Model-based thickness control in hot strip rolling with oil lubrication

Abstract

Das Warmwalzen ist eine etablierte Technologie zur industriellen Herstellung von Stahlbändern. Eine laufende Weiterentwicklung dieses Prozesses ist notwendig, um den ständigen Bedarf an einer Verbesserung der Produktqualität und an der Entwicklung neuer Materialien mit speziellen Werkstoffeigenschaften zu decken. Gleichzeitig spielt die Optimierung der Produktionskosten, die Erhöhung der Energieeffizienz, die Vermeidung von Ausschussmaterial und Abfall sowie die Reduktion der CO2-Emissionen eine immer größere Rolle. Diese Ziele können nur durch eine bestmögliche Beherrschung und Regelung des Walzprozesses erreicht werden. Das Ziel dieser Dissertation ist die Entwicklung eines modellbasierten Dickenregelungskonzepts für die Fertiggerüste einer Warmbreitbandstraße. Ein Hauptaugenmerk liegt dabei auf der systematischen Berücksichtigung von Störungen, die durch das Einbringen von Schmiermitteln in den Walzspalt verursacht werden. Die Anwendung der Ölschmierung beim Warmwalzen bringt viele Vorteile mit sich, wie zum Beispiel eine Reduktion der benötigten Walzkraft, einen geringeren Energieverbrauch, eine bessere Oberflächenqualität des Stahlbandes und einen geringeren Walzenverschleiß. Andererseits können dadurch auch beträchtliche Störungen in mehreren Regelkreisen hervorgerufen werden, die nicht nur eine Verringerung der Bandqualität zur Folge haben sondern im schlechtesten Fall sogar den sicheren Betrieb der Anlage gefährden können. Im ersten Teil der Arbeit werden alle erforderlichen mathematische Modelle zur Beschreibung des Walzprozesses hergeleitet. Mit dem Gerüstmodell wird die elastische Verformung des Gerüstständers und die Durchbiegung der Walzen aufgrund der hohen Walzkräfte sowie die Dynamik der hydraulischen Aktuatoren beschrieben. Die zur plastischen Verformung des Stahlbandes benötigte Walzkraft wird mit Hilfe des Walzspaltmodells bestimmt. Die Genauigkeit der prädizierten Walzkraft ist dabei entscheidend für die zu erreichende Güte des modellbasierten Dickenreglers. Das in dieser Arbeit vorgestellte hydrodynamische Walzspaltmodell erfüllt diese Anforderung, da es eine systematische Berücksichtigung aller relevanten Prozessbedingungen, wie beispielsweise zeitlich ändernde Walzgeschwindigkeiten und veränderliche Reibungsverhältnisse zwischen Walze und Walzgut erlaubt. Da eine analytische Lösung für das hydrodynamische Walzspaltmodell zur Verfügung steht, ist es besonders auch für Echtzeitanwendungen geeignet. Das nichtlineare Materialverhalten wird durch maßgeschneiderte Materialmodelle berücksichtigt.Für die Parametrierung des Modells wird ein optimierungsbasierter Identifikationsalgorithmus vorgestellt. Die unbekannten Materialparameter und Reibungskoeffizienten werden dabei durch die Verwendung von Messdaten einer industriellen Warmwalzstraße bestimmt.Zur Validierung des Walzspaltmodells wurden Experimente zur Visualisierung des Materialflusses im Inneren des Walzspalts durchgeführt. Dazu wurden Kupfernägel in ein Probenstück eines Stahlbandes eingesetzt und an einem Testwalzgerüst der voestalpine gewalzt. Der Vergleich der verformten Kupfernägel mit den berechneten Verformungsprofilen aus dem Modell zeigt eine sehr gute Übereinstimmung.Um die negativen Auswirkungen der Schmierung auf die Dickenregelung kompensieren zu können, wird das dynamische Verhalten des Reibungskoeffizienten zwischen Walze und Walzgut in Abhängigkeit der eingebrachten Ölmenge analysiert. Aus diesen Untersuchungen resultiert ein Modell der Schmierdynamik in Form eines Hammerstein-Modells bestehend aus einer statischen Sättigungsfunktion und einem linearen zeitinvarianten System erster Ordnung mit Totzeit. Aufbauend auf diesem Modell der Schmierdynamik zusammen mit dem hydrodynamischen Walzspaltmodell, dem Materialmodell und dem Gerüstmodell wird im weiteren Teil der Arbeit ein Regelungskonzept für die Banddicke entwickelt. Das Regelungskonzept basiert auf einer Zwei-Freiheitsgrad-Regelung mit einer statischen Vorsteuerung und dem klassischen Automatic Gauge Controller (AGC) im Rückkoppelzweig. Mit Hilfe der Vorsteuerung wird die Walzkraftabweichung vom nominellen Arbeitspunkt aufgrund von gemessenen oder geschätzten Störungen prädiziert und eine zusätzliche Anstellposition für die hydraulischen Aktuatoren berechnet. Dadurch kann den negativen Auswirkungen auf die Banddicke zufolge einer variierenden Schmierung effektiv entgegengewirkt werden. In dieser Arbeit werden zwei unterschiedliche Ansätze für die Vorsteuerungen präsentiert, nämlich eine symmetrische Vorsteuerung zur Regelung der mittleren Banddicke und eine optimierungsbasierte Vorsteuerung mit der das gesamte Dickenprofil in Breitenrichtung beeinflusst werden kann. Darüber hinaus wird ein adaptiver Schätzer auf Basis eines Moving Horizon Estimators (MHE) entworfen, um die Robustheit der Vorsteuerung gegenüber unbekannten Modellparametern zu erhöhen. Abschließend werden die Regelungskonzepte in Simulationsstudien an einem experimentell validierten, ausführlichen mathematischen Modell getestet. Für sämtliche Eingangsgrößen werden Messdaten einer industriellen Warmbreitbandstraße verwendet. Es wird gezeigt, dass durch die entwickelten Regelungskonzepte eine deutliche Verbesserung der Dickengenauigkeit bei variierender Walzspaltschmierung im Vergleich zu konventionellen Reglern erreicht werden kann.

