李玉良 李 坤 钱 猛
摘 要：电气自动化技术是现代钢铁工业实现现代化发展的重要基础，是保证产品质量的稳定性、提高市场信誉的关键。带钢热连轧工艺集合了当今装备行业各种高新技术应用，日益成熟的热连轧电气自动化技术提高了生产效率，改进了产品精度和性能，带来了巨大的经济效益。因此热连轧智能化技术应用具有创新的重要意义。
关键词：智能化；工艺流程；模型
0 引言
为什么智能制造如此重要？ 前哈佛大学教授，著名经济学家、世界银行经济顾问霍利斯·钱纳里曾在《工业化和经济增长比较研究》一书中指出：“以制造业增长为代表的经济结构转变，会加速经济增长进程；制成品出口导向国家，经济结构变化速度较快，国内外产业联系程度更高，制造业对增长贡献也更大。”我国经济高速发展在于成功利用了人口带来的劳动力优势。据工信部2019年的数据，我国制造业增加值达26.9万亿元，占全球比重28.1%，连续十年保持世界第一制造大国地位。目前面临着来自内外两方面的挑战。 一内部，国内制造业“用工荒”逐年加剧，疫情之后一度成为社会热点。人口红利使低端产业造成了对低成本劳动力的依赖，而年轻群体则不再满足于传统制造业工人微薄的收入。 二外部，以德国提出 “第四次工业革命”、美国“智能制造领导联盟”、英国《英国工业2050战略》等等为首。在国际范围内，多个政府或组织正在大力推动新型高自动化制造形式，智能制造已逐渐成为新的趋势。智能制造技术起到关键作用。其目标是高效率、高质量，关键技术包括智能传感、AI技术、大数据技术等。
1 热连轧带钢工艺生产流程线的组成
1.1 板坯库
为了节省能源希望能加大热装比例，但为了便于轧制品种灵活变动和产品宽度规格调整，以及缓冲轧机与连铸机生产能力的不协调，因此需要设置板坯库以堆放板坯。板坯在库内有规则的放置，考虑到板坯炉里温度高由生产控制级计算机通过无线遥控吊车进行吊装，减少了人员设置，确保了本质安全。智能物流模块。釆用激光成像、无线通信、电子防摇、微波测距等技术，实现热轧板坯库智能库管与行车无人化控制，成为热轧板坯库物流无人化车间。
加热炉是轧线用来加热板坯的，现在应用最为广泛的是四段步进式加热炉，利用汽化冷却原理保护炉体运行，其能有效减小水印，提高板坯温度的均匀性，一般板坯的出炉温度为1250℃左右。板坯加热质量将直接影响轧制带钢质量。板坯的上下面加热不均将在粗轧时形成翘头或扣头，长度方向加热不均将影响成品厚度精度等带钢全长质量指标。炉内残氧含量实时分析是关键指标，不仅会造成氧化铁皮数量的变化，空烟外排带走了热量加大了能源消耗，必须控制在2%以内。
1.3 粗轧机
粗轧机现在较为流行的是板坯厚度低于200㎜采用单机架四辊或两辊轧机方案，即采用一架强力粗轧机进行3～7道次可逆制制来满足精轧的坯料要求。当板坯厚度大于230㎜时粗轧采用双机架串联的布置方案。为达到提高精轧入口温度的目的，除了减少粗轧轧制时间提高粗轧出口温度外，也可以在粗轧机出口设计保温罩或热卷箱。
1.4 精轧机组
精轧机组是带钢热连轧生产线的核心设备，产品质量主要取决于精轧机组的装备水平和控制水平。精轧机组主要包括入口侧导板、飞剪、精轧除鳞箱、精轧机架（现以7架四辊轧机最为普遍）、除鳞水装置、热轧工艺润滑装置、活套装置、板形控制装置等。精轧终轧温度一般控制在850～900付左右，以保证精轧机组能在奥氏体范围内轧出成品带钢。
1.5 卷取机
卷取区设有侧导板、夹送辊、卷取机，在带钢咬入卷取机后及时建立张力，保证成品卷不出塔形，边部整齐。目前普遍采用机前侧导板采用伺服阀执行压力环+位置环控制方式，液压助卷辊以实现自动踏步控制（AJC），其目的是使带钢头部能无冲击地平稳进入每个助卷辊，保证带钢表面不出现压痕和避免对助卷机构造成冲击损伤。现在卷取机多数采用三个助卷辊，结构和维护相对简单实用。卷取机的能力（最大卷取厚度，卷径和卷取速度）限制了已有轧机能力的进一步提高及产品的最大厚度规格，目前设计能力厚度一般是不超过25㎜。
2 热连轧电气自动化技术
热连轧电气自动化系统多数厂家采用由三级构成，即：（1）基础自动化级（L1级），主要完成设备的顺序控制、位置控制、速度控制等任务。（2）过程自动化级（L2级），主要执行基于数学模型的轧制规程制定与优化功能，完成工艺过程参数的设定计算任务。（3）生产控制管理级（L3/L4级），主要完成生产管理任务。
2.1 基础自动化级（L1级）
基础自动化级主要包括自动位置控制（APC）、自动厚度控制（AGC）、自动宽度控制（AWC）、板形控制（ASC）、卷取温度控制等，其中又以自动厚度控制（AGC）最为重要。AGC系统的控制模式和控制算法有很多，例如基于弹跳方程的GM-AGC，基于X射线测厚仪的监控AGC、动态设定型AGC、相对AGC、绝对AGC、轧制力前馈AGC、硬度前馈AGC等。在一个实际的AGC系统中往往包含了多种控制模式。
