阅读说明：本技术 用于操作连续生产线的方法 (Method for operating a continuous production line ) 是由 吴海 于 2018-07-11 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于操作连续生产线的方法,该方法包括使用计算机辅助的动态性能预测控制模型生产连续加工轧制钢带的退火步骤。(The invention relates to a method for operating a continuous production line, comprising an annealing step for producing a continuously processed rolled steel strip using a computer-assisted dynamic performance prediction control model.)

用于操作连续生产线的方法

技术领域

本发明涉及一种用于操作连续生产线的方法。

背景技术

连续生产线(CPL)由各种加工步骤组成，该加工步骤通常不按任何特定顺序地包括退火、热浸镀、平整轧制和拉伸矫直。这些加工步骤一起用于多种加工目的，以在中间状态和其最终状态下以良好的机械性能、表面性能和几何性能输送带材产品。中间状态达不到要求会损害后续加工和相关性能。其会导致相关最终产品降级或被拒收，并造成经济处罚。因此，控制加工设置对于试图控制最终产品的最终性能愈发重要。最近，重点已从仅加工控制转移到最终产品的性能控制。结果，将加工设置与产生的性能相关联的控制模型变得越来越重要，通常这些控制模型依赖于传感器的输入，该传感器测量一个或多个加工参数，例如温度或厚度。

如在WO2014187886中所公开的那样，基于置于加工区段端部的传感器测量的性能控制因在长距离通道中运输带材经过生产线而在控制回路中引起大的停滞时间。在控制器检测并纠正偏差之前，这可能导致大量材料损失。在某些情况下，例如在带材头达到性能测量点之前短长度的带材已经通过了临界热处理温度状况。因此，该控制器无效并且可能采取行动为时已晚。

如EP2742158中公开的基于模型预测的性能控制提供了一种补偿控制回路中的停滞时间的解决方案。所述解决方案使用性能模型根据加工历史记录在线预测性能并在必要时调整生产线中的其余过程，以根据预测纠正否则就会存在的质量偏差。但是它没有考虑已计划排程的带材过渡所引发的即将到来的加工动力、约束和干扰。从生产实践中了解到这些操作参数是由性能模型或经验例程确定的加工预设是否现实以及可实现的主要因素。因此，如果不考虑即将到来的加工情况，则仅由性能模型确定的控制动作会发生判断不佳、不可行并导致操作不稳定。例如，先对厚带材A进行退火，之后再对薄带材B进行退火，这需要提高生产线速度，以补偿否则可能会在厚度转变时发生的温度超调并使加热屈曲的风险降至最低。但是，由于擦拭加工的气体压力的限制或者在电镀的情况下由于镀层厚度的期望差异，退火后的镀锌加工需要将生产线速度从具有高镀层厚度目标的相同带材A降低到具有低镀层厚度的带材B。性能模型不能令人满意地解决这种冲突。

连续生产线的原料(例如其最终产品服务于汽车市场或包装市场)在带材尺寸、材料化学、进入条件和先前加工中产生的带材内空间不均匀性、最终产品性能以及相应的加工要求方面各不相同。所有这些因素的可能组合形成了对加工要求的无尽变化，这些要求因订单而异，还随带材而变化。在准时交货成为常态的时期，个别订单的大小会减少。因此，通常连续生产线中的加工在相当大的程度上处于瞬态，因此处于动态状态。减轻瞬时加工条件对产品性能影响的任务需要熟练的操作人员并且需要他们给予持续关注。如果没有适当考虑或更优选地预测加工的即将到来的动态，则控制方法或自动化系统会导致给予不适当的控制建议、不正确的控制操作，从而导致结果不理想。

当前加工控制系统所存在的问题在于仅在生产基本相同的许多材料的情况下典型设置和反馈模型才足够。在这种情况下，就机械性能、表面性能和几何性能而言，后续卷之间的变化最小。然而，由于批量大小减小到使得越来越多地生产出独特的带材的概略发展，所述独特的带材甚至在长度上都具有瞬态机械性能、表面性能和几何性能。使用典型设置和反馈意味着例如对于带材头的退火温度变化将是不及时的。这样长的停滞时间会导致出现潜在的产品降级，从而致使产量下降。