Hot rolling is a well established technology for the industrial production of steel strips. A continuous further development of this process is necessary to meet the demands for improvement of the product quality and the development of new materials with special properties. At the same time, the optimization of production costs, an increase in energy efficiency, the prevention of scrap waste material, and the reduction of carbon emissions are becoming more and more important. These objectives can only be achieved by the best possible control of the rolling process.The aim of this thesis is the development of a model-based thickness control concept for the finishing mill of a hot strip rolling plant. The main focus is thereby laid on systematically considering disturbances caused by roll gap lubrication. The application of oil lubrication in hot rolling offers many advantages, such as a reduction of the required rolling force, lower energy consumption, better surface quality of the steel strip, and less roll wear. On the other hand, it can also entail considerable disturbances in several control loops, which can not only deteriorate the final strip quality but may even endanger a safe operation of the plant.In the first part of the thesis, all necessary mathematical models for the description of the rolling process are derived. The mill stand model takes into account the elastic deformation of the mill stand housing and the deflection of the roll stack due to the high roll forces as well as the dynamics of the hydraulic actuators. The roll force required for the plastic deformation of the steel strip is determined by the roll gap model. The accuracy of the predicted roll force is essential in order to achieve a high performance of the model-based thickness controller. The hydrodynamic roll gap model presented in this thesis meets this requirement, since it allows to systematically incorporate all relevant process conditions, as for example varying rolling speeds and changing friction between the work rolls and the strip surface.Because an analytical solution of the hydrodynamic roll gap model is possible, it is also particularly suitable for real-time applications. The nonlinear material behavior is considered by tailored material models.For the parameterization of the model, an optimization-based identification algorithm is presented. The unknown material parameters and friction coefficients are identified by using measurement data of an industrial hot strip rolling mill.To validate the roll gap model, special experiments were performed to visualize the material flow inside the roll gap. For this purpose, copper pins were inserted into a steel strip sample and rolled on a laboratory rolling mill of voestalpine. A comparison of the deformed copper pins with the calculated deformation profiles from the model show a very good agreement. In order to compensate for the negative effects of lubrication on the thickness control, the dynamic behavior of the friction coefficient between the work roll and the strip material as a function of the feed rate of the lubrication oil is analyzed. From these investigations, a model for the lubrication dynamics was derived in form of a Hammerstein model, with a static saturation function as input nonlinearity and a linear time-invariant dynamics consisting of a first-order lag element and a dead-time. Based on this dynamic lubrication model, together with the hydrodynamic roll gap model, the material model and the mill stand model, a control concept for the strip thickness is developed in the next part of the thesis. The control concept is based on a two-degrees-of-freedom control structure with a static feedforward controller and the classical automatic gauge controller (AGC) in the feedback loop. The feedforward controller predicts the roll force deviation from the nominal operating point based on measured or estimated disturbances and calculates an additional cylinder position for the hydraulic actuators. This also allows an effective compensation of the negative effects of varying lubrication on the strip thickness. Two different approaches for the feedforward controller are presented, i.e. a symmetrical feedforward controller for the lateral mean strip thickness and an optimization-based feedforward controller for the entire lateral thickness profile. Furthermore, an adaptive parameter estimator based on a moving horizon approach is designed to improve the robustness of the feedforward control concept against unknown or uncertain model parameters.Finally, the control concepts are tested in simulation studies on an experimentally validated, detailed mathematical model. Measurement data from an industrial hot strip mill are used as input variables. It is shown that the developed control concepts achieve a significant improvement of the thickness accuracy with varying roll gap lubrication compared to conventional controllers.