Pietschnig, C. (2022). Control of the plate motion and camber in a reversing rolling mill with edger rolls [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2022.107542
E376 - Institut für Automatisierungs- und Regelungstechnik
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Date (published):
2022
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Number of Pages:
99
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Keywords:
Warmwalzen; Vorgerüst mit Staucherwalzen; Stahlverarbeitung; modellbasierte Regelung; Regelung der Krümmung; optimierungsbasierte Regelung; modellprädiktive Regelung
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hot rolling of steel plates; roughing mill with edger rolls; steel industry; model-based control; camber control; optimal control; model predictive control
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Abstract:
Beim Walzen von Stahl wird die Dicke von Stahlbrammen oder Vorstreifen üblicherweise zuerst in Reversierwalzgerüsten reduziert. Einige Reversierwalzgerüste sind mit Staucherwalzen ausgestattet, um die Breite der gewalzten Vorstreifen einzustellen. Im besten Fall durchlaufen Vorstreifen den Walzspalt mittig und verlassen ihn mit perfekter quaderförmiger Geometrie. In der Realität allerdings bewirken laterale Inhomogenitäten wie Temperaturgradienten und Dickeninhomogenitäten, dass sich der Vorstreifen in lateraler Richtung bewegt. Dies kann zu einer Krümmung, einem Dickenkeil oder beidem führen. Beide Effekte verschlechtern die Produktqualität und können im schlimmsten Fall zu Kollisionen mit dem Walzgerüst oder anderen Komponenten entlang des Rollgangs führen. Um solche Problemen zu vermeiden, ist eine Regelung der lateralen Position und Vorstreifenform unabdingbar. In dieser Arbeit wird das Vorgerüst, ein Reversierwalzgerüst der voestalpine Stahl GmbH, Linz, Österreich, betrachtet. Die Walzspaltverstellung erfolgt elektromechanisch und selbsthaltend. Dies hat zur Folge, dass sie nur zwischen zwei aufeinanderfolgenden Walzstichen verstellt werden kann, nicht jedoch während eines Walzstiches. Das Vorgerüst ist außerdem mit Staucherwalzen ausgestattet. Diese sind ursprünglich dazu gedacht, der Verbreiterung des Vorstreifens in Vorwärtsstichen entgegenzuwirken. Diese Arbeit widmet sich nun der Frage, ob diese Staucherwalzen auch als alternativer Stelleingang geeignet sind, um die laterale Position und Mittellinienform des Vorstreifens während der Walzstiche zu regeln, indem sie in lateraler Richtung bewegt werden. Dazu wird ein dynamisches Modell der lateralen Vorstreifenbewegung während des Walzstichs sowie der resultierenden Vorstreifenform erstellt und anhand von Messdaten validiert, welche am Vorgerüst der voestalpine Stahl GmbH aufgenommen wurden. Anschließend wird anhand des validierten Modells die Eignung der Staucherwalzen als alternativer Stelleingang für die Vorstreifenbewegung und die Krümmung diskutiert. Zur Messung und Regelung von Position und Form der Vorstreifen ist das Vorgerüst mit zwei Kamerasystemen auf der Einlauf- und Auslaufseite des Walzspalts ausgestattet. Mit den Kamerasystemen wird die Vorstreifenbewegung im Sichtfeld und deren Form erfasst. Plastische Verformung findet im Walzenspalt statt. Dieser ist allerdings für Sensorsysteme und Messungen unzugänglich. Da sich die auslaufseitige Kamera einige Meter hinter dem Walzenspalt befindet, unterliegt die Messung der Vorstreifenform einer Transportverzögerung. Die gemessene Form des gesamten Vorstreifens steht jedoch nach Abschluss jedes Walzstichs zur Verfügung. Nach der Diskussion, warum Staucherwalzen ein geeigneter alternativer Stelleingang sind, werden drei Regelungskonzepte ausgearbeitet und auf ihre Eignung für das Vorgerüst untersucht. Zunächst wird ein linear-quadratischer Regler (LQR) entworfen, welcher die von den Staucherwalzen aufgebrachte laterale Kraft als Stelleingang verwendet. Aus Sicherheitsgründen wird eine kaskadierte Regelung mit unterlagerter Admittanzregelung eingesetzt. Die vom äußeren Regelkreis geforderten lateralen Kräfte werden somit vom inneren Regelkreis in laterale Staucherpositionen umgerechnet. Für die zweite Regelungsstrategie wird die laterale Kraft/Positionsbeziehung im mathematischen Modell berücksichtigt. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass der innere Regelkreis der ersten Strategie entfallen kann. Mit diesem Modell wird eine Regelungsstrategie mit zwei Freiheitsgraden entworfen, die aus einer optimierungsbasierten Vorsteuerung und einem Regler mit Smith-Prädiktor besteht. Bei den bisherigen Konzepten werden nur Vorwärtsstiche (bei denen Staucherwalzen aktiv sind) und jeweils nur ein einzelner Stich berücksichtigt. Die dritte und letzte Erweiterung nutzt die optimierungsbasierte Vorsteuerung und berechnet die optimale Stauchertrajektorie und Walzspaltneigungen für alle verbleibenden Walzstiche im voraus. Diese drei Konzepte werden anschließend ausführlich in Simulationsstudien basierend auf dem validierten mathematischen Modell diskutiert. Das Dickenprofil des Vorstreifens und der Walzspalt unter Last werden am Vorgerüst nicht vermessen. Dies macht es schwierig, die Sensitivität dieser Systemeingänge zu identifizieren. Außerdem kann der Einfluss eines einlaufenden Dickenkeils und die Walzspaltneigung nicht getrennt erfasst werden, da angenommen wird, dass beide während des gesamten Walzstichs konstant sind und beide einen ähnlichen Einfluss auf die Form der Mittellinie des auslaufenden Vorstreifens haben. Somit ist der zweite Ansatz das vielversprechendste Konzept und wurde am Vorgerüst implementiert. Die entsprechenden Messungen zeigen eine signifikante Verbesserung der finalen Vorstreifenform bei gleichzeitiger Gewährleistung einer sicheren Vorstreifenbewegung während des gesamten Walzstichs.