本发明的目的是提供一种在连续生产线的加工控制中缩短停滞时间的方法。

本发明的另一个目的是提供一种能够以提高的产出来生产连续加工的最终产品的方法。

本发明的另一个目的是提供一种方法，该方法能够生产对机械性能、表面性能和/或几何性能具有更严格公差的连续加工的最终产品。

本发明的另一个目的是提供一种方法，该方法能够在连续加工钢的现代化生产中处理解决加工控制的动态。

通过一种用于操作连续生产线(CPL)的方法来实现这些目的中的一个或多个目的，该方法包括使用计算机辅助的动态性能预测控制模型(DPPC)来生产连续加工的轧制钢带的退火步骤，该计算机辅助的动态性能预测控制模型(DPPC)包括材料性能模型(MPM)和动态加工模型(DPM)，其中MPM的输出用作DPM的输入参数，以使DPM能够为CPL提供最终加工设置(FPS)，其中MPM的输入参数包括：

·生产计划中的一个或多个要素；

·对于传入的轧制带材段的机械性能、表面性能和/或几何性能的目标值；

·该段的先前加工条件和/或预测或测量的机械性能、表面性能和/或几何性能的一个或多个参数；

·(可选)钢带的所述段的化学成分中的一种或多种元素；

·(可选)传入的轧制带材的所述段的一个或多个微结构参数；

·(可选)装置条件参数；

·(可选)来自传入的轧制带材的在线性能测量的反馈参数；

·(可选)来自离线性能测量的反馈参数，其中DPM的输入参数包括：

·MPM的输出；以及以下一项或多项：

·装置条件参数；

·MPM的输入参数中的一个或多个；

·(可选)来自在线CPL加工测量的反馈，

以生成用于钢带段的FPS，并且其中将用于段的FPS馈送到CPL计算机化的加工自动化中，由此随后生产的钢带段满足目标机械性能、表面性能和/或几何性能。

先前加工条件的示例可以是段的卷曲温度或冷轧机的压下量。

应当注意的是如果准确预测或测量传入轧制带材的段的机械性能、表面性能和/或几何性能，则MPM可能不需要与化学成分或先前的加工条件或微结构参数有关的输入。MPM的输出，此外以及装置条件参数中的一个或多个、MPM的输入参数中的一个或多个(例如计划)和(可选)来自在线CPL加工测量的反馈都将提供给DPM以用DPM预测FPS。

在从属权利要求中提供了优选实施例。

利用根据本发明的方法有效地解决了控制回路中的停滞时间问题。还有效地包括对由计划排程的带材过渡施加的即将发生的加工动态、约束和干扰的了解和预测以及对由计划排程的带材过渡施加的即将发生的加工动态、约束和干扰对产品性能的影响的认识和预测。通过针对性能目标和操作目标反复检查性能预测和加工预测可以优化加工控制。通过集成退火与可选镀层、平整轧制、拉伸矫直加工和镀层加工，使CPL能够生产出具有包括机械性能、表面性能和几何性能的优异品质的带材。根据本发明的方法基于针对带材段的加工设置的确定。该段的长度可以因带材的不同而不同。一条带材可包括仅仅一段或多段。每条带材所需的段数量由DPPC根据情况确定或者由先前的加工提供。例如，DPPC可以使用与前面的热轧加工相同的段。

加工计划是待生产的带材的顺序。每条带材都拥有自己的一套性能，例如，带材尺寸(例如，宽度、长度、厚度)，化学成分，进入条件和由先前加工(热轧、酸洗和冷轧等)产生的带材内空间不均匀性，目标机械性能、表面性能和几何性能。为了达到目标机械性能、表面性能和几何性能，必须在同时考虑先前的装置和加工条件的情况下仔细选择连续生产线的加工设置。

图1示出了连续生产线的示意图(虚线框)。CPL可以包括其中所示的加工步骤的组合，其中，带材段从左至右行进。在其最有限的实施例中，CPL仅包括连续退火步骤。然而，通常在这样的连续退火步骤之后是平整轧制步骤和/或后加工步骤，例如上油或润滑剂。在许多情况下，连续退火的带材可以通过热浸镀层加工或电镀加工进行镀层，然后可以进行平整轧制和/或覆以有机或无机覆层。根据本发明的方法的灵活性使得可以针对每个CPL定制DPPC。

要注意的是，图1中的顺序是加工步骤的通用顺序，但是根据本发明的方法还允许不同的顺序。可以设想的是，可以在第一覆层步骤中覆以金属覆层，然后进行平整轧制，而在第二覆层步骤中覆以有机覆层或无机覆层或金属覆层，随后进行有机覆层，之后实施平整轧制。

