1 控制軋制系統概況
濟南鋼鐵集團總公司中厚板廠（簡稱濟鋼中厚板廠）精軋機是2023年上半年投產的具備自動控軋功能的四輥軋機，裝備有液壓彎輥、液壓agc，配備2臺7000kw直流調速電機，軋制壓力高達68.6mn，咬拋速度快，軋制時間短。其電氣控制和自動化控制系統全部採用西門子最新技術，自動控制工藝是該軋機控制軋制技術中的核心內容，於2023年下半年除錯成功，可進行高速度、大批量品種板的生產。
傳統四輥軋機的鋼板控軋生產，大都採用人工工藝控制，其缺點是工藝引數控制不穩，鋼板效能波動較大，軋制的間歇時間長，生產能力低於普通鋼的生產。濟鋼中厚板廠的控制軋制系統，通過兩級高速度的過程控制網路進行計算機控制，精確計算、控制軋制中關鍵工藝引數，系統要達到的目標是：
（1）建立可人工修改的鋼種資料庫，其關鍵工藝引數作為自動控制軋制的基本依據。
（2）用具備自適應功能的軋制過程中溫降數學模型準確控制各時間段開軋、終軋溫度。
（3）鋼板效能合格且穩定。
（4）實現軋機無等待連續軋制，提高生產能力。
2 自動控軋工藝
2.1 一次控軋工藝
一次控軋工藝流程如圖1所示。系統開軋時，主程式先到l2伺服器的鋼種資料庫中檢索當前要軋鋼種的工藝控制引數，包括軋制規格、粗軋機軋制中間坯厚度、精軋機終軋溫度等。粗軋機軋後的中間坯溫度為1020～1050℃，系統由溫度檢測1檢測到中間坯實際溫度後，即根據自動排定的精軋機壓下規程和設定的終軋溫度，由軋制過程中鋼板的溫降模型計算出實際的開軋溫度和中間坯在e2輥道上自動游動的時間，當中間坯游動時間到或者溫度檢測2檢測到中間坯溫度達到實際開軋溫度後，中間坯自動送入軋機進行連續無等待軋制，直到結束。
在精軋機軋制過程中，粗軋機仍可保持連續開坯，後續的中間坯可在e4、e2輥道上自動游動降溫，從而保持了雙機架的連續生產。一次控軋工藝主要用來生產20g、16mng、q345c、a、b級船板等專用鋼種，不要求很高的低溫衝擊韌性，精軋機的實際開軋溫度不大於910℃，終軋溫度820～860℃，精軋機總變形量不小於45%，道次變形量15%～25%，全部變形處在鋼板的未再結晶區域，保持了較好的強韌效能。實踐結果證明，用一次控制工藝生產的品種鋼初驗效能合格率達到100%。
圖1 一次控軋工藝流程
2.2 二次控軋工藝
二次控軋工藝流程如圖2所示。
圖2 二次控軋工藝流程
系統開軋時，l2伺服器需要檢測到軋制規格、粗軋機開坯厚度（一次中間坯厚度）、精軋機第二次開軋時的中間坯厚度（二次中間坯厚度）、二次中間坯開軋溫度、鋼板終軋溫度等。精軋機第一次開軋的溫度控制在(1000±20)℃，屬於完全再結晶和部分再結晶上限溫度範圍，防止了晶粒的不均勻化，由溫度檢測2實現開軋控制。軋到設定的二次中間坯厚度後，溫度一般在960～980℃，二次中間坯自動執行到x3輥道上游動，精軋機同時開始下一支鋼的軋制。
下一支鋼軋到二次中間坯厚度後，自動退回到e2或e3（視鋼板終軋後長度而定）輥道上游動。當溫度檢測3檢測到在x3輥道上游動的鋼達到模型計算的二次開軋溫度後，即送入軋機連續軋制，在e2或e3游動的鋼的二次開軋由溫度檢測2控制，如此實現兩支鋼為一組的連續控軋。精軋機第一次軋制盡可能採用較大的道次變形量，一般為20%～25%，可有效提高此溫度區域的再結晶數量。
二次開軋溫度控制在820～860℃，一般軋制3～4道次，總變形量不低於50%，最後三道次變形量不低於20%，終軋溫度可降到760～800℃。二次控軋工藝主要用來生產d、e級船板、jg590等要求較高的強度和低溫衝擊韌性的專用板。生產實踐表明，用二次控軋工藝生產的這類品種板一次合格率超過99%。
3 關鍵因素的控制
3.1 精確的輥道邏輯控制
在精軋機前後輥道上，裝有多個熱金屬檢測器，實現對輥道執行的自動控制。系統採用西門子先進的邏輯控制技術，不僅反應速度快，而且具有準確的記憶功能，對各軋制階段多個軋件的位置、行為進行準確控制，是整個系統實現自動化控制的前提。
3.2 溫降數學模型
軋制過程中溫降數學模型是熱機軋制系統中的關鍵，只有模型預報精度高，才能保證鋼板控軋的質量。溫降模型主要根據如下引數進行計算：軋制時的鋼板溫度、鋼板厚度、電機轉速、道次壓下量、軋制壓力、軋輥冷卻水量、空氣溫度、道次間隙時間等，這些引數值系統可根據實測或其他模型計算取得。
每一道次軋完後，系統立即將溫度實測值與模型計算值進行比較，以決定是否進行自適應。以鋼板的終軋溫度為例，控軋範圍在820～860℃時，實際終軋溫度與設定溫度相差十幾度，誤差不超過2%，完全滿足高精度的控軋要求。