2.1.1 弹跳方程与出口厚度检测
由著名的弹跳方程式得出：h＝So+P/C（2-1）
考虑到轧机零调及轴承油膜厚度对辊缝的影响以及一些不可测因素，因此实际板厚应为h＝S+（P—p）/C h精轧出口厚度
P 轧制力 p零調压力 C轧机刚度
2.1.2 厚度给定值的确定
厚度给定值的确定分为两种方法，即绝对AGC和相对AGC。绝对AGC是以各机架按照负荷分配原则所设定的出口厚度作为该机架AGC系统控制的目标厚度。绝对AGC理论上具有合理性，但由于基于弹跳方程的板厚间接测量方法精度较低，绝对AGC要想达到理想的使用效果，仍然面临着比较大的困难。和绝对AGC相比，相对AGC使用更普遍，也更成熟。所谓相对AGC是指不论是否符合厚度设定值，各机架厚度控制系统均以末机架带钢头部实际轧出厚度的测量值连续测量一定数量的平均厚度作为厚度目标值。相对AGC首先避免了AGC系统以设定厚度作为目标值投入后所引起的大范围压下调整，有利于轧制过程的稳定，保证了通板同条差稳定。其次，相对AGC采用锁定板厚的方法可以消除基于弹跳方程的厚度测量方法的系统固有误差的影响。相对AGC的缺点是可能造成实际轧制状况与计算规程出现较大偏差，轧制负荷分配失准，且带钢头部绝对厚度精度缺乏保证。
2.1.3 X-监控 AGC
基于弹跳方程的间接测量方法测量精度较低，根本不能满足对产品质量的要求，因此为保证成品带钢的绝对厚度，即使已经存在GM-AGC，且不论是绝对AGC还是相对AGC，都需要X射线测厚仪所给出的厚度偏差实测值对AGC系统实时监控，并及时将实测值和目标值比较反馈到上位机安排执行修正。
检测值——给定值（对比后）——调节量——反馈到上位机——AGC动作调整——检测这个过程是闭环执行。
2.1.4. 鉴于带钢生产的连续性，表面质量的控制改进始终是当前面临的难题。出现表面缺陷时，由人工进行设备与工艺的排査，耗时耗力，效率低。表面质量中的带钢表面氧化铁皮压入、边部线状缺陷等是目前的突出质量问题，用户质量异议、抱怨较多。采用大数据分析技术，开展表面氧化铁皮、边线缺陷AI建模、缺陷智能诊断研究。研究工作包括数据准备与处理、AI建模、工艺诊断优化三部分。对于AI模型，探索了多种建模方法，最终发现以Xgboost建立的表面缺陷预测模型综合精度最好，AUC值(学习器性能优劣衡量指标))达到0.92。
2.2 过程自动化（L2级）
过程自动化包括设定计算和设定、轧件跟踪、数据通讯、数据记录和报表、模拟轧钢以及数学模型等。数学模型中以精轧设定模型应用得最好。精轧设定模型主要包括以下几个数学模型：1）温度预报模型；2）轧制力预报模型；3）轧制功率、轧制力矩预报模型；4）轧机弹跳模型；5）辊缝计算模型。其中轧制力预报模型是重点。轧制力数学模型中除了考虑轧件的宽度和轧辊的接触弧长之处，把轧制力分解成两个函数的乘积。一个是变形抗力，另一个是应力状态系数。因此，
Fi=Kmi*Qpi＊L*W
式中F-轧制力，kN；Km-变形抗力，kg/mm2；QP-应力状态系数；Ld-轧辊的接触弧长，mm；W-轧件的宽度mm
2.3 生产控制管理级
生产控制管理主要包括合同管理、轧制计划编排、产品质量管理系统、作业记录、轧制数据存储及管理、板坯及钢卷库管理、产品发货管理、财务管理、各生产线的相互协调、按合同申请材料、跟踪生产情况和质量情况、组织成品出厂发货等任务。不同的钢铁企业会根据自己的管理体制设置相应的管理功能来丰富其中的内涵。
3 热连轧电气自动化技术的创新发展
对热连轧电气自动化技术的创新研究方向主要是：
（1）自动厚度控制（AGC）；自动厚度
控制模式和控制算法较多，而且一个实际的系统中也往往包含了前馈 反馈 监控等多种控制模式，但不管哪种控制模式，AGC系统作为一个快捷执行者都要按照弹塑方程落实结果。对AGC控制结构、控制策略、和控制算法的改进与创新是一个不断不展的过程，尤其是控制速度，伺服阀的精度是重点。
（2）热连轧数学模型；现阶段数学模型里设定模型和温度模型应用较好，但板形模型普遍存在问题，需要在板形模型上加大投入力度，不断在模型上融入新技术，使模型的软件趋于标准化、产品化、适用于各种类型的热轧生产线，并在模型上加上自适应修正，使模型能够自学习。目前看多数模型基础来自于国外，国内吸收改进后在精细化存在一定差距。
4 结束语
热轧电气自动化控制技术本身是个复杂的控制体系，它的应用对钢铁厂至关重要，必须不断创新发展自动化技术，不仅可以提高生产效率，并且大大改进产品精度和性能，减少人工投入带来本质安全，带来巨大的经济效益，具有重要的意义。
参考文献
[1] 孙一康.带钢热连轧的模型与控制.冶金工业出版社，2002.
[2] 丁修堃.轧制过程自动化.冶金工业出版社，2005.
[3] [日]镰田正诚.板带连续轧制.冶金工业出版社，2002.
[4] 刘玠.热轧生产自动化技术.冶金工业出版社2006.