图1示出了强制退火步骤和可选的后续加工步骤：

·连续退火步骤(强制性)

·第一覆层加工

·平整轧制和/或拉伸矫直加工

·第二覆层加工

·后加工步骤

在一实施例中，第一和/或第二覆层加工步骤是热浸镀层加工或电镀加工。

在一实施例中，DPPC还提供用于热浸镀层的厚度控制的CPL自动化的FPS。

在一实施例中，第一和/或第二覆层加工步骤是有机覆层步骤。

在一实施例中，第一和/或第二覆层加工步骤是无机覆层步骤。在优选实施例中，无机覆层步骤包括物理气相沉积(PVD)加工或由物理气相沉积(PVD)加工。

后加工步骤可以包括诸如钝化、上油等加工。

在图2中，示意性地示出了动态性能预测控制(DPPC)模型。通过输入相关的先前加工参数、目标机械性能、表面性能和几何性能、生产计划、微结构、化学成分等，材料性能模型(MPM)预测一组初步加工设置(PPS)，利用该初步加工设置可以根据MPM获得针对带材段的目标机械性能、表面性能和几何性能。这些PPS(在图2至图4中用粗黑箭头表示)提供给动态加工模型(DPM)，该动态加工模型确定这些PPS是否可以在CPL中实现。如果可以在CPL中实现这些PPS，则将这些PPS作为最终加工设置(FPS)从DPPC传递到CPL的控制系统。在图2至图4中标记了“a”的线说明DPM在FPS的计算中还可以将一个或多个输入参数用于MPM。

如果DPM判定不能在CPL中实现MPM提出的所需加工设置，则启动迭代过程，其中MPM基于可实现的内容向DPM提出一组新的加工参数，直到获得最佳解决方案，然后将该最佳解决方案传递给CPL的控制系统。最佳解决方案是目标性能和可达到的性能之间的差小于预设最小值的解决方案。只要还未达到该预设最小值，就重复如图3中虚线所示的迭代。如果根本没有达到最小值，则DPPC会建议在计划中在两个适当的带材之间引入虚拟带材，其中，该虚拟带材用作牺牲带材，从而允许在加工条件下实现一定的过渡，与此同时虚拟带材运行通过CPL，使得当下一带材的第一段进入CPL时，FPS是实现该段目标性能的最佳选择。

DPM用于预测即将到来的加工条件。该模型描述了装置和加工的状态和动态，所述状态和动态包括退火加工中的热传递、带材表面上的气﹣金属反应，以及(如果适用)热浸镀层加工，热浸镀层后的擦拭加工、平整轧制和/或拉伸矫直。

MPM用于预测带材性能的中间状态和最终状态，该带材性能包括机械性能(晶粒尺寸、屈服强度、拉伸强度、伸长率、相分数等)、热浸镀层的外部/内部氧化性和表面润湿性和/或基于输入加工条件的几何形状(表面粗糙度、形状)。

实时执行这些计算，以根据给定生产计划的加工和性能预测确定加工设置(和公差)。

有必要优化加工设置，使得以能够接受的一致性实现依次多个带材的目标机械性能、表面性能和几何性能，并且可以执行加工设置所要求的加工变化和动态并满足操作目标。

如果违反任何要求，则会引发异常或警报以通知偏差。如果在经济上有利的话，这可能导致重新安排生产顺序或请求虚拟或不受约束的带材。例如，如果需要带材间的退火温度差非常大，则可能是这种情况。如果无法重新安排，则可以在这两个带材之间***虚拟带材，然后该虚拟带材用作牺牲带材。

在给定生产计划的情况下，本发明使用加工模型和性能模型来预测即将到来的生产，其包括多个带材和连续的过渡。这是唯一能够尽可能接近实际情况预测加工的进程并以此优化加工设置且计算控制措施以同时满足多个加工目的和生产目标的方法。通过这样做，可以使所述生产的命中率最大化，以产出具有优异性能的带材产品。

在图4中示出了具有用虚线表示迭代的DPPC，它还示出了DPPC的其他输入来源，例如离线产品测试结果、在线加工和产品测量的结果以及装置条件。利用这些结果，DPM和MPM都可以得到改善。

