CN101443135A - 集成地监测和控制带材平整度和带材轮廓的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

在具有轧机的铸造设备中控制带材形状的设备和方法。目标厚度轮廓作为带材的所测量的入口厚度轮廓的函数被计算，同时满足轮廓和平整度操作要求。来自带材中的纵向应变的差分应变反馈由控制***通过比较出口厚度轮廓和目标厚度轮廓而计算出，并且生成控制信号以控制能够影响到由热轧机处理的带材的形状的装置。前向反馈控制参考和/或敏感度矢量也可以作为目标厚度轮廓的函数被计算，并用以生成发送到控制装置的控制信号。控制装置可以选自包括弯曲控制器、间隙控制器和冷却剂控制器的组的一个或多个。

Description

集成地监测和控制带材平整度和带材轮廓的方法和设备
背景技术
在薄钢带材的连续铸造中，熔态金属由铸辊直接铸造为薄的带材。值得注意的是，薄铸带材的形状由铸辊的铸造面的表面决定。
在双辊铸造机(two roll caster)中，熔态金属被引入到一对反向旋转且横向定位的铸辊之间，铸辊被内部冷却，这样使得在移动的铸辊的表面上固化形成金属壳并且所述金属壳在铸辊之间的压铸区处形成一体，以生产出薄铸带材成品。术语“压铸区(nip)”这里指铸辊彼此距离最近的大致区域。熔态金属可以通过在压铸区之上的包括可移动中间包和中心喷嘴的金属传送***从钢包中倒出，以形成支持在压铸区之上的辊的铸造面上并沿压铸区的长度延伸的熔态金属熔池。熔池通常限定在滑动耦接于铸辊的端部表面以限制熔池的两个端部的耐火侧板或侧封挡之间。
薄铸带材向下穿过铸辊之间的压铸区并然后进入横跨导向平台的过渡路径至夹辊机架。
在退出夹辊机架之后，薄铸带材进入并穿过热轧机，在热轧机处带材的几何外形(例如，厚度、轮廓(profile)、平整度)可以以受控制的方式而得以改变。
在热轧机的下游处的装置处“测量的”带材平整度和张力轮廓不足用以在实际中控制热轧机，这是因为不同于冷轧机(其中所测量的带材的下游平整度或张力轮廓很类似于离开轧机所产生的平整度或张力轮廓)，平整度或张力轮廓可以由于蠕变的作用而有差别。在提高的温度状态下，钢响应于在轧机的入口和出口处的张应力并以蠕变的形式发生塑性变形。在带材进入和退出轧机的区域中的在辊隙(roll gap)之外发生的塑性变形导致入口和出口张应力轮廓、带材平整度及带材轮廓变化。
在钢热轧机的出口处的高的带材温度也使得难以通过直接接触来测量带材平整度或张应力轮廓。用于平整度测量的非接触光学方法已经得以使用。但是，这样的非接触平整度测量导致只进行部分的平整度测量，这是由于在任一给定时间仅部分的带材显示出可测量的平整度缺陷。另外，在带材中的蠕变导致在辊支架出口处的带材的平整度显著恶化于下游在实际平整度测量位置处所测量的平整度。
在薄带材的双辊铸造中，铸造带材比通常在热轧机中获得的传统带材薄。通常在双辊铸造中，薄带材铸造为大约1.8到1.6mm的厚度，并轧制至1.4到0.8mm之间的厚度。到热轧机入口的带材温度高于在典型热轧机的最末机架中的熔铸温度，大约是1100℃。薄带材高温和铸造处理的结果在于带材的入口应力较低，并且因此更容易在进入热轧机之前皱褶(buckling)和蠕变。另外，在薄带材铸造中，希望生产出具有所希望的带材轮廓同时保持可接受的平整度的带材，因为其成品可以用作冷轧替代品。带材形状很大程度上由铸造机控制。在热轧机中采用的低的应力导致在跨过带材宽度的点处的张应力损失及小的局部辊隙误差，并导致带材皱褶和较差的带材平整度。我们已经发现张应力提供了控制带材平整度的方法。
发明内容
公开了一种用于在具有热轧机的带材铸造设备中控制带材形状的方法，其包括如下步骤：
在金属带材进入热轧机之前测量输入金属带材的入口厚度轮廓；
作为所测量的入口厚度轮廓计算出目标厚度轮廓，同时满足轮廓和平整度操作要求；
在金属带材退出热轧机后测量金属带材的出口厚度轮廓；
通过比较出口厚度轮廓与由所测量的入口厚度轮廓所得出的目标厚度轮廓而从带材中的纵向应变计算出差分应变反馈；及
响应于至少差分应变反馈来控制能够影响到退出热轧机的带材的几何形状的装置。
在具有热轧机的带材铸造设备中控制带材形状的方法还可以包括如下步骤：
从入口厚度轮廓及热轧机的尺寸和特性计算出辊隙压力轮廓；
作为目标厚度轮廓和辊隙压力轮廓的函数计算出前馈控制参考和/或敏感度矢量，以允许补偿铸造带材中的轮廓和平整度波动；和
响应于所计算的前馈控制参考和/或所计算出的敏感度矢量进一步控制能够影响到退出热轧机的带材的几何形状的装置。
轮廓和平整度操作要求可以选择以使得目标厚度轮廓抑制带材的蠕变。
能够影响到退出热轧机的带材的几何形状的装置可以从包括弯曲控制器、间隙控制器、冷却剂控制器和其它能够改动热轧机的加载的辊隙的装置的组的一个或多个中选择。
在具有热轧机的带材铸造设备中控制带材形状的方法还可以包括步骤：从所测量的入口厚度轮廓生成适应性辊隙误差矢量；并使用适应性辊隙误差矢量计算出前馈控制参考和敏感度矢量中的至少一项。
在具有热轧机的带材铸造设备中控制带材形状的方法另外还可以包括：通过进行时间滤波和空间频率滤波中的至少一项而计算出目标厚度轮廓。
