INNOVATION. Our automation system for a continuous tandem mill coupled with pickling line. Roberta Gatti & Sergio Murgia

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1 Roberta Gatti & Sergio Murgia Our automation system for a continuous tandem mill coupled with pickling line INTRODUCTION The cold rolling is one of the main sectors for rolling flat products. In the last 3 years Ansaldo Sistemi Industriali (ASI) acquired 20 cold rolling plants, of which 17 from a major Chinese customer, who demonstrated to be very satisfied of our automation systems developed in our Genoa factory (with the support of our office in Beijing). The paper presents the state of art of what is normally considered the most comprehensive and significant type of cold rolling plant: the continuous tandem mill coupled with pickling line. In Italy we call it decatreno (fig. 1). THE PLANT AND ITS REQUIREMENTS The purpose of a cold rolling mill is to reduce the thickness of the entering coils of steel (coming from a hot strip mill) to a defined target with great accuracy, guaranteeing the best surface quality of the final strip and high plant productivity: note that a rolling mill usually works 24h/7d. There are more than one different type of mills able to reach these targets, smaller or larger depending on productivity and final product characteristics. The largest one is composed by a set of rolling stands (usually 5) able to reduce the steel thickness by means of pressure (fig. 2, rolling force), created by hy- Fig. 1 - The continuous tandem mill coupled with a pickling line. Fig. 1 - Il decatreno INNOVATION 16

2 draulic capsules and exercised by 2 work rolls on the strip itself; and by means of the tensions between one stand and the others (interstand tensions); 4 or, as in the picture, 6 rolls in total are present in each stand for giving the suitable stiffness to the whole assembly. The plant inserted in fig. 2 is a coil-to-coil tandem mill: each coil is inserted into the mill, is rolled and is extracted when it has finished. Its productivity, in addition to stability of operations, can definitively increase if the coil-to-coil process is transformed into a continuous process by welding the head of a coil to the tail of the previous one: in this way, the tandem can roll continuously, without stopping and restarting when a coil finishes. Because welding machines require the strip to stop for a while, an accumulator (looper) is necessary in order to not stop rolling at the tandem mill (see fig. 1, where vertical loopers are showed, but horizontal structures are often used). A flying shear located at tandem exit cuts the strip when a new coil has been formed on the coiler so that the process turns back to be discontinuous. Much time can pass after hot rolling and before cold process, rust is formed on the metal and it must be eliminated from the surface of the strip before it is rolled by having the strip passed inside tanks filled with a solution of water and hydrochloric acid; this can be done in pickling line before the coils reaches the tandem mill, or, more efficiently, the pickling line can be directly inserted between the welding machine and the 1 st stand; additional loopers are required upstream of the stands to decouple the different phases giving maximum flexibility to such a plant, which can now reach 300 m length and accumulate 2000 m of strip in the loopers (see again fig. 1). Il nostro sistema di automazione per un decatreno INTRODUZIONE La laminazione a freddo è uno dei principali settori della laminazione dei prodotti piani ed ASI ha acquisito, negli ultimi 3 anni, 20 impianti di questo tipo, di cui ben 17 da un grosso cliente cinese, particolarmente soddisfatto dei nostri sistemi di automazione; questi vengono sviluppati dai colleghi della sede di Genova (col supporto della sede di Pechino) e l articolo si pone lo scopo di illustrare lo stato dell arte di quello che è normalmente ritenuto il più completo e significativo dei numerosi impianti dell area a freddo, il tandem continuo con decapaggio; noi italiani lo abbreviamo con decatreno (fig. 1). L IMPIANTO E I SUOI REQUISITI Lo scopo del laminatoio a freddo (chiamato anche tandem a freddo) è di ridurre ad un ben definito target e con grande accuratezza lo spessore dei rotoli di acciaio in ingresso (provenienti da un laminatoio a