УПРАВЛЕНИЕ ПРОФИЛЕМ И ПЛАНШЕТНОСТЬЮ, ОСНОВАННЫЕ НА МОДЕЛЯХ

АРЕС — автоматическое управление профилем и планшетностъю для станов горячей прокатки

Именно управление профилем является фактически очень сложным процессом, в котором объединены физические явления и физические и механические ограничения (рис. 1).

Сложность задачи контроля профиля в процессе горячей прокатки может быть охвачена полностью в основанной на моделях установке, как, например, система, разработанная совместно фирмами "МДС" (Маннесманн Демаг Сэк и Сидмар), которая описывается в следующем разделе. Число воздействий, оказываемых на профиль выходящей полосы и ее плоскостность, вряд ли может быть подсчитано статистическими моделями. Ограничения статистических моделей особенно проявляются при больших изменениях условий прокатки в отношении окончательной геометрии и/или тепловых или геометрических условий в установке.

АРЕС — автоматическое управление профилем и планшетностыо — основано на физическом описании профиля и плоскостности полосы. Поэтому АРЕС особенно перспективно в плане удовлетворения требований к заданным значениям и воспроизводимости.

Геометрия рабочего пространства валков. Модели АРЕС разделены на три основные части.1 Часть моделей, особенно приемлемых для последующей оптимизации, служит для целей физического описания геометрии зева валков. Контур очага деформации зависит, главным образом, от текущей нагрузки на валки. Под нагрузкой валки прогибаются до такой степени, что создается выпуклый контур, выраженный в большей или меньшей степени (рис. 2).

Возможность воздействия на 1 прогибание является прямой задачей управления профилем. Помимо особой регулировки валка с применением надлежащих методов вытяжки устройство изгибания рабочих валков может соответственно воздействовать на контур очага деформаци (рис. 3).

Позитивные изгибающие усилия регулируют зев валков в такой степени, что могут быть получень*7 более низкие профли плосы или можно компенсировать большие прогибы в результате ^олее высоких усилий на валках. С другой стороны, с помощью .меньших или даже отрицательных усилий изгибания могут быть получены .большие профили полос и/или может быть компенсировано температурное увеличение разнотолщинности. валков.

Кроме этого,, на геометрию очага деформации влков существенное влияние оказывает тип испольауемого начального шлифования (рис. 4). По сравнению с. цилиндрическими валками (рис. 4, а) выпуклые рабочие валки (рис. 4, с), например, позволяют уменьшить профиль зева при прочих равных условиях. Вогнутые валки (рис1. 4, Ь), с другой стороны, помогают увеличению, расстояния между Свалками.

Помимо шлифования выгнутыми и вогнутыми валками можно, использовать рабочие валки специальной формы (рис. 4, е) в сочетании с устройством смещения рабочих валков в осевом направлении. На контур очага деформации можно воздействовать, выбирая положение смещения.

Если изгибающие усилия и шлифование выпуклыми или вогнутыми валками воздействуют на всю длину бочки, то ТА валки можно использовать в комбинации с устройством осевого смещения (рис. 4, d) для уменьшения так называемого концевого понижения. Здесь рабочие валки в 4валковом прокатном стане перемещаются по оси в противоположных направлениях до тех пор, пока коническая часть валков не достигнет крайней зоны полосы и не приведет там к меньшей вытяжке. Это позволяет облегчить краевую зону и таким образом уменьшить краевое положение.

Эффектом, подобным начальному шлифованию валками, но динамическим в процессе прокатки, является зависящее от температуры увеличение прогиба валков, различное по всей длине бочки (рис. 5).

В зависимости от граничных условий, как, например, ширина полосы, температура, количество охлаждающего агента и в особенности распределение охлаждающего агента и в особенности распределение охлаждающего * агента, увеличение прогиба валков в результате температурных воздействий влияет на геометрию зева валков в достаточно существенной мере, что дает больше оснований к требованию создания физической модели.

Это в равной степени касается также и износа валков, влияние которого, однако, противоположно тепловому расширению.

Модель профиля полосы. Помимо точного изображения геометрии зева, особое внимание должно быть обращено на процессы, происходящие в полосе. При требуемом постоянстве профиля контур очага деформации должен соответствовать размеру профиля входящей полосы. Однако если требуется изменить профиль, то используется контур зева валков, который отличается от профиля входящей полосы (рис. 6). Контур очага, отличный от входного профиля, обусловливает различные вытяжки в растворе по длине полосы, что, в свою очередь, приводит к соответствующему распределению растягивающего напряжения на выходной стороне раствора (рис. 6).