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In flat steel rolling, reversing hot rolling mills are typically used to reduce the thickness of steel slabs or plates. Some reversing rolling mills are equipped with edger rolls to adjust the width of the rolled plate. At best, the plate passes the roll gap laterally centered and has a perfect cuboid shape with defined geometries. In reality, lateral nonuniformities like temperature gradients and thickness inhomogeneities cause the plate to drift in a lateral direction. This can result in a camber or thickness wedge or both. These effects deteriorate the product quality and can also entail collisions with the mill stand or other equipment along the roller table. To prevent such problems, active control of the lateral position and contour shape is indispensable. In this work, a reversing roughing mill of voestalpine Stahl GmbH, Linz, Austria is considered. The roll gap adjustment works electromechanically and self-retaining, meaning that it can only be adjusted between two consecutive rolling passes. The industrial plant is further equipped with edger rolls, originally intended to counteract spreading in forward rolling passes. This work, is dedicated to the question if these edger rolls are also suitable as an alternative control input to control the lateral position and centerline shape of the plate during the rolling passes by moving them in a lateral direction. To this end, a dynamic model of the lateral plate motion during the rolling pass as well as for the resulting shape of the plate is derived and validated by measurement data, recorded at the industrial plant of voestalpine Stahl GmbH. The suitability of the edger rolls as an alternative control input for the plate motion and camber is then discussed based on the validated model. For monitoring purposes and for feedback control, the industrial plant is equipped with two camera systems on the entry and exit side of the roll gap. With the camera systems, the plate motion in the field of view and its shape are recorded while passing through the roll gap. Clearly, plastic deformation takes place in the roll gap, which is inaccessible to machine vision or sensor systems. Because the exit side camera is located a few meters downstream of the roll gap, the measurement of the plate shape is subject to a transport delay. However, the measured shape of the whole plate is available after every rolling pass is finished. After discussing why edger rolls are a feasibility alternative control input, three control concepts are elaborated and their suitability for the industrial plant is examined. First, a linear quadratic regulator (LQR), which uses the lateral force applied by the edger rolls as a control input, is examined. For safety reasons, it is used in a cascade control structure with a subordinate admittance control. The lateral forces required by the outer control loop are thus converted into lateral edger positions by the inner control loop. For the second control strategy, the lateral force/position relation is considered in the mathematical model. This has the advantage that the inner control loop of the first strategy can be omitted. With this model, a two-degrees-of-freedom control strategy, which consists of an optimal feedforward control and a feedback controller with Smith predictor, is designed. In the previous concepts, only forward rolling passes (where edger rolls are active) and only one pass at a time are taken into account. The third and final extension uses the optimal feedforward controller and additionally predicts the optimal edger trajectories and roll gap tilts for all remaining rolling passes. These three concepts are then extensively discussed in simulation studies based on the validated mathematical model. The thickness profile of the plate and the roll gap under load are not measured at the industrial plant. This makes it difficult to identify the sensitivity of this control input. Further, the impact of an incoming wedge and the roll gap tilt cannot be separated because both are assumed to be constant throughout the rolling pass and both have a similar influence on the shape of the outgoing plate centerline. Thus, the second approach is the most promising and feasible concept and was implemented at the industrial plant. The corresponding measurements show a significant improvement of the plates’ final shape while ensuring a safe plate motion throughout the rolling pass.
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Additional information:
Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers