李玉良 李 坤 錢 猛
摘 要：電氣自動化技術是現代鋼鐵工業實現現代化發展的重要基礎，是保證產品質量的穩定性、提高市場信譽的關鍵。帶鋼熱連軋工藝集合了當今裝備行業各種高新技術應用，日益成熟的熱連軋電氣自動化技術提高了生產效率，改進了產品精度和性能，帶來了巨大的經濟效益。因此熱連軋智能化技術應用具有創新的重要意義。
關鍵詞：智能化；工藝流程；模型
0 引言
為什么智能制造如此重要？ 前哈佛大學教授，著名經濟學家、世界銀行經濟顧問霍利斯·錢納里曾在《工業化和經濟增長比較研究》一書中指出：“以制造業增長為代表的經濟結構轉變，會加速經濟增長進程；制成品出口導向國家，經濟結構變化速度較快，國內外產業聯系程度更高，制造業對增長貢獻也更大。”我國經濟高速發展在于成功利用了人口帶來的勞動力優勢。據工信部2019年的數據，我國制造業增加值達26.9萬億元，占全球比重28.1%，連續十年保持世界第一制造大國地位。目前面臨著來自內外兩方面的挑戰。 一內部，國內制造業“用工荒”逐年加劇，疫情之后一度成為社會熱點。人口紅利使低端產業造成了對低成本勞動力的依賴，而年輕群體則不再滿足于傳統制造業工人微薄的收入。 二外部，以德國提出 “第四次工業革命”、美國“智能制造領導聯盟”、英國《英國工業2050戰略》等等為首。在國際范圍內，多個政府或組織正在大力推動新型高自動化制造形式，智能制造已逐漸成為新的趨勢。智能制造技術起到關鍵作用。其目標是高效率、高質量，關鍵技術包括智能傳感、AI技術、大數據技術等。
1 熱連軋帶鋼工藝生產流程線的組成
1.1 板坯庫
為了節省能源希望能加大熱裝比例，但為了便于軋制品種靈活變動和產品寬度規格調整，以及緩沖軋機與連鑄機生產能力的不協調，因此需要設置板坯庫以堆放板坯。板坯在庫內有規則的放置，考慮到板坯爐里溫度高由生產控制級計算機通過無線遙控吊車進行吊裝，減少了人員設置，確保了本質安全。智能物流模塊。釆用激光成像、無線通信、電子防搖、微波測距等技術，實現熱軋板坯庫智能庫管與行車無人化控制，成為熱軋板坯庫物流無人化車間。
加熱爐是軋線用來加熱板坯的，現在應用最為廣泛的是四段步進式加熱爐，利用汽化冷卻原理保護爐體運行，其能有效減小水印，提高板坯溫度的均勻性，一般板坯的出爐溫度為1250℃左右。板坯加熱質量將直接影響軋制帶鋼質量。板坯的上下面加熱不均將在粗軋時形成翹頭或扣頭，長度方向加熱不均將影響成品厚度精度等帶鋼全長質量指標。爐內殘氧含量實時分析是關鍵指標，不僅會造成氧化鐵皮數量的變化，空煙外排帶走了熱量加大了能源消耗，必須控制在2%以內。
1.3 粗軋機
粗軋機現在較為流行的是板坯厚度低于200㎜采用單機架四輥或兩輥軋機方案，即采用一架強力粗軋機進行3～7道次可逆制制來滿足精軋的坯料要求。當板坯厚度大于230㎜時粗軋采用雙機架串聯的布置方案。為達到提高精軋入口溫度的目的，除了減少粗軋軋制時間提高粗軋出口溫度外，也可以在粗軋機出口設計保溫罩或熱卷箱。
1.4 精軋機組
精軋機組是帶鋼熱連軋生產線的核心設備，產品質量主要取決于精軋機組的裝備水平和控制水平。精軋機組主要包括入口側導板、飛剪、精軋除鱗箱、精軋機架（現以7架四輥軋機最為普遍）、除鱗水裝置、熱軋工藝潤滑裝置、活套裝置、板形控制裝置等。精軋終軋溫度一般控制在850～900付左右，以保證精軋機組能在奧氏體范圍內軋出成品帶鋼。
1.5 卷取機
卷取區設有側導板、夾送輥、卷取機，在帶鋼咬入卷取機后及時建立張力，保證成品卷不出塔形，邊部整齊。目前普遍采用機前側導板采用伺服閥執行壓力環+位置環控制方式，液壓助卷輥以實現自動踏步控制（AJC），其目的是使帶鋼頭部能無沖擊地平穩進入每個助卷輥，保證帶鋼表面不出現壓痕和避免對助卷機構造成沖擊損傷。現在卷取機多數采用三個助卷輥，結構和維護相對簡單實用。卷取機的能力（最大卷取厚度，卷徑和卷取速度）限制了已有軋機能力的進一步提高及產品的最大厚度規格，目前設計能力厚度一般是不超過25㎜。
2 熱連軋電氣自動化技術
熱連軋電氣自動化系統多數廠家采用由三級構成，即：（1）基礎自動化級（L1級），主要完成設備的順序控制、位置控制、速度控制等任務。（2）過程自動化級（L2級），主要執行基于數學模型的軋制規程制定與優化功能，完成工藝過程參數的設定計算任務。（3）生產控制管理級（L3/L4級），主要完成生產管理任務。
2.1 基礎自動化級（L1級）
基礎自動化級主要包括自動位置控制（APC）、自動厚度控制（AGC）、自動寬度控制（AWC）、板形控制（ASC）、卷取溫度控制等，其中又以自動厚度控制（AGC）最為重要。AGC系統的控制模式和控制算法有很多，例如基于彈跳方程的GM-AGC，基于X射線測厚儀的監控AGC、動態設定型AGC、相對AGC、絕對AGC、軋制力前饋AGC、硬度前饋AGC等。在一個實際的AGC系統中往往包含了多種控制模式。