3.3 合適中間坯厚度的選擇
在本系統中，中間坯厚度（包括一次中間坯和二次中間坯厚度）的選擇至關重要，它起到了以乙個引數的改變影響其它所有控制引數的作用。對中間坯厚度的控制主要體現在以下幾個方面：
（1）保證精軋階段的累積變形量。因為精軋機變形速度快，軋制壓力大，累積變形量大，有助於細化晶粒，提高鋼板的強韌性指標。一般一次控軋工藝中精軋階段累積變形量不低於45%，二次控軋工藝中精軋機第二階段的累積變形量不低於50%。
（2）兼顧軋機的生產能力。因為中間坯厚度直接影響到軋件軋制過程中的溫降速度，如果厚度選擇不合適，將會延長道次間的等待時間，嚴重降低生產能力。
（3）以自適應的方式優化最佳中間坯厚度。
從以上分析可以看出，中間坯厚度直接影響到鋼板最終的效能指標和軋機的生產能力，對控制軋制某一規格範圍的品種鋼而言，用回歸分析法，可以得出最佳的中間坯厚度，在完全保證產品效能指標的前提下，實現軋機的最大生產能力。圖3以生產16mnr 28mm鋼板為例，說明了最佳中間坯的確定辦法。將各鋼種某一規格範圍內的最佳中間坯厚度寫進鋼種資料庫，通過系統的精確控制，實現全自動、最優質量和產量的品種鋼控軋生產。
圖3 28mm 16mnr 一次控軋中間坯厚度與指標
（200mm×1250mm×2500mm 軋制28mm×2000mm×6000mm。
各項效能的最低要求值分別為：σs325mpa；σb490mpa；δ521%；ak31j。）
4 兩種控軋工藝的對比試驗
為進一步說明兩種控軋工藝所具備的不同特點，用對軋制工藝要求很高的dh36鋼對兩種控軋工藝做了生產對比試驗，採用原料為200mm×1250mm×2500mm,軋制規格為25mm×2200mm×10000mm，原料成分如表1所示。
表1 dh36鋼化學成分 %
一次控軋工藝為：粗軋機開軋溫度為1120℃，終軋溫度1000℃，中間坯厚52mm，在輥道上游動降溫至870℃後送入精軋機連續軋制4道次，終軋溫度800℃，軋後空冷。二次控軋工藝為：
粗軋機開軋溫度為1120℃，終軋溫度1000℃，一次中間坯厚度（粗軋機開坯厚度）為85mm。然後精軋機進行第一次軋制，連軋2道次，軋後溫度約930℃；二次中間坯厚48mm，接著游動降溫至840℃進行二次軋制，連軋3道次，終軋溫度780℃，軋後空冷。兩種控軋工藝效能如表2所示。
表2 dh36兩種控軋工藝效能比較
由試驗結果可以看出，在原料成分幾乎沒有差異的情況下，兩種控軋工藝結果有很大差別。一次控軋工藝鋼的強度值很高，但塑性和低溫衝擊指標卻接近下限；二次控軋工藝不僅提高了強度值，更使塑性和低溫韌性值迅速脫離下限，但缺點是機時產量較大幅度下降。二次控軋工藝之所以將強韌性指標提高，主要是因為精軋一階段壓下量大，道次間隙時間稍長，奧氏體再結晶數量增多；其次二階段開軋和終軋溫度都有所降低，道次變形量大，產生更多量的變形帶，終軋後冷卻過程中，鐵素體晶粒和珠光體片層間距進一步縮小，從而改善了強韌性。
因此，對於本控軋系統而言，根據不同鋼種的質量要求，選擇不同的控軋方式，使質量要求和產量要求達到合理的配合，取得經濟效益的最大化。該系統自2023年下半年開始先後採用一次控軋和二次控軋兩種方式進行專用板的生產，積累了豐富的實踐經驗，尤其是對一次控軋專用板生產的應用，現在已完全滿足了大批量、高速度生產的要求。表3列舉了2023年1～5月份用一次控軋方式生產的主要鋼種與2023年同期生產指標資料的對比。
從對比資料中可以看出，一次控軋比常規軋制不僅擴大了生產規格範圍，而且使一次合格率、成材率、機時產量等生產指標都有了大幅度的提高。
表3 一次控軋與常規軋制品種鋼生產指標對比
5 結論
5.1 傳統中厚板生產控軋工藝和先進的自動化控制技術可以做到較好的結合，使控軋工藝更準確、產品效能更穩定，同時可大幅度提高軋機的利用係數，提高機時產量。濟鋼中厚板廠在自動控軋系統投用前，品種專用鋼板的一次合格率僅為90%，機時產量最高為100t,系統投用後一次合格率近100%，機時產量提高到140t，增幅達30%以上，提高了經濟效益。
5.2 在自動控軋系統中，中間坯厚度是最關鍵、最容易控制的工藝引數，調整中間坯厚度可起到調控整個系統的作用。根據不同鋼種的質量要求，可選擇一次控軋工藝或二次控軋工藝，以達到產量最大化的目的。
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