在具有热轧机的带材铸造设备中控制带材形状的方法另外还可以具有控制步骤，其包括：对弯曲控制器和间隙控制器进行对称的反馈控制和非对称反馈控制。
控制步骤可以可选地，或另外地，包括在连接轧机时从差分应变反馈中减掉***测量误差，***测量误差是通过当脱离轧机时比较入口厚度轮廓和出口厚度轮廓而产生的。
控制步骤另外可以进行温度补偿和皱褶检测，或进行操作员引导(operator-induced)的冷切边或操作员引导的弯曲切边中的至少一项。
更特别地，用以在具有热轧机的带材铸造设备中控制带材形状的方法可以用在由双辊铸造机进行的连续铸造中，其包括如下的步骤：
(a)装配具有一对在其间具有压铸区的铸辊的薄带铸造机；
(b)装配能够在压铸区之上的铸辊之间与邻近于压铸区的端部用以限定熔池的侧封挡形成熔池的金属传送***；
(c)邻近薄带铸造机装配热轧机，热轧机具有带有于其间形成辊隙的工作表面的工作辊，输入金属带材穿过辊隙被轧制，工作辊具有相关于跨过工作辊的所希望的形状的工作辊表面；
(d)装配能够响应于控制信号而影响到退出热轧机的带材的几何形状的装置；
(e)装配能够通过比较出口厚度轮廓与由所测量的入口厚度轮廓得出的目标厚度轮廓而从带材中的纵向应变计算出差分应变反馈，并响应于所计算的差分应变反馈生成控制信号；
(f)连接控制***至能够响应于从控制***所生成的控制信号而影响退出热轧机的带材的几何形状的装置。
为在双辊铸造机中进行该方法，钢水可以引入在一对铸辊之间以形成支持在铸辊的铸造面上的由侧封挡限定的熔池，并且铸辊反向转动以在铸辊的表面上形成固化金属壳并穿过铸辊之间的压铸区从固化壳铸造出薄钢带。
影响由热轧机处理的带材的几何形状的装置可以能够响应于控制信号中的至少一个而变化工作辊的辊隙、由工作辊弯曲和/或提供给工作辊冷却剂，以影响退出热轧机的热带材的几何形状。
另外公开的是用于在具有热轧机的带材铸造设备中控制带材形状的控制架构，其包括：
入口测量设备，其能够在金属带材进入轧机之前测量输入金属带材的入口厚度轮廓；
目标厚度轮廓模型，其能够作为所测量的入口厚度轮廓的函数计算出目标厚度轮廓同时满足轮廓和平整度操作要求；
出口测量设备，其能够在金属带材退出轧机之后测量金属带材的出口厚度轮廓；
差分应变反馈模型，其能够通过比较出口厚度轮廓与由所测量的入口厚度轮廓得出的目标厚度轮廓而从带材的纵向应变计算出差分应变反馈；和
控制模型，其能够响应于差分应变反馈来控制能够影响到退出热轧机的带材的几何形状的设备。
目标厚度轮廓模型可以抑制带材皱褶。
差分应变反馈模型可以另外包括温度补偿功能和皱褶检测功能。
差分应变反馈模型还可以包括当连接轧机时能够从差分应变反馈减掉***误差的自动调零功能，***误差通过脱离轧机时比较入口和出口厚度轮廓而生成。
用于控制在具有热轧机的铸造设备中的带材的带材形状的控制架构还可以包括：
能够从入口厚度轮廓及热轧机的尺寸和特性计算出辊隙压力轮廓的辊隙模型，和
能够作为目标厚度轮廓和辊隙压力轮廓的函数计算出前馈控制参考和/或敏感度矢量用以允许补偿铸造带材的轮廓和平整度波动的前馈辊叠挠曲模型。
适应性辊叠挠曲模型可以能够从所测量的出口厚度轮廓生成适应性辊隙误差矢量并使用适应性辊隙误差矢量计算出前馈控制参考和敏感度矢量中的至少一项。
目标厚度轮廓模型还可以包括作为计算目标厚度轮廓的部分的时间滤波功能和空间频率滤波功能的至少一种。
控制模型可以包括对称反馈功能和非对称反馈功能用于控制弯曲控制器和间隙控制器。
另外，能够影响到退出热轧机的带材的几何形状的装置可以选自由弯曲控制器、间隙控制器和冷却剂控制器构成的组中的一个或多个。
控制架构另外可以支持操作员引导的冷切边和操作员进行的弯曲切边。
控制架构可以提供在用于连续地生产薄铸带材的薄带铸造设备中用以控制带材形状，其包括：
(a)薄带铸造机，其具有在其间具有压铸区的一对铸辊；
(b)金属传送***，其能够在压铸区之上的铸辊之间与侧封挡形成熔池，其中侧封挡邻近于压铸区的末端用以限定熔池；
(c)驱动器，其能够反向旋转铸辊以在铸辊的表面上形成固化金属壳并穿过铸辊之间的压铸区从固化壳铸造薄钢带材；
(d)热轧机，其具有带有形成辊隙的工作表面的工作辊，来自薄带铸造机的铸造带材穿过辊隙可以得以轧制；
(e)连接到热轧机的装置，其能够响应于控制信号影响到由热轧机处理的带材的几何形状；和
(f)控制***，其能够通过比较出口厚度轮廓与由所测量的入口厚度轮廓得出的目标厚度轮廓而从带材中的纵向应变计算出差分应变反馈，能够响应于差分应变反馈生成控制信号，并连接到装置用以使装置响应于控制信号而影响到由热轧机处理的带材的几何形状。
在用于通过连续铸造来生产具有受控的带材形状的薄铸带材的薄带铸造设备中，控制***还可以能够计算出前馈控制参考和敏感度矢量，并且还能够生产控制信号前馈控制参考和敏感度矢量。
前馈控制参考和敏感度矢量作为由所测量的入口厚度轮廓和辊隙压力轮廓的函数被计算出用以允许补偿铸造带材中的轮廓和平整度波动。
本发明的这些和其它的优点和新的特性、及所说明的关于它的实施例的细节根据下面的描述和附图将能够得到更为充分的理解。
附图说明
图1是说明具有轧机和控制架构的薄带铸造设备的示意图；