在根据本发明的涉及动态性能预测控制(DPPC)的方法中，可以区分以下步骤：

a)收集并接收输入；

b)计算和预测初步加工设置，并在必要时根据给定的生产计划、目标性能和其他输入来计算和预测得到的中间和最终性能；

c)在给定生产计划、装置条件和其他输入的条件下，计算、验证并在必要时调整初步加工设置；

d)迭代步骤b)和c)，以优化初步加工设置，以最大程度地满足性能目标和操作目标的要求，在预见到并且无法避免目标违反时生成异常通知；

e)计算即将到来的带材和过渡的最终加工设置；

f)可选地收集和接收加工和性能测量值，并在必要时改变DPPC模型，以提高DPPC模型的准确性、或者MPM或DPM之一的准确性。

在对于实时控制应用程序的循环操作中，它从步骤a)开始，以收集与生产计划、先前加工所产生的原料(带材)性能和条件以及最终产品性能要求和设备条件以及维护、可用容量等有关的输入，并将其提供给MPM和DPM进行迭代计算。该计算包括步骤b)、c)和d)，以最大程度地满足性能目标和操作目标。针对给定生产计划的加工设置是计算的结果之一。最终加工设置将发送到生产线的自动化和/或控制仪器系统。异常通知将发送到生产单元，该生产单元会生成生产计划，以采取适当的措施或修改计划。定期收集加工条件测量以及中间和最终性能测量(线下和在线)，以适应MPM和DPM的参数。优选地，循环操作至少每30分钟执行一次，优选地在每分钟一次至每秒一次的范围内执行循环操作。

在CPL中设有常规加工控制仪器来测量加工参数，例如生产线速度和温度，以确保实现FPS。

加工设置会因带材的不同而异，也会因带材中的段不同而异。当在生产线入口处将带材装载到解卷机上之前，优选地在确定带材生产顺序之前，完成特定带材或带材的段的加工设置的计算。在生产计划或输入发生更改时，或者由于不可预见的设备故障，对加工速度的人工干预等原因导致实际加工偏差超出最新发布的加工设置的容差时，必须重新计算加工设置。

本发明涉及控制退火炉的连续生产线生产具有优异性能的金属带材的方法。在包含以下内容的计算机系统上运行该方法：

﹣数据输入，其包括生产计划，该生产计划包含在生产顺序中列出的多个带材，其中带材尺寸、材料化学、进入条件和由先前加工(热轧、酸洗和冷轧等)产生的带材内空间不均匀性、最终产品性能以及相应的加工要求。

﹣描述和预测装置和加工的状态和动态的加工模型，所述装置和加工包括退火过程中的热传递、带材表面上的气体﹣金属反应、覆层加工(例如，热浸镀锌、电镀)，覆层厚度调节(例如，在镀锌或电流密度后进行锌擦拭加工)、平整轧制和/或拉伸矫直。

﹣材料性能模型，其使用加工模型提供的条件描述和预测带材性能(包括机械性能、镀锌或电镀的外部/内部氧化和表面润湿性、和/或几何形状)的中间状态和最终状态。

﹣通过迭代地检查加工预测和性能预测以产生针对给定生产计划的加工设置来执行优化算法。加工设置可能因带材不同而异，并且因带材中的段不同而异。当在生产线入口处将带材装载到解卷机上之前，并且优选在确定带材生产顺序之前，完成特定带材或带材段的加工设置的计算。

﹣将包括加工设置在内的数据输出到生产线的自动化和/或控制仪器系统，然后执行设置并生成具有目标机械性能、表面性能和/或几何性能的钢带段。

通过非限制性示例，以下问题说明了DPPC的能力：

对于退火，此设置考虑到由先前加工(热轧机、酸洗线、冷轧机等)产生的材料化学、进入条件和带材内空间不均匀性以及预计的加工速度和(减)加速度，限定了由所需机械性能规范确定的最高温度和最低温度以及旨在产生更均匀性能的目标温度。该最低温度和最高温度设置还受到覆层加工之前所需形状和表面性能以及带材过渡过程中的热动力学等因素的限制。

对于加工(或带材)速度，该设置限定目标速度、最大极限和最小极限，这些由所需的覆层厚度及其控制、所需的机械性能和其温度﹣时间控制、所需的表面粗糙度、平整轧制压下量以及它的控制等所确定。

对于覆层厚度，该设置限定了擦拭气体介质的压力、气体喷射出口和带材之间的距离、气体压缩机头部压力，这些由所需的覆层类型和厚度、所需的平整压下量和矫直伸长率、预计的加工速度和(减)加速度等所确定。