caldo), garantendo la migliore qualità superficiale del nastro finale ed una elevata produttività dell impianto: si noti che un laminatoio normalmente lavora 24 ore al giorno, 7 giorni su 7. Esistono vari tipi di laminatoi capaci di raggiungere questi target, più o meno grandi a seconda della produttività e delle caratteristiche del prodotto finale. Il più grande è composto da un certo numero di gabbie di laminazione (di solito sono 5) che riducono lo spessore dell acciaio sia per mezzo della pressione (fig. 2, rolling force) generata da capsule idrauliche ed esercitata sul nastro da due cilindri di lavoro (work rolls) che per mezzo dei tiri tra una gabbia e l altra (interstand tension); in ciascuna gabbia ci sono 4 o, come in figura, 6 cilindri per conferire una adeguata rigidità all intera struttura. L impianto mostrato in fig. 2 è un laminatoio coil-tocoil: ogni rotolo viene introdotto nel laminatoio, viene laminato ed estratto una volta che è terminato. La produttività, oltre che la stabilità delle operazioni, può certamente aumentare se il processo discontinuo coil-to-coil viene trasformato in continuo, e questo si fa saldando la testa di un rotolo alla coda del rotolo che lo precede: così facendo, il tandem può laminare continuativamente, senza doversi fermare e ripartire ogni volta che il rotolo finisce. Poiché le saldatrici richiedono che il nastro si fermi per un poco per la saldatura, è necessario un accumulatore (looper) per non far fermare la laminazione al tandem quando il nastro è fermo alla saldatrice (in fig. 1 sono mostrati looper verticali, ma più spesso si utilizzano strutture orizzontali). Una cesoia volante (flying shear) all uscita del tandem taglia il nastro quando un nuovo rotolo sull aspo avvolgitore si è completato e il processo ritorna così ad essere discontinuo. 17

3 Roberta Gatti & Sergio Murgia Work rolls Rolling force Rolling stand Interstand tension Fig. 2 - Tandem mill applies forces and tensions to reduce the strip thickness. Fig. 2 - Il laminatoio riduce lo spessore del nastro per mezzo di forze e di tiri A few numbers taken from a typical plant can give an idea of the complexity of the cold rolling process and, as a consequence, of its automation system (tab. 1): this real-time control system must deal with a highlyinterconnected fast process and must guarantee accuracy, reliability and productivity by means of efficient generation of references for a large number of control loops able to run at cycle times of a few ms, connected to many actuators, sensors and supervision stations. Entry thickness mm Exit thickness mm Thickness measure accuracy ± 0.01 % Total thickness reduction up to 90 % Exit speed 20 m/s Main motor power (5 stands) MW Rolling forces 10,000 kn Interstand tensions MPa Thickness performances ± 1 3 % exit thickness in 98 % of the strip body Flatness performances (see details ± 8 12 I.U. (fiber differential in the Flatness paragraph) elongation = ± μm per 1 rolled meter) Production 1.2 millions tons per year Tab. 1 - Some typical data summarize the high-demanding capabilities requested from a modern cold rolling mill Tab. 1 - Alcuni valori tipici riassumono le stringenti richieste di prestazioni per un moderno laminatoio a freddo THE AUTOMATION SYSTEM Fig. 3 illustrates in a very simplified way the theoretical scheme of our automation systems, while fig. 4 presents the automation layout for the continuous mill: Level 1: includes many regulators which control position or pressure of the hydraulic capsules, tension and thickness of the strip, speeds of the motors, and so on: inner and outer loops, concurrent loops, decoupling actions and on-line gain calibrations are often necessary; the level 1 also manages logic, sequences, hydraulics, communication with the field (sensors, actuators, electrical drives, operator desks, etc.). Data acquisition is used to investigate details in regulators. Level 2: the references to be sent to the regulators change depending on the different products to be rolled (production programs comes from the production management department level 3) and/or due to the intrinsic tempo-variance of the plant (e.g., work rolls heat up and wear) so that they are recalculated by dedicated mathematical models for each new piece (consider many tens of pieces per day); measures are collected for autoadapting the models piece-by-piece and for certifying the quality of each coil produced. INNOVATION 18