图2是接口至图1的热轧机的图1的控制架构的框图；
图3是更为详细的接口连接于图1和图2的轧机的图1和图2的控制架构的框图；
图4是具有热轧机的控制铸造带材中的带材形状的方法的实施例的流程图；
图5是通过连续铸造生产具有受控制的带材形状的薄铸带材的方法的流程图；和
图6是说明如何获得敏感度矢量的图表。
具体实施方式
图1是说明具有轧机15和控制架构200的薄带铸造设备100的示意图。所说明的铸造和轧制装置包括通常标注为11的双辊铸造机，其产生薄铸钢带12并包括铸辊22和侧封挡26。在操作期间，铸辊由驱动器驱动彼此反向旋转。至少包括可移动中间包23、大的中间包25和中心喷嘴24的金属传送***提供钢水至双辊铸造机11。薄铸钢带12向下通过铸辊22之间的压铸区27，然后进入横跨导向平台13的过渡路径至夹辊支架14。退出夹辊支架14后，薄铸带材12进入并穿过包括支持辊16及上工作辊和下工作辊16A和16B的热轧机15，其中带材的几何形状(例如，厚度、轮廓和/或平整度)可以受控改变。带材12退出轧机15，然后传送到冷却台17上，在那里它可以由喷水器18强制冷却，并且然后穿过包括一对夹辊20A和20B的夹辊支架20，然后至卷取机19，在那里带材12例如被卷取成为20吨的带圈。控制架构200接口连接于轧机15，且可选地接口至铸造机反馈控制器301(见图3)，以控制钢带12的几何形状(例如，厚度、轮廓和/或平整度)。
在本发明中，如这里所描述的，生成综合反馈信号(差分应变反馈)，用于在连续双辊铸造***的轧机中更好地控制带材平整度和轮廓。平整度缺陷可以与带材的其它的通常振动和本体平移运动区分开。如果未区分开，则能够产生误报，这将典型地标明带材中的非对称缺陷并将引起差分弯曲控制和冷却剂控制问题。另外，仅使用平整度测量作为反馈控制可以允许在轧辊入口和出口处的皱褶具有足够的大小而使带材受到夹压和撕裂的危险，而在下游测量位置处无任何明显的可检测的平整度问题。
图2是接口连接于图1的轧机15的图1的控制架构200的框图。控制架构200在轧机15的入口和出口处提供精确的带材轮廓测量，以及出口平整度测量和其它仪器，用以形成集成的前馈和反馈的轮廓、应变和平整度控制模式。
控制架构200包括入口测量设备210，其能够在金属带材12进入轧机15之前测量输入的金属带材12的入口厚度轮廓(thickness profile)211。入口测量设备210可以包括X-射线、激光、红外、或其它能够测量输入金属带材12的入口厚度轮廓的装置。来自入口测量设备210的入口测量结果211被被送入控制架构200的目标厚度轮廓模型220。目标厚度轮廓模型200能够作为所测量的入口厚度轮廓211的函数被计算出目标厚度轮廓211，这样使得可实现目标厚度轮廓211的所要求的几何形状的改变不足以产生带材皱褶(下面详细描述)。目标厚度轮廓211满足了带材厚度轮廓和平整度操作要求。
目标厚度轮廓模型220可以包括在基于处理器的平台上(例如PC)采用软件实现的数学模型。可选择地，目标厚度轮廓模型220可以包括采用固件实现的数学模型，例如采用专用集成电路(ASIC)。目标厚度轮廓模型220还可以采用本领域技术人员所熟知的其它方法实现。类似地，这里所描述的其它模型是可以采用多种方法实现的数学模型。
目标厚度轮廓模型220另外选择性地接口连接于控制架构200的辊隙模型230。用以保持目标厚度轮廓221所必须的给定的当前入口厚度轮廓211的几何形状改变211′被从目标厚度轮廓模型220转送至辊隙模型230。辊隙模型230能够作为至少入口几何形状改变211′的函数生成辊隙压力轮廓231，对应于轧机15的工作辊16A和16B之间的辊隙压力。辊隙模型230也可以使用轧机的物理尺寸和特性以及对辊轧力扰动216、张力和输入厚度轮廓211的测量来生成实现目标厚度轮廓所要求的辊隙压力轮廓。
目标厚度轮廓模型220和辊隙模型230还工作接口连接于前馈辊叠挠曲模型(feed-forward roll stack deflection model)240。前馈辊叠挠曲模型提供前馈平整度控制和前馈厚度轮廓控制。前馈辊叠挠曲模型240能够生成致动器轮廓和平整度控制敏感度矢量(actuator profile and flatness controlsensitivity vectors)241和前馈控制参考242，作为至少目标厚度轮廓221和辊隙压力轮廓231的函数。致动器轮廓和平整度控制敏感度矢量241和前馈控制参考242用以响应于轧机15内的输入带材厚度轮廓211和辊轧力扰动216而控制弯曲控制器250和辊隙控制器255(或一些其它影响到轧机15的加载工作辊隙的适合的装置)。由工作辊16A和/或16B进行的弯曲由弯曲控制器250控制。工作辊16A和16B之间的辊隙由辊隙控制器255控制。
敏感度矢量表示由致动器设置中的变化所产生的对于横向带材厚度轮廓或带材平整度的影响。例如，轧机处于特别操作状态时，改变弯曲将导致带材厚度轮廓或平整度从初始状态A变化到另一状态B，如在图6的曲线600中所示。敏感度矢量是通过差分化状态A和状态B、并由主要影响从状态A到状态B的改变的致动器设置中的改变来分划结果而实现的矢量。
