè)定計算，將模型的設(shè)定計算結(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，實現(xiàn)對設(shè)備的控制。

L2模型與基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)并不直接關(guān)連，中間還有L2應(yīng)用層，由L2應(yīng)用模塊對模型的計算數(shù)據(jù)進行分區(qū)處理后，由不同區(qū)域的PLC接收，從而實現(xiàn)對相應(yīng)設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)定控制。同時模型確定動態(tài)控制的參數(shù)，由L1來實現(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)的軋制計劃中板坯的PDI數(shù)據(jù)，如板坯號、鋼卷號、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)進行板坯的設(shè)定計算。

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，有一臺水平四輥粗軋機加一臺vE大立輥，通過RSU模型與AWC模型，根據(jù)工藝條件要求，分別對粗軋機、大立輥vE與精軋前的小立輥F1E進行參數(shù)的設(shè)定控制。

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

AWC采用SSC短行程控制方法對軋坯的頭尾部進行寬度控制，對粗軋中間坯本體部分，在vE處采用軋制力一AWC進行控制，在F1E處根據(jù)粗軋出口測寬儀測量數(shù)據(jù)，采用前饋一AWC對中間坯的本體部分進行寬度控制，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模型確定各機架壓下分配和初始穿帶速度，校核功率與軋制力，并對分配率和精軋出口溫度FDT進行計算，達到目標(biāo)厚度和溫度要求。PCSU模型在FSU設(shè)定計算的基礎(chǔ)上，在PC軋機的軋輥交叉角和彎輥力許可范圍內(nèi)，對凸度分配進行優(yōu)化，確定初始的～F4軋輥交叉角度與F1～ F7工作輥彎輥力。ASC模型對軋制過程中F5～ F7的彎輥力進行動態(tài)修正來改善帶鋼平直度。ORGSU模型通過計算工作輥磨損，按軋制長度或軋輥磨損量決定進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)測的FDT和F7機架出口的軋制速度，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，達到精確的控制要求。CSU模型計算與卷取機有關(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。

按實際生產(chǎn)情況，RSU與AWC目前采用了以下幾個控制方法。

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

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

(3)對板坯寬度偏差的參數(shù)設(shè)定。模型采用L3下達的名義寬度數(shù)據(jù)，但由于板坯的名義尺寸與實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道次軋制完成且實際測得RIB"后，確定是否啟動。按實際測得的RIB"，在軋制末道次前，確定必需的擺鋼時間。該功能在軋制鐵素體鋼時尤為重要。

針對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)，對大立輥各道次的側(cè)壓量進行了調(diào)整，通過后來再次試軋，邊部折痕距離減小到了10mm左右。同時側(cè)壓量調(diào)整以后，使帶鋼實際寬度也達到了目標(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，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，精軋前段機架軋制負荷非常大，超過42000kN上限而發(fā)生跳電。為此，在粗軋機能力允許的條件下，將中間坯厚度按鋼卷厚度規(guī)格進行區(qū)分，逐步改到25 mm，既使粗軋機的負荷在安全范圍內(nèi)，又使精軋機實際最大負荷不超過40 000 kN，保證不銹鋼正常生產(chǎn)。

按軋線實際生產(chǎn)情況，精軋模型采取了以下特殊控制方法。

針對生產(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，各有一套獨立的學(xué)習(xí)參數(shù)，加快了對各爐抽出板坯的精軋溫度學(xué)習(xí)，同時還可通過爐間學(xué)習(xí)，進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，F(xiàn)SU模型可以將該卷信息暫時保存，同時當(dāng)開啟應(yīng)急加熱箱后，對放入應(yīng)急加熱箱的中間卷進行有效升溫控制，溫度滿足后可再次上軋線軋制，避免該卷的報廢。

由于精軋機逐步使用高速鋼軋輥，對使用的機架，實際軋制力會上升3 000—4 000 kN，對精軋機負荷分配十分不利，特別是軋制304 等不銹鋼時，本來軋制力就很高，因此FSU模型針對不同材質(zhì)的軋輥，采用了系數(shù)換算的辦法進行軋制力的設(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對PCSU模型帶來的精度控制影響。

由于304 不銹鋼的軋制對溫度的要求較高，對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)軋輥表面實際情況與板形控制情況進行調(diào)整。

針對生產(chǎn)中精軋機發(fā)生咬鋼打滑的現(xiàn)象，F(xiàn)SU模型對精軋機架間冷卻水采取帶鋼咬鋼后再延時噴射的特殊控制方法，對打滑現(xiàn)象進行了有效控制。

精軋機負荷分配的原則是F1機架的壓下量要比設(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機架壓下量逐步減小。在軋制較薄的不銹鋼時，后段機架軋制力要低些，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。

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

為控制精軋終軋溫度(FDT)，需要對穿帶速度進行調(diào)整，根據(jù)實際FDT與目標(biāo)FIYF的差值，利用Excel進行數(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)計算。

針對軋制層別規(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，進行層別問的擴展學(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到很高目標(biāo)時，對學(xué)習(xí)系數(shù)和溫度控制精度加以穩(wěn)定保持。

增加了鋼卷長度的學(xué)習(xí)，采用數(shù)學(xué)計算和自學(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。

增加了對多功能儀的可信度檢查，避免在多功能儀發(fā)生故障時，對異常數(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，對溫度學(xué)習(xí)系數(shù)進行了不斷調(diào)整，有效地將卷取溫度從850 ℃降到了

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

在模型的參數(shù)優(yōu)化確認過程中，有一個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)境下進行。在每次軋制新規(guī)格或新鋼種前都需要進行離線模擬軋鋼，利用由L3下達的預(yù)計劃數(shù)據(jù)，開動模擬器，確認模型的設(shè)定計算結(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同時聯(lián)動模擬。首先作為模型參數(shù)現(xiàn)場確認的主要手段，對離線下確定的參數(shù)做軋前最終確認，其次也可對現(xiàn)場投用的設(shè)備運行狀況進行有效確認，提高設(shè)備運、行安全系數(shù)。當(dāng)在線模擬軋鋼成功后，再進行實物板坯軋制，從而避免實物板坯軋制的損失。目前國內(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，結(jié)合初始PDI參數(shù)，利用碳鋼的Ll控制參數(shù)，進行離線的模擬軋鋼，來逐步確定各道次、各機架的壓下負荷分配系數(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，再利用4．5 lain的數(shù)據(jù)進行擴展，在模擬軋鋼后進行確定。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，達到了較高控制精度，考核鋼種為304不銹鋼，每個項目考核軋制20塊板坯，具體見表1。