В холодной прокатке плоскостность как цель прокатки доминирует над улучшением профиля, поскольку поперечное распространение тонкого материала в стане холодной прокатки приводит только к нежелательным юлениям заострения краев.

Из числа оказывающих влияние переменных, которые воздействуют на геометрию раствора валков, только несколько не поддаются воздействию, а другие легко поддаются влиянию. Упругая деформация валка под определенными нагрузками от процесса прокатай, изменение толщины валка под действием температуры в осевом направлении и износ валков, различный по длине бочки, определяются процессом прокатки. Последний менее четко выражен в геометрии зева валков при холодной прокатке в прямых калибрах, чем в ее отрицательной важности для качества поверхности полосы.

График проходов в принятом методе вытяжки позволяет воздействовать на расстояние между валками посредством параметров прокатки. Он влияет на усилия прокатки и таким образом также и на упругую деформацию валков. С этим тесно связан выбор скорости прокатки и напряжения полосы. Начальная мощность прокатки в отдельных проходах определяет экономию теплового баланса рабочих валков. Использование систем смазки и охлаждения, избирательно эффективных по ширине бочки валков, оказывает решающее влияние на возникновение тейловой разнотолщинности.

Таким образом, особую важность имеет оборудование для селективного охлаждения рабочих валков.

К некторым параметрам, на которые невозможно воздействовать, относятся, например,

асимметрия в поперечном профиле толщины полосы или • высокие значения остроты краев. Ощнако степень воздействия на геометрию раствора валков ^определяется, главным образом, выбором типа прокатного стана. В зависимости от типа стана управляющими механизмами могут быть, например, устройства изгибания валков на рабочих, промежуточных или опорных валках, а 'также возможность изменения эффективного контура валков путем смещения специально ошлифованных валков или цутем изменения разнотолщинности под гидравлическим давлением. В настоящее время широкое применение находят переменная опора рабочих валков с помощью смещения рабочих и промежуточных валков в 6валковых прокатных станах или посредством переменных опорных валков и подкладки на многовалковых станах холодной прокатки. Использование устройств селективного многозонного охлаждения на рабочих,. промежуточных и. опорных валках становится все более расширяющейся практикой для корректировки тепловых воздействий на контур очага деформации. В конечном счете, все механические попытки и попытки управления сформировать раствора валков сводятся к попыткам адаптировать очаг идеальным образом к профилю горячекатаных полос.

Селективное управление формой зева валков в функции измеренных параметров полосы на выходе из стана является сегодня стандартным оборудованием для новых или модернизируемых станов. Эффективный замкнутый контур, составляемый по измерениям плоскостности, анализ измеренных параметров и активация существующих управляющих механизмов, основанных на них, являются обычными для всех существующих концепций автоматизации. Эти управляющий системы в сочетании с эффективными управляющими механизмами гарантируют хорошие значения планшетности.

Несмотря на эффективно функционирующие цепи управления планшетностью, всегда имеются, как правило, отрезки полосы, которые находятся вне жестких допусков по плоскостности. Это касается тех условий прокатки, где за планшетностью полосы совсем не следят или за ней невозожно следить при достаточно большой динамике по оценке значений растягивающего напряжения.

Следует использовать рис. 13 для рассмотрения этой цепи. Изменение некоторых переменных процесса во времени было записано на начальном этапе ввода в промышленную эксплуатацию на нереверсивном стане холодной прокатки. На рисунке представлен проход, который будет использован в качестве примера в последующих объяснениях. Буквами А, В и С на рис. 13 обозначены типичные фазы каждого прохода. Фаза А начально означает критический период кежду установкой головного конца полосы в радтвор валков и обнаружением первого надежного t распределения растягивающего напряжения на выходе * из измеряющего планшетность ролика. 1

Отрезок полосы, полученный за это время, находится вне зоны влияния системы автоматического управления планшетностью. Поэтому здесь полагаются на опыт и быстроту реакции операторов в оценке того, возникают ли бракованные отрезки полосы. После ввода головного конца полосы в валки и сматывания в рулон обычно используют несколько метров полосы для корректировки настройки валков на заданную толщину. Таким образом, имеется необходимость в предварительном задании программы для управляющих механизмов.