前馈控制参考是用于控制弯曲的控制致动器的参考，所述控制被要求用于实现用于带材的特定段的某些控制目标，比如提高的平整度或厚度轮廓，这是基于带材的特定段进入轧机之前的可获取的信息而计算出。最普通的形式是提高的弯曲设置的计算，该计算基于进入轧机之前进行测量所测得的入口厚度轮廓，并依据给定的当前辊轧力和辊叠几何形状(辊的尺寸、宽度等)。利用这里已知为辊叠挠曲模型240的数学模型，这样的计算变得容易。
控制架构200另外包括出口测量设备215，其能够测量金属带材12在退出轧机15之后的出口特性。出口测量设备215可以包括X-射线、激光、红外、或其它能够测量金属带材12的出口厚度轮廓217A和/或其它退出特性(例如，带材温度和带材平整度)的装置。出口测量设备215的测量结果被送入控制架构200的差分应变反馈模型260，控制架构200接口连接于出口测量设备215。差分应变反馈模型260另外操作性地接口连接于目标厚度轮廓模型220并能够计算出差分应变反馈261，作为至少所计算的目标厚度轮廓221、所测量的出口厚度轮廓217A和下面将参考图3详细讨论的目标应变轮廓360(见图3)的函数。
出口测量设备215的测量结果也被送入控制架构200的适应性辊叠挠曲模型270，其能够响应于至少出口厚度轮廓217A生成适应性辊隙误差矢量271，以引起前馈辊叠挠曲模型240的适应性过程。适应性辊叠挠曲模型270也接受来自轧机15的辊轧力参数216，用以生成适应性辊隙误差矢量271。
控制架构200也可以包括控制模型280，其操作性地接口连接于前馈辊叠挠曲模型240和差分应变反馈模型260。控制模型280能够生成用于控制弯曲控制器250、间隙控制器255、冷却剂控制器290和其它适合的响应于至少差分应变反馈261和致动器轮廓和平整度控制敏感度矢量241而影响轧机15的加载的工作辊隙的形式的装置中的至少一种的控制信号。冷却剂控制器290以受控制的方式提供冷却剂至工作辊16A和16B。弯曲控制器250、间隙控制器255和冷却剂控制器290每个提供各自的轧机致动器参数291-293至轧机15，用于如这里上面所述的操作轧机15的不同方面，以使金属带材12的形状适应。
图3是接口连接于图1和图2的轧机15的图1和图2的控制架构200的更为详细的框图。图3还示出了金属带材12，其退出铸辊22、35，经过入口测量仪210，进入轧机15，退出轧机15并经过出口测量仪215。作为一个备选项，控制架构200包括铸造机反馈轮廓控制301，其使用所测量的入口厚度轮廓211的处理版211”用以使铸辊22的操作适应。这样的铸造机反馈形状控制301用以允许使金属带材12的入口厚度轮廓211匹配于所希望的标准铸造目标带材轮廓302。
目标厚度轮廓221可以是目标每单元厚度轮廓，并且基于依据给定的输入入口厚度轮廓211的厚度轮廓的实质性的改进，而不会产生带材12中不可以接受的皱褶。这样的目标厚度轮廓221用以在与出口厚度轮廓比较中替代实际输入厚度轮廓211，以产生反馈误差(差分应变反馈)，如这里下面所描述的。因此，轧机控制器被强制迫使出口厚度轮廓匹配目标厚度轮廓，其关注于由带材的皱褶特性设定的极限约束。任何不超过皱褶极限范围的条件将产生改进轮廓和平整度的控制响应。
所测量的入口厚度轮廓211输入到目标厚度轮廓模型220并通过使用模型220内的时间滤波功能222和空间频率滤波225功能进行时间滤波和空间频率滤波。目标厚度轮廓模型220可以包括带材模型225，其用以合并皱褶极限约束和/或厚度轮廓改变极限约束进入由模型220生成的目标厚度轮廓221。这样的限制使金属带材12的几何变化不会接近能够造成金属带材在加工穿过薄带铸造设备100时皱褶的参数。即，目标厚度轮廓221合并了兼容带材皱褶极限的输入入口厚度轮廓211的改进。结果使得，在铸造机出现异常几何形状时，目标厚度轮廓221将自动跟踪铸造几何形状的变动。
依据本发明的实施例，目标厚度轮廓模型执行下面的数学计算：
H(x)*＝H＾mill(x)+dHhfspill(x)；221目标厚度轮廓
其中，H＾mill(x)＝LSFF(LPF(H(x)))；221”输入带材厚度轮廓，已进行低的空间和时间频率滤波，
LSFF()是223，由低阶多项式的最小二乘法最佳拟合的低空间频率滤波器，
LFP()是222，带有设定为大约1-10铸辊转数的时间常数的低通滤波器，
H(x)是211，入口厚度轮廓，
dHhfspill(x)＝sHerror(x)-dHerroxLimited(x)，目标值的高频漏失(spillover)以避免局部皱褶，并且其中
dHerrorLimited(x)＝minimum(dHerror(x)，Limit_dh(x))，225，皱褶限制后的局部几何变化，并且其中
Limit_dh(x)从Limit_dh(x)＝H*(K*Cs*(H/Wc(x))**2+用于平均总的应力和所施加的张力的修正，给定最大局部几何变化以避免皱褶，并且其中
H＝平均入口厚度，
Wc(x)＝局部受压铸区域宽度，
Cs＝pi**2*E/(12(1-mu**2))，弹性常数，
K＝约束比例因子。