4 Spesso passa parecchio tempo tra la laminazione a caldo e quella a freddo, per cui sul metallo si forma della ruggine che deve essere eliminata facendo passare il nastro dentro alcune vasche con una soluzione di acqua e acido cloridrico; questo processo di decapaggio (pickling line) può essere fatto in un altro impianto prima di laminare il nastro al tandem o, più efficientemente, il decapaggio può essere inserito direttamente tra la saldatrice e la prima gabbia; servono dunque altri looper prima delle gabbie per disaccoppiare le diverse fasi e conferire così il massimo di flessibilità all impianto, che ora può raggiungere i 300 m in lunghezza ed accumulare 2000 m di nastro nei looper (v. ancora fig. 1). Alcune cifre di un tipico impianto possono dare l idea della complessità del processo di laminazione a freddo e, di conseguenza, del suo sistema di automazione (tab. 1): questi controlli in real-time devono gestire un processo veloce ed altamente interconnesso e devono garantire accuratezza, affidabilità e produttività per mezzo di una efficiente generazione dei riferimenti per un gran numero di anelli di regolazione che girano a tempi di ciclo dell ordine di pochi ms, connessi ad altrettanto numerosi attuatori, sensori e stazioni di supervisione. IL SISTEMA DI AUTOMAZIONE La fig. 3 illustra in maniera molto semplificata lo schema teorico dei nostri sistemi di automazione, mentre la fig. 4 presenta la configurazione di automazione per un decatreno: Livello 1: comprende molti regolatori che controllano posizioni e pressioni delle capsule idrauliche, tiri e spessori del nastro, velocità dei motori e così via; spesso sono necessari anelli interni ed esterni, anelli concorrenti, azioni di disaccoppiamento e calibrazioni on-line; il livello 1 gestisce anche le logiche, le sequenze, le idrauliche, le comunicazioni col campo (sensori, attuatori, azionamenti elettrici, banchi operatore, ecc.). Un completo sistema di acquisizione dati consente di investigare accuratamente i dettagli di comportamento dei regolatori. Livello 2: i riferimenti necessari ai regolatori possono cambiare a seconda dei diversi prodotti da laminare (i programmi di produzione arrivano dal dipartimento che gestisce la produzione livello 3) e/o a causa della intrinseca tempo-varianza dell impianto (p. es., i cilindri di lavoro si scaldano e si usurano); i riferimenti vengono dunque ricalcolati pezzo per pezzo (e si laminano molte decine di pezzi al giorno) da modelli matematici appositamente sviluppati; durante la laminazione vengono raccolte moltissime misure sia per auto-adattare i modelli matematici pezzo dopo pezzo, sia per certificare la qualità di ciascun nastro prodotto. Le caratteristiche peculiari che contraddistinguono il tandem continuo possono essere ora brevemente descritte per aggiungere informazioni pratiche al precedente schema teorico. Calcolo del setup e funzioni di livello 2 di base La scheda di laminazione che contiene i riferimenti che il livello 1 deve attuare viene calcolata da accurati modelli matematici quando il rotolo viene saldato, quando si trova al decapaggio e prima di entrare nel tandem; i calcoli necessari al meccanismo di auto-adattamento dei modelli matematici sono effettuati quando il rotolo finito viene tagliato e lascia il tandem, usando le misure acquisite durante il suo processamento. Inoltre, i server di processo raccolgono, gestiscono e immagazzinano tutti i dati relativi a ciascun rotolo laminato (dati primari, scheda di laminazione, calcoli di adattamento, riferimenti applicati, misure di qualità) e alla produzione effettuata. Gestiscono anche la connessione col sistema di automazione di livello 3. Cambio di Set al Volo Il mondo dei modelli matematici e dell attuazione dei riferimenti per i laminatoi è parecchio ampio e variegato, ma ciò che sicuramente fa la differenza in un laminatoio continuo è il cambio di set al volo, che coinvolge sia capacità modellistiche che regolazioni e logiche real-time. La scheda di laminazione, calcolata per ciascun nastro, assicura riferimenti ottimali per quel nastro; ma quando la saldatura tra due diversi nastri passa attraverso le gabbie, il punto operativo dell impianto si deve spostare dallo stato del nastro corrente a quello del successivo e questo cambio deve essere continuamente gestito dal sistema di automazione. Diversi set intermedi (v. fig. 5), calcolati dai modelli matematici e applicati al momento giusto dai regolatori mentre la saldatura si muove attraverso il tandem, permettono di mantenere la stabilità di laminazione (limitando il rischio di rottura nastro) per minimizzare la lunghezza di nastro fuori tolleranza, limitando l area di transizione e massimizzando la produzione. Controllo Automatico di Spessore & Controllo di Tiro (AGC & ATC) Lo spessore del prodotto finito che sta in tolleranza è ciò che appare immediatamente al cliente finale e ha fondamentale importanza sia per quel che riguarda la qualità del nastro che per la bontà complessiva dell impianto (v. fig. 6). I modelli matematici calcolano riduzioni nominali e tiri intergabbia al fine di ottenere le condizioni operative desiderate in assenza di disturbi. I controlli tecnologici sono progettati per minimizzare le variazioni che sorgono durante la laminazione: per esempio, variazioni di spessore e di durezza del materiale d ingresso, fenomeni termici sui cilindri di lavoro, usura ed eccentricità dei cilindri e variazioni di attrito, se non vengono adeguatamente controllati dal sistema di automazione, provocano deviazioni di spessore dal target garantito per il prodotto finale (fig. 7). Nella fig. 8 è mostrato il sistema di controllo: sono eviden- 19

5 Roberta Gatti & Sergio Murgia REPORTS MATHEMATICAL MODELS MODEL ADAPTION Level 2 Production Programs Production Reports Fig. 3 - Functional structure of the automation system Level 1 The peculiar features that distinguish the continuous tandem mill can be now briefly described for adding more practical information to the previous theoretical scheme. + - Level 3 R R REGULATOR Adaption Measures PLANT Fig. 3 - Struttura funzionale del sistema di automazione Setup Calculation and Level 2 Basic Functions The rolling schedule to be actuated by level 1 is calculated by accurate mathematical models when the coil is welded, when it is at the pickling line and before entering the tandem mill; calculations dedicated to autoadapt the mathematical models using actual plant measures are carried out when the coil is cut and exits the plant. In addition, the process servers are dedicated to collect, manage and store all of the information related to each coil (primary data, rolling schedules, adaption calculations, applied sets, quality measures) and to production and operations. They also manage the connection to the level 3 system. OPERATOR STATIONS & LOCAL CONTROL DESKS LEVEL 2 & COMPUTER ROOM Entry pulpit LEVEL 3 NETWORK (to level 3 system) Process Servers HMI NETWORK DATA ACQUISITION NETWORK Side trimmer pulpit HMI Servers MAIN NETWORK Tandem pulpit Engineering stations Data acquisition client LEVEL 1 Entry and pickling areas Maintenance stations Tandem area LEVEL 0/PLANT Drives COMMUNICATION NETWORK Fast I/O Drives FIELD NETWORK Slow I/O Fig. 4 - ASI automation system for a cold tandem mill coupled with pickling line Fig. 4 - Il sistema di automazione ASI per un decatreno INNOVATION 20

6 ziati i relativi sensori e le funzioni principali. L ATC (Controllo Automatico di Tiro) ha lo scopo di mantenere il tiro ben vicino al riferimento calcolato dai modelli matematici e di prevenire rotture del nastro. Un rullo tensiometrico, posizionato in ciascuna intergabbia, fornisce la misura di tiro. Sia la velocità delle gabbie che la luce tra i cilindri agiscono sui tiri intergabbia: sono così usati due diversi regolatori: Controllo di tiro tramite carico: agisce su posizione o forza dei cilindri della gabbia a valle (HGC Controllo Idraulico di Posizione - in fig. 8). Controllo di tiro tramite velocità: agisce sulla velocità delle gabbie a valle o a monte (non mostrato in fig. 8); Il primo regolatore è usato a bassa velocità, quando sono presenti diverse condizioni di laminazione: il coefficiente di attrito tra cilindri di lavoro e nastro è così grande che il controllo di tiro tramite carico richiederebbe correzioni di forza eccessive e danneggerebbe la planarità del nastro. L ATC tramite carico lavora a velocità più alta. La commutazione da una modalità all altra avviene in maniera automatica. Una differenziazione va fatta quando il tandem lamina con basse riduzioni sull ultima gabbia: in questa situazione è preferibile controllare il tiro dell ultima intergabbia agendo solo sulla velocità della gabbia 4 (indipendentemente dalla velocità di laminazione) così che il controllo di posizione sull ultima gabbia sia disponibile per il controllo di planarità. L AGC (Controllo Automatico di Spessore) riceve la misura di deviazione di spessore dai misuratori a raggi X. A differenza del tiro, lo spessore non viene misurato all uscita di ogni gabbia a causa dei costi elevati e dei rischi di danneggiamento in casi di strappo del nastro. La configurazione tipica prevede tre misuratori (v. fig. 8 per il loro posizionamento). L AGC comprende due sottosistemi principali: AGC di ingresso: ha lo scopo di mantenere il corretto spessore del nastro all uscita dalla prima gabbia, usando le misure che arrivano dai primi due misuratori. AGC di uscita: controlla lo spessore del nastro all uscita dal tandem usando la misura dell ultimo sensore e agendo sulla velocità delle ultime due gabbie. Infine, il monitor AGC ha lo scopo di riportare nei limiti la correzione dell AGC di uscita nel caso in cui entri in regione di pre-saturazione; il monitor, in pratica, ricalibra il target di spessore dell AGC di ingresso così da risistemare il flusso di materiale che entra nel tandem in accordo con i requisiti dell AGC di uscita. È fondamentale, per i tandem a freddo, che l errore di spessore all uscita della prima gabbia sia mantenuto costante, anche se non nullo, poiché l AGC di uscita è perfettamente in grado di correggere deviazioni di spessore molto lente, ma è meno efficace per correggere errori occasionali dato che la sua dinamica è limitata dai ritardi di trasporto tra l ultima gabbia (su cui il controllo opera) e il misuratore di spessore: l errore di spessore, infatti, prima di essere rilevato deve arrivare dalla gabbia al misuratore, per cui l azione di controllo deve necessariamente essere lenta per evitare l insorgere di instabilità. La presenza di sofisticati misuratori di velocità (laser) a monte e a valle della prima gabbia consente all AGC massflow di applicare azioni di controllo veloci sull HGC della prima gabbia. L AGC massflow si basa sul principio di conservazione della portata di metallo (massflow), il che significa che la quantità di materiale che entra nella gabbia è uguale a quella che esce. E poiché nella laminazione a freddo la larghezza del nastro non varia, è possibile scrivere: h IN v IN = h OUT v OUT dove h IN = spessore d ingresso; h OUT = spessore d uscita; v IN = velocità lineare del nastro in ingresso; h OUT = velocità lineare del nastro in uscita. L AGC massflow corregge l errore ε massflow = v IN _ h* OUT v OUT h IN dove h* OUT = spessore nominale in uscita dalla prima gabbia. Chiaramente, azzerare ε massflow significa far sì che lo spessore che esce dalla prima gabbia sia uguale al riferimento calcolato dai modelli matematici. Stiamo gestendo anche guasti a sensori delicate come i misuratori laser di velocità, usando al loro posto gli encoder che sono sempre presenti sulla briglia d ingresso e sulla gabbia. L AGC massflow può così ottenere ottime prestazioni anche in assenza dei misuratori laser di velocità: per esempio, i grafici di fig. 6 (tratti da un tandem senza misuratori laser di velocità) mostrano come lo spessore in uscita dalla prima gabbia sia mantenuto comunque costante malgrado i cambi nello spessore d ingresso e nella velocità di laminazione. L AGC massflow può agire accoppiato ad una funzione di monitor (monitor di massflow) che ha lo scopo di compensare errori di valutazione del massflow (errori di misura, slittamenti, ) basandosi sulla misura di deviazione di spessore proveniente dal misuratore a valle della prima gabbia. Controllo Automatico di Planarità (AFC) La planarità del nastro, con lo spessore, è la più importante caratteristica del prodotto a cui il mercato dell acciaio è estremamente sensibile. Il requisito di base è che il nastro laminato a freddo sia piano e completamente privo di curvature; nel prodotto finale ci saranno, infatti, difetti di planarità se gli stress residui dopo la laminazione eccederanno certi valori critici. In questi casi, il nastro mostrerà difetti di planarità come onde laterali o sfondamenti centrali. 21