Увеличение и уменьшение усилий валков в фазе В не под силу динамике даже хорошо отлаженной системы автоматического управления плоскостностью, особенно при низких скоростях прокатки. Этот недостаток может быть устранен за счет быстрой корректировки возмущений типа прямой связи. Это осуществляется посредством корректировочных заданных точек для систем изгибания валков, выведенных по динамической составляющей усилия валков.

Качество управления системы автоматического управления планшетностью (АЕС) определяется точностью, с которой характеристики, используемые в контроллере, описывают реальный управляющий механизм в течение периода постоянного параметра прокатки (фаза С). Детальный анализ процесса прокатки может также способствовать здесь точной настройке контроллера и, следовательно, оптимизации планшетности полосы.

Моделирование станов холодной прокатки. Очень важно смоделировать процесс холодной прокатки тонких полос посредством надлежащих математаических моделей для решения этих трех проблем. На этапе разработки модели они должны постоянно контролироваться и параметризироваться по значениям, получаемым с аналогичных прокатных станов.

Изгибание рабочего валка, управляемое. системой управления планшетностью (AFC), не может отслеживать снижение результирующей нагрузки на краях полосы с достаточной динамикой. Надлежащее регулирование коэффициентов и параметров, используемых в системе AFC, может быть всегда только хорошим компромиссом между быстрой реакцией и работой без перерегулирований. Использование устройств управления изгибанием с прямой связью и системы динамического управления разнотолщинностью (DCC) позволяет обеспечить более быструю реакцию исполнительных механизмов на изменения нагрузки валков.

Автоматическое управление планшетностъю (AFC). Путь сигнала с момента обнаружения погрешности в плоскостности до селективного включения отдельных элементотв управления показан на рис. 25, где представлена замкнутая система управления плоскостностью. Здесь также мы используем 6валковый прокатный стан модели UC, чтобы показать схематически действие AFC, так как это самое сложное решение.

Измерение распределения напряжений в полосе и учет эталонной кривой требуемой плоскостности позволяют провести математический анализ и оценку доли погрешностей, которые должны устраняться определенными управляющими элементами. При выборе типа тензиометрического валка, установленного в начале обработки сигналов, должны быть уже учтены спектр изделий соответствующего ста, на и связанные с ними параметры прокатки. Сейчас все большее распространение получают тензиометры со смешанными широкими и узкими зонами измерений. Это дает преимущество в отношении точности представления погрешностей в планшетности по краям полосы.

Дополнительная возможность увеличения качества изделий состоит в составлении соответствующих эталонных кривых. На рис. 26 с помощью примера показано, что "горячая” планшетность, которая может быть измерена во время прокатки, отличается от "холодной" плоскостности готового изделия. Это объясняется изменяющимся распределением напряжений в рулоне вследствие охлаждения и температурной гомогенизации. Анализ напряжений в полосе с выводом всех теоретических значений, связанных с механическими управляющими механизмами, является основой замкнутой системы управления планшетностью. Методы, используемые здесь для оценки возможностей управления, уже были описаны в разделе.

Оценка погрешностей методом наименьших квадратов выполняется с помощью характеристических кривых, называемых функциями оценки. Очевидно, что основными параметрами этих кривых являются ширина полосы и отношение диаметра рабочего валка к длине рабочей поверхности рабочего валка. Здесь также имеется возможность, как и в случае системы динамического управления разнотолщинностью, получать 8ти параметры из справочных таблиц или использовать маломасштабную модель очага деформации. Регулирование оптимального зева валков производится также и вне фаз ускорения и торможения, что предъявляет высокие требования к динамике управления, посредством точной оценки и смоделированных элементов управления (здесь изгибание рабочих и промежуточных валков). Прокатный 6 валковый стан с двумя независимыми системами изгибания валков может идеально корректировать эти условия формообразования, которые изменяются в основном в краевых зонах

Все еще есть возможности существенного увеличения производительности современных станов холодной прокатки в плане качества планшетности и объема выпуска за счет взаимодействия программ расчетов, процессов управления и систем управления, которые были здесь представлены. Несмотря на оборудование прокатных станов эффективными управляющими элементами, которые облегчают адаптирование раствора валков к различным материалам и условиям нагрузки идеальным образом, ограничения управления плоскостности в цепях управления относятся ко всем типам прокатных станов. Метод измерения распределения напряжений на входе не гарантирует возможности полного контроля и управления процессом в любой момент во время прокатки. Устранение этих недостатков является, задачей представленных процессов.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 4, Москва 1994