因此，目标厚度轮廓模型220是入口几何形状、带材张力、总的轧制应变和时间及空间滤波约束的选择的函数。结果得到的目标厚度轮廓221被送入前馈辊叠挠曲模型240和差分应变反馈模型260。
辊隙模型230也接收表示厚度轮廓中的变化的处理版211’，该变化是依据给定的当前入口厚度轮廓而获得目标厚度轮廓所必需的。带材模型225和辊隙模型230解释了可以发生在辊隙外的蠕变、皱褶、及相关的几何形状和应力变化，并且解释了可以发生在轧机15的辊隙内的压力变化。
可选地，控制架构200的入口测量仪210可以不存在、或抑制使得所得的目标厚度轮廓221基于估计的入口厚度轮廓信息而不是实际所测量的入口厚度轮廓信息211。因此，在这样的可选的实施例中，目标厚度轮廓221不依赖于实际入口厚度轮廓211。
前馈辊叠挠曲模型240可以是完全的有限差分辊叠挠曲模型，或可以是预测了所要求的轮廓致动器设置的简化模型，所述设置提高加载的辊隙形式(loaded roll gap form)以匹配所希望的带材厚度轮廓。模型的输入包括：轧机15的几何形状；输入带材形状；在带材和辊之间的辊隙压力轮廓231；和所希望的或当前辊轧力216。模型的输出是用于前馈控制的优化致动器控制参考242和用于在反馈控制模式中使用的致动器轮廓和平整度敏感度矢量241。
差分应变反馈模型260接收来自出口测量仪215的对出口厚度轮廓217A、带材温度217B和带材平整度217C的测量。来自出口测量设备215的平整度测量结果217C经过差分应变反馈模型260内的信号处理阶段330以从测量结果去除本体运动分量。因此，由绕纵向轴的带材转动、带材跳动、或带材振动引起的测量结果可以被去除。这样的信号处理减小了不平度的误报。处理后的出口厚度轮廓217A在应变误差估计器305中与目标厚度轮廓221比较，以形成辊轧应变轮廓310的初始估计。辊轧应变轮廓310的原始估计进一步使用自动调零功能(automatic nulling capability)320进行处理，即从连接轧机15时的辊轧应变轮廓310中减去***测量误差。***测量误差通过在脱离轧机时比较入口和出口厚度轮廓而生成。理想地，无***测量误差存在于带材铸造设备100中，并且当带材铸造设备100未连接轧机进行操作时，入口和出口厚度轮廓的测量结果将是相同的。但是，这是很少存在的，如果存在，也是很可能的。因此，***测量误差被清零(从辊轧应变轮廓310的估计值中去除)。
另外，其它的出口测量信息可以合并到辊轧应变轮廓的估计值。用以检测皱褶段的信号处理330和温度补偿功能340(补偿横向温度轮廓的影响)可以基于带材平整度217C和带材温度217B的测量结果及合并到辊轧应变轮廓310的估计值的结果而进行。由此形成了全宽辊轧应变轮廓350，其对于轧制期间可以发生的轮廓测量特性之间的差异的任何时基变化是健壮(robust)的。轧制应变轮廓350与所希望的目标应变轮廓360比较，以形成差分应变反馈261(误差)，其被反馈到控制模型280。
来自差分应变反馈模型260的差分应变反馈261由控制模型280使用，同时使用致动器轮廓和平整度控制敏感度矢量241，以生成一组控制信号281-283发送至弯曲控制器250、辊隙控制器255和反馈冷却剂控制器290。平整度控制敏感度矢量241用以进行与差分应变反馈261的数学点积运算，其结果是用于在控制模式中使用的各种致动器的标量致动器误差。当平整度控制敏感度矢量241无法从在线计算获得时，则它们可以从非实时的比如离线计算或经由实验观察取得的手动近似值的源而提供。不管平整度控制敏感度矢量的源是什么，所得到的标量致动器误差又由反馈控制器370和380使用以执行它们的功能。在控制模型280内，对称反馈控制功能370和非对称反馈控制功能380被执行，以生成控制信号281和282发送至弯曲控制器250和辊隙控制器255。
带材的特定区域皱褶的可能性相关于带材的局部区域的应力和应变状态，而非带材的平均状态。因此，局部皱褶检测390也在控制模型280内进行以生成控制信号283发送到反馈冷却剂控制290。控制信号281-283和前馈控制参考242允许轧机的多种方面被自动控制以从轧机15获取所希望的金属带材的带材几何形状(即，厚度轮廓和平整度)，而不会经历比如带材皱褶的问题。
另外，弯曲控制器250可以进一步通过操作员引导的弯曲切边功能395而手动地适应，并且冷却剂控制器290可以进一步通过控制架构200所支持的受操作员引导的喷射切边功能399而手动地适应。总的来讲，如果可以，采用使用分段喷射头、辊弯、轧辊倾斜、及其它辊凸型操作致动器的反馈控制，则可以完成以最小化所观察到的轧制应变轮廓中的误差。
弯曲控制器250、间隙控制器255和冷却剂控制器290提供轧机致动器参数291-293至轧机，以响应于控制信号281-283、前馈控制参考242和操作员切边输入以获取所希望的带材形状结果。弯曲控制器250控制轧机15的工作辊16A和16B的辊弯(roll bending)。间隙控制器255控制工作辊16A和16B之间的辊隙。冷却剂控制器290控制提供至工作辊16A和16B的冷却剂的量。