对于镀锌之前的表面修整，该设置限定了燃烧空燃比、氧化注入的氧气浓度、炉膛气氛的露点等，这些由材料的化学、所需的镀锌浴化学、预测的温度变化、预测的加工速度等确定。

对于覆层之前的带材形状，该设置限定了(快速)加热和冷却的温度极限和最大梯度、带材宽度上的加热和冷却通量分布、线张力、不平整公差等，这些由带材尺寸(厚度与宽度之比)、输送辊尺寸、所需的机械性能及其温度﹣时间控制、预测的加工速度、所需的覆层厚度及其控制等确定。

对于平整轧制和/或拉伸矫直，该设置限制了整个带材的最佳压下量和/或伸长率，以在考虑到预测的退火加工，预测的加工速度，预测的内联形状，材料尺寸，所需的机械、几何形状和表面性能的情况下最大程度地提高原始质量。

应当注意的是，进入的轧制带材可以是热轧带材或冷轧带材。通常不对热轧带材进行进一步退火，但是在特定情况下这可能是必要的。例如，如果要对热轧带材进行热浸镀，则需要在浸入之前对带材进行加热，以避免金属浸镀浴冷却至低于工作温度。这通常称为加热覆层加工。不需要加热带材以影响性能，例如在冷轧带材的重结晶和/或奥氏体退火中。另一方面，对于含有某些微结构(如马氏体)的热轧钢或由于溶解元素而仍具有沉淀硬化潜力的热轧钢而言，退火处理会有利于回火马氏体并改善钢的延展性或促进沉淀且提高钢的强度。

在优选实施例中，进入的钢带是冷轧钢。这在根据本发明的CPL中为最常见的退火形式，并且这些钢的制造必须应对日益严格的公差和应对允许缺陷的数量、机械性能、表面质量以及尺寸和尺寸公差的日益增长的要求。

在针对实时控制应用的循环操作中，将自动计算针对给定生产计划的加工设置，并将其发送到生产线的自动化和/或控制仪器系统。如果预见到目标违反，则会生成异常通知并将该异常通知发送到生成生产计划的计划单元。

优选地，当改变生产计划或输入时或者当由于出现不可预见的设备故障、对加工速度实施手动干预等等而造成实际加工偏差超出最新发布的加工设置的公差时便自动触发加工设置的重新计算。

本发明还体现在用于连续生产线的计算机化的加工自动化中，其中，实现加工自动化，使得其在运行期间执行根据本发明的方法。

本发明还体现在由根据本发明的计算机化的加工自动化控制的连续生产线中，还体现在连续生产线中，其中在操作期间根据本发明由CPL计算机化的加工自动化确定、设置和实现进入钢带段的FPS，以使得能够生产具有目标机械性能、表面性能和/或几何性能的钢带段。

通过以下非限制性的实施例和附图证明本发明的有用性。

图7和8示出了从连续生产线生产的镀锌高强度钢等级的机械性能的测量值。浅灰色表示没有DPPC的结果。黑色表示使用DPPC的版本生产的相同钢的结果。所描绘的机械性能是屈服应力(Rp)和抗拉强度(Rm)。没有DPPC的性能会示出宽的分布范围，具有公差范围之外(竖直虚线)的测量有效程度。Rp上会拒绝35％(图7)，Rm上会拒绝30％(图8)。DPPC预测考虑到在热轧机(HSM)的输出辊道冷却中实现的卷绕温度状况，通过调整退火方式可以显著改善。

使用受控的卷绕温度，其中，在更高的温度下卷绕热轧带材的头部和尾部，以补偿热轧带卷的外缠绕层处更快的冷却速度。图5示出了大量带材的温度与归一化长度的关系。随后对这些热轧和U型冷却的带材进行酸洗和冷轧。此外，考虑到由先前的加工步骤导致的带材内空间不均匀性，DPPC提出了相比于带材的中间段(或多段)针对这些热轧带卷的冷轧带材的头部和尾部的较低的退火温度。这在图6中示意性地示出。在约705℃的水平线表示在带材的整个长度上相等退火温度的现有技术实践。随后在所述生产线中的退火步骤的快速加热炉对该冷轧带材施加该温度状况，并且在图7和图8中以黑色给出最终产品的结果。这些值显示出显着减小的分布宽度以及更好的抗公差性能。Rp上的拒绝率降至5％，Rm上的拒绝率降至2％。