2.1.1 彈跳方程與出口厚度檢測
由著名的彈跳方程式得出：h＝So+P/C（2-1）
考慮到軋機零調及軸承油膜厚度對輥縫的影響以及一些不可測因素，因此實際板厚應為h＝S+（P—p）/C h精軋出口厚度
P 軋制力 p零調壓力 C軋機剛度
2.1.2 厚度給定值的確定
厚度給定值的確定分為兩種方法，即絕對AGC和相對AGC。絕對AGC是以各機架按照負荷分配原則所設定的出口厚度作為該機架AGC系統控制的目標厚度。絕對AGC理論上具有合理性，但由于基于彈跳方程的板厚間接測量方法精度較低，絕對AGC要想達到理想的使用效果，仍然面臨著比較大的困難。和絕對AGC相比，相對AGC使用更普遍，也更成熟。所謂相對AGC是指不論是否符合厚度設定值，各機架厚度控制系統均以末機架帶鋼頭部實際軋出厚度的測量值連續測量一定數量的平均厚度作為厚度目標值。相對AGC首先避免了AGC系統以設定厚度作為目標值投入后所引起的大范圍壓下調整，有利于軋制過程的穩定，保證了通板同條差穩定。其次，相對AGC采用鎖定板厚的方法可以消除基于彈跳方程的厚度測量方法的系統固有誤差的影響。相對AGC的缺點是可能造成實際軋制狀況與計算規程出現較大偏差，軋制負荷分配失準，且帶鋼頭部絕對厚度精度缺乏保證。
2.1.3 X-監控 AGC
基于彈跳方程的間接測量方法測量精度較低，根本不能滿足對產品質量的要求，因此為保證成品帶鋼的絕對厚度，即使已經存在GM-AGC，且不論是絕對AGC還是相對AGC，都需要X射線測厚儀所給出的厚度偏差實測值對AGC系統實時監控，并及時將實測值和目標值比較反饋到上位機安排執行修正。
檢測值——給定值（對比后）——調節量——反饋到上位機——AGC動作調整——檢測這個過程是閉環執行。
2.1.4. 鑒于帶鋼生產的連續性，表面質量的控制改進始終是當前面臨的難題。出現表面缺陷時，由人工進行設備與工藝的排査，耗時耗力，效率低。表面質量中的帶鋼表面氧化鐵皮壓入、邊部線狀缺陷等是目前的突出質量問題，用戶質量異議、抱怨較多。采用大數據分析技術，開展表面氧化鐵皮、邊線缺陷AI建模、缺陷智能診斷研究。研究工作包括數據準備與處理、AI建模、工藝診斷優化三部分。對于AI模型，探索了多種建模方法，最終發現以Xgboost建立的表面缺陷預測模型綜合精度最好，AUC值(學習器性能優劣衡量指標))達到0.92。
2.2 過程自動化（L2級）
過程自動化包括設定計算和設定、軋件跟蹤、數據通訊、數據記錄和報表、模擬軋鋼以及數學模型等。數學模型中以精軋設定模型應用得最好。精軋設定模型主要包括以下幾個數學模型：1）溫度預報模型；2）軋制力預報模型；3）軋制功率、軋制力矩預報模型；4）軋機彈跳模型；5）輥縫計算模型。其中軋制力預報模型是重點。軋制力數學模型中除了考慮軋件的寬度和軋輥的接觸弧長之處，把軋制力分解成兩個函數的乘積。一個是變形抗力，另一個是應力狀態系數。因此，
Fi=Kmi*Qpi＊L*W
式中F-軋制力，kN；Km-變形抗力，kg/mm2；QP-應力狀態系數；Ld-軋輥的接觸弧長，mm；W-軋件的寬度mm
2.3 生產控制管理級
生產控制管理主要包括合同管理、軋制計劃編排、產品質量管理系統、作業記錄、軋制數據存儲及管理、板坯及鋼卷庫管理、產品發貨管理、財務管理、各生產線的相互協調、按合同申請材料、跟蹤生產情況和質量情況、組織成品出廠發貨等任務。不同的鋼鐵企業會根據自己的管理體制設置相應的管理功能來豐富其中的內涵。
3 熱連軋電氣自動化技術的創新發展
對熱連軋電氣自動化技術的創新研究方向主要是：
（1）自動厚度控制（AGC）；自動厚度
控制模式和控制算法較多，而且一個實際的系統中也往往包含了前饋 反饋 監控等多種控制模式，但不管哪種控制模式，AGC系統作為一個快捷執行者都要按照彈塑方程落實結果。對AGC控制結構、控制策略、和控制算法的改進與創新是一個不斷不展的過程，尤其是控制速度，伺服閥的精度是重點。
（2）熱連軋數學模型；現階段數學模型里設定模型和溫度模型應用較好，但板形模型普遍存在問題，需要在板形模型上加大投入力度，不斷在模型上融入新技術，使模型的軟件趨于標準化、產品化、適用于各種類型的熱軋生產線，并在模型上加上自適應修正，使模型能夠自學習。目前看多數模型基礎來自于國外，國內吸收改進后在精細化存在一定差距。
4 結束語
熱軋電氣自動化控制技術本身是個復雜的控制體系，它的應用對鋼鐵廠至關重要，必須不斷創新發展自動化技術，不僅可以提高生產效率，并且大大改進產品精度和性能，減少人工投入帶來本質安全，帶來巨大的經濟效益，具有重要的意義。
參考文獻
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