这样的连续双辊铸造允许具有所描述的特性的设备100适应于主要的加工干扰并生产出依据给定的当前带材铸造状态而具有本质性提高的出口厚度轮廓的带材，同时避免带材在进入或退出热轧机的轧辊咬合处的皱褶。输入的厚度轮廓信息的使用和输入和输出的厚度轮廓之间的差异的正确使用代表了用于厚度轮廓和平整度控制的技术的显著进步。
图4是控制具有热轧机15的带材铸造设备中的带材形状的方法400的实施例的流程图。在步骤410中，输入金属带材12的入口厚度轮廓211在金属带材12进入热轧机15之前测量。在步骤420中，目标厚度轮廓221作为所测量的入口厚度轮廓211的函数计算出，同时满足厚度轮廓和平整度的操作要求。在步骤430中，金属带材12的出口厚度轮廓217A在金属带材12退出热轧机15之后得以测量。在步骤440中，差分应变反馈262通过比较出口厚度轮廓217A与由所测量的入口厚度轮廓所得到的目标厚度轮廓221而从带材的纵向应变计算出。在步骤450中，能够影响到退出热轧机15的带材12的几何形状的装置被响应于差分应变反馈261、轧机15的状态和输入厚度轮廓211而得以控制。
在控制具有热轧机15的带材铸造中的带材形状的方法400中，能够影响到退出热轧机的带材的几何形状的装置可以是弯曲控制器250、间隙控制器255和冷却剂控制器293中的任何一个或全部。
方法400还可以包括：从入口厚度轮廓211和热轧机的尺寸和特性计算出辊隙压力轮廓231；和作为目标厚度轮廓221和辊隙压力轮廓231的函数计算出前馈控制参考242和/或敏感度矢量241，以允许补偿铸造带材12中的厚度轮廓和平整度波动。能够影响到退出热轧机15的带材的几何形状的装置还可以响应于所计算的前馈控制参考242和/或所计算的敏感度矢量241而进行控制。而且，适应性辊隙误差矢量271可以从所测量的出口厚度轮廓生成并用于计算出前馈控制参考242和敏感度矢量241中的至少一项。
图5是通过连续铸造生产具有受控制的带材形状的薄铸带材的方法500的流程图。在步骤510中，具有一对铸辊的薄带铸造机得以装配以在其间形成压铸区。在步骤520中，金属传送***得以装配以能够在铸辊之间在压铸区之上与侧封挡形成熔池，其中侧封挡邻近于压铸区的端部用以限定熔池。在步骤530中，邻近于薄带铸造机，热轧机得以装配以具有带有工作表面的工作辊，工作表面在其间形成辊隙，输入的热带材穿过辊隙被轧制，工作辊具有相关于跨过工作辊的所希望的形状的工作辊表面。在步骤540中，装置得以装配以能够响应于控制信号而影响到退出热轧机的带材的几何形状。在步骤550中，控制***得以装配以能够生成差分应变反馈，并能够响应于差分应变反馈、轧机的状态和输入厚度轮廓而生成控制信号。在步骤560中，控制***操作性地连接于能够影响退出热轧机的带材的几何形状的装置。在步骤570中，钢水被引入到一对铸辊之间以形成支持在铸辊的铸造面上并由侧封挡限定的熔池。在步骤580中，铸辊反向旋转以在铸辊表面上形成金属壳，并穿过铸辊之间的压铸区由固化的壳铸造出薄钢带材。在步骤590中，输入的薄铸带材在热轧机的工作辊之间得以轧制，并响应于控制信号中的至少一个而变化工作辊的辊隙、工作辊的辊弯及提供到工作辊的冷却剂这几者中的至少一种，以影响退出热轧机的热带材的几何形状。
在方法500中，能够影响退出热轧机15的带材的几何形状的装置可以是弯曲控制器250、间隙控制器255和冷却剂控制器290中的一个或多个。控制***还能够生成前馈控制参考242和敏感度矢量241，并还能够响应于差分应变反馈261、前馈控制参考242、及敏感度矢量241生成控制信号281-283。差分应变反馈261通过比较所测量的出口厚度轮廓217A与从测量的入口厚度轮廓211得到的计算后的目标厚度轮廓221而从带材12中的纵向应变计算出。前馈控制参考242和敏感度矢量241作为目标厚度轮廓221和辊隙压力轮廓231的函数计算出以允许补偿铸造带材12中的厚度轮廓和平整度波动，目标厚度轮廓221从所测量的入口厚度轮廓211得到。
弯曲控制器250、间隙控制器255和冷却剂控制器290和其它影响加载的工作辊间隙的适合的装置可以认为是控制架构200的部分。可选地，弯曲控制器250、间隙控制器255和冷却剂控制器290和其它影响加载的工作辊间隙的适合的装置可以认为是轧机15的部分。类似地，依据本发明的特定实施例，控制架构200的多个方面可以认为是控制架构200的一个模型或另外的模型的部分。例如，弯曲控制器250、间隙控制器255和冷却剂控制器290可以认为是控制架构200的控制模型280的部分。
概要地讲，公开了控制具有热轧机的连续双辊铸造机中的带材形状的方法和设备，及使用前馈和反馈用以控制退出热轧机的铸造带材的几何形状同时防止铸造带材的皱褶的控制架构。
尽管参考特定实施例描述了本发明，本领域技术人员将明白可以进行多种改变并且可以等效物替换，而不偏离本发明的范围。
另外，可进行许多改变以使特定情形或材料适用本发明的技术，而不偏离其范围。
因此，本发明意图不局限性于所公开的特定实施例，本发明将包括落于权利要求的范围内的全部实施例。

Claims (36)

1、在具有热轧机的带材铸造设备中控制带材形状的方法，所述方法包括：
在金属带材进入热轧机之前测量输入金属带材的入口厚度轮廓；