7 Roberta Gatti & Sergio Murgia Flying Setup Change The world of the mathematical models and references actuation for rolling mills is quite wide and variegated, but what surely makes the difference in a continuous tandem mill is the flying setup change, that involves both modelling capabilities and real-time regulation and logic. The rolling schedule calculated for each coil to be rolled ensures the optimal references for that coil; but when the weld seam between two different coils passes through the stands, the mill operating point must move from the current state to the future state of the next product and the change has to be continuously managed by the automation system. Different intermediate sets (see fig. 5), calculated by mathematical models and applied in the correct moments by regulators while weld seam moves along the mill, allow to maintain rolling stability (limiting the risk of strip breakage), to minimize the length of offspecification rolled strip by limiting the transition area and to maximize the production. Automatic Gauge Control & Tension Control (AGC & ATC) The in-tolerance thickness of the final product is what immediately appears to the final customers and has a fundamental importance both on the strip quality and on the entire plant bounty (fig. 6). The mathematical models calculate the nominal stand reductions and interstand tensions in order to get the desired operating conditions in the absence of disturbances. The technological controls are designed to minimise the variations which occur during rolling: for example, thickness and hardness variations in the entry strip, thermal phenomena affecting the work rolls, roll wear, roll eccentricity and friction variations cause deviations from the guaranteed target thickness in the final product if not adequately controlled by the automation system (fig. 7). The control system is shown in figure 8: the relevant sensors and the main functions are pointed out. ATC (Automatic Tension control) is aimed to maintain tension close to the reference calculated by mathematical models and to prevent strip breaks. A tensionmeter roll located in each interstand supplies the tension feedback. Both stand speeds and stand rollgap positions affect the interstand tensions: two different controllers are then used: Tension control by load: operates by adjusting the rollgap position/force of the downstream stand (HGC - Hydraulic Gap Control - in fig. 8). Tension control by speed: operates by adjusting the speed of the upstream or downstream stand (not shown in fig. 8); The first regulator is used at low speed, when different rolling conditions are present: the friction coefficient between work rolls and strip is so high that the tension control by load would require excessive corrections of force, thus affecting strip flatness. ATC by load operates at higher speed. The switch from one mode to the other one is automatic. A distinction must be done for the last interstand when the mill rolls steel sheet with a small reduction at the last stand: in this situation, it is preferable to control tension by acting on stand 4 speed only (independently on the rolling speed), so that the rollgap on the last stand is available for shape control. AGC (Automatic Gauge Control) gets thickness deviation feedback from x-ray gauges. Unlike tension, thickness is not measured at the exit of all stands, due to the cost and the risk of damage during strip breakages. The typical plant configuration foresees three gauges (see fig. 8 for their location). AGC includes two main subsystems: Entry AGC: is aimed to maintain a consistent strip thickness at stand 1 exit, by using the feedbacks coming from the first two x-rays. Exit AGC: it controls the strip thickness at mill exit, by using the feedback coming from the last x-ray. and acting on the last stands speed. Moreover, AGC Monitor aims to bring the Exit AGC correction in range when it enters into a pre-saturation region; it recalibrates the Entry AGC thickness target, thus adjusting the material flow entering the mill according to the requirements of Exit AGC. For tandem mills it is fundamental that the thickness error at the exit of stand 1 is kept constant, even if not null, as the Exit AGC is perfectly able to compensate very slow deviations, but it is less effective for occasional errors, being its dynamics limited by the transport delay between the last stand (on which the control operates) and the exit thickness gauge: the thickness