作为所测量的入口厚度轮廓的函数计算出目标厚度轮廓，同时满足轮廓和平整度的操作要求；
在金属带材退出热轧机之后测量金属带材的出口厚度轮廓；
通过比较出口厚度轮廓与由所测量的入口厚度轮廓所得到的目标厚度轮廓而从带材的纵向应变计算出差分应变反馈；和
响应于至少所述差分应变反馈来控制能够影响退出热轧机的带材的几何形状的装置。
2、如权利要求1所述的方法，其中能够影响退出热轧机的带材的几何形状的所述装置为从包括弯曲控制器、间隙控制器和冷却剂控制器的组中选出的一个或多个。
3、如权利要求1或2所述的方法，其中还包括：
从热轧机的特性和尺寸以及入口厚度轮廓计算出辊隙压力轮廓；
作为目标厚度轮廓和辊隙压力轮廓的函数计算出前馈控制参考和敏感度矢量，以允许补偿铸造带材中的轮廓和平整度波动；和
进一步响应于所述所计算的前馈控制参考和所述所计算的敏感度矢量来控制能够影响退出热轧机的带材的几何形状的装置。
4、如权利要求1或2所述的方法，其中还包括：
从热轧机的特性和尺寸以及入口厚度轮廓计算出辊隙压力轮廓；
作为目标厚度轮廓和辊隙压力轮廓的函数计算出前馈控制参考，以允许补偿铸造带材中的轮廓和平整度波动；和
进一步响应于所述所计算的前馈控制参考来控制能够影响退出热轧机的带材的几何形状的装置。
5、如权利要求1或2所述的方法，其中还包括：
从热轧机的特性和尺寸以及入口厚度轮廓计算出辊隙压力轮廓；
作为目标厚度轮廓和辊隙压力轮廓的函数计算出敏感度矢量，以允许补偿铸造带材中的轮廓和平整度波动；和
进一步响应于所述所计算的敏感度矢量来控制能够影响退出热轧机的带材的几何形状的装置。
6、如前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中还包括从所测量的出口厚度轮廓生成适应性辊隙误差矢量，并使用适应性辊隙误差矢量计算出前馈控制参考和敏感度矢量中的至少一项。
7、如前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中计算所述目标厚度轮廓包括进行时间滤波和空间频率波滤中的至少一项。
8、如权利要求2所述的方法，其中所述控制步骤包括进行弯曲控制器和间隙控制器的对称反馈控制和非对称反馈控制。
9、如前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中所述控制步骤包括当连接轧机时从所述差分应变反馈中除去***误差，所述***误差通过当脱离轧机时比较入口和出口厚度轮廓而生成。
10、如前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中所述控制步骤包括进行温度补偿和皱褶检测。
11、如权利要求1所述的在具有热轧机的铸造带材中控制带材形状的方法，其中所述控制步骤包括进行操作员引导的冷却切边和操作员引导的弯曲切边中的至少一项。
12、如前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中所述目标厚度轮廓抑制带材皱褶。
13、在具有热轧机的带材铸造设备中控制带材形状的控制架构，所述控制架构包括：
入口测量设备，其能够在所述金属带材进入所述轧机之前测量输入金属带材的入口厚度轮廓；
目标厚度轮廓模型，其能够作为所述所测量的入口厚度轮廓的函数计算出目标厚度轮廓，同时满足轮廓和平整度操作要求；
出口测量设备，其能够在所述金属带材退出所述轧机之后测量所述金属带材的出口厚度轮廓；
差分应变反馈模型，其能够通过比较出口厚度轮廓与由所测量的入口厚度轮廓得出的目标厚度轮廓而从带材中的纵向应变计算出差分应变反馈；和
控制模型，其能够响应于至少所述差分应变反馈来控制能够影响到退出热轧机的带材的几何形状的装置。
14、如权利要求13所述的控制架构，其中能够影响退出热轧机的带材的几何形状的所述装置选自于包括弯曲控制器、间隙控制器和冷却剂控制器的组中的一个或多个。
15、如权利要求13或14所述的控制架构，其中还包括：
辊隙模型，其能够从热轧机的特性和尺寸以及入口厚度轮廓计算出辊隙压力轮廓；和
前馈辊叠挠曲模型，其能够作为目标厚度轮廓和辊隙压力轮廓的函数计算出前馈控制参考和敏感度矢量，以允许补偿铸造带材中的轮廓和平整度波动。
16、如权利要求13或14所述的控制架构，其中还包括：
辊隙模型，其能够从热轧机的特性和尺寸以及入口厚度轮廓计算出辊隙压力轮廓；和
前馈辊叠挠曲模型，其能够作为目标厚度轮廓和辊隙压力轮廓的函数计算出前馈控制参考，以允许补偿铸造带材中的轮廓和平整度波动。
17、如权利要求13或14所述的用于在具有热轧机的铸造带材中控制带材形状的控制架构，其中还包括：
辊隙模型，其能够从热轧机的特性和尺寸以及入口厚度轮廓计算出辊隙压力轮廓；和
前馈辊叠挠曲模型，其能够作为目标厚度轮廓和辊隙压力轮廓的函数计算出敏感度矢量，以允许补偿铸造带材中的轮廓和平整度波动。
18、如权利要求15到17中的任何一项所述的控制架构，其中还包括适应性辊叠挠曲模型，其能够从所测量的出口厚度轮廓生成适应性辊隙误差矢量，并使用适应性辊隙误差矢量计算出前馈控制参考和敏感度矢量中的至少一项。
19、如权利要求13到18中的任何一项所述的控制架构，其中所述目标厚度轮廓模型还包括时间滤波功能和空间频率波滤中的至少一项，作为计算所述目标厚度轮廓的一部分。
20、如权利要求14所述的控制架构，其中所述控制模型包括对称反馈功能和非对称反馈功能，用于控制弯曲控制器和间隙控制器。
21、如权利要求13到20中的任何一项所述的控制架构，其中所述差分应变反馈模型包括自动调零功能，其能够当连接轧机时从所述差分应变反馈中减去***误差，所述***误差通过脱离轧机时比较入口和出口厚度轮廓而生成。
22、如权利要求13到21中的任何一项所述的控制架构，其中所述差分应变反馈模型包括温度补偿功能和皱褶检测功能。
23、如权利要求13到22中的任何一项所述的控制架构，其中所述控制架构支持操作员引导的冷却切边和操作员引导的弯曲切边中的至少一项。
24、如权利要求13到23中的任何一项所述的控制架构，其中所述目标厚度轮廓模型抑制带材皱褶。
25、通过连续铸造生产带有受控制的带材形状的薄铸带材的方法，所述方法包括：
(a)装配具有一对铸辊的薄带铸造机，所述铸辊间具有压铸区；
(b)装配能够形成熔池的金属传送***，所述熔池在压铸区之上、铸辊之间，并且侧封挡邻近于压铸区的端部以限定熔池；
(c)邻近薄带铸造机装配热轧机，热轧机具有工作辊，工作辊的工作表面间形成辊隙，输入热带材穿过所述辊隙被轧制，所述工作辊具有相关于跨过工作辊的所希望的形状的工作辊表面；
(d)装配能够响应于控制信号而影响到退出热轧机的所述带材的几何形状的装置；
(e)装配控制***，所述控制***能够通过比较出口厚度轮廓与由所测量的入口厚度轮廓得出的目标厚度轮廓而从带材中的纵向应变计算出差分应变反馈，并响应于至少所述所计算的差分应变反馈生成控制信号；和
(f)连接所述控制***至能够响应于从控制***所生成的控制信号而影响退出所述热轧机的所述带材的几何形状的所述装置。
26、如权利要求25所述的方法，其中能够影响退出所述热轧机的所述带材的几何形状的装置为从包括弯曲控制器、间隙控制器和冷却剂控制器的组中选出的一个或多个。
27、如权利要求25或26所述的方法，其中所述控制***还能够计算出前馈赠控制参考和敏感度矢量，并且还能够响应于所述差分应变反馈、所述前馈控制参考和所述敏感度矢量而生成控制信号。
28、如权利要求25和权利要求26所述的方法，其中所述控制***还能够计算前馈控制参考，并且还能够响应于所述差分应变和所述前馈控制参考生成控制信号。
29、如权利要求25或26所述的方法，其中所述控制***还能够计算出敏感度矢量，并还能够响应于所述差分应变反馈和所述敏感度矢量而生成控制信号。
30、如权利要求27所述的方法，其中所述前馈控制参考和所述敏感度矢量作为目标厚度轮廓和辊隙压力轮廓的函数被计算出，以允许补偿铸造带材中的轮廓和平整度波动，其中目标厚度轮廓从所测量的入口厚度轮廓得到。
31、一种用于通过连续铸造生产带有受控制的带材形状的薄铸带材的薄带铸造设备，所述薄铸带材设备包括：
(a)薄带铸造机，具有一对铸辊，所述铸辊间具有压铸区；
(b)金属传送***，能够在压铸区之上、铸辊之间与侧封挡形成熔池，其中侧封挡邻近于压铸区的末端以限定熔池；
(c)驱动器，能够反向旋转铸辊以在铸辊的表面上形成固化金属壳，并通过铸辊之间的压铸区从固化壳铸造薄钢带材；
(d)热轧机，具有工作辊，所述工作辊的工作表面间形成辊隙，来自薄带铸造机的铸造带材穿过辊隙被轧制；
(e)连接到所述热轧机的装置，能够响应于控制信号而影响到由热轧机处理的带材的几何形状；和
(f)控制***，其能够通过比较出口厚度轮廓与由所测量的入口厚度轮廓得出的目标厚度轮廓而从带材中的纵向应变计算出差分应变反馈，能够响应于所述差分应变反馈生成控制信号，并连接到所述装置用以使所述装置响应于所述控制信号而影响到由所述热轧机处理的带材的几何形状。
32、如权利要求31所述的薄带铸造设备，其中能够影响由所述热轧机处理的所述带材的几何形状的所述装置为从包括弯曲控制器、间隙控制器和冷却剂控制器的组中选出的一个或多个。
33、如权利要求31或32所述的薄带铸造设备，其中所述控制***还能够计算出前馈控制参考和敏感度矢量，并且还能够响应于所述前馈控制参考和所述敏感度矢量生成控制信号，以使所述装置响应于所述控制信号影响由热轧机处理的带材的几何形状。
34、如权利要求31到33中的任一项所述的薄带铸造设备，其中所述控制***还能够计算出前馈控制参考，并且还能够响应于所述前馈控制参考生成控制信号，以使所述装置响应于所述控制信号影响由热轧机处理的带材的几何形状。
35、如权利要求31到34中任一项所述的薄带铸造设备，其中所述控制***还能够计算出敏感度矢量，并且还能够响应于所述敏感度矢量生成控制信号，以使所述装置响应于所述控制信号影响由热轧机处理的带材的几何形状。
36、如权利要求33所述的薄带铸造设备，其中所述前馈控制参考和所述敏感度矢量作为目标厚度轮廓和辊隙压力轮廓的函数被计算出，以允许补偿铸造带材中的轮廓和平整度波动，其中目标厚度轮廓从所测量的入口厚度轮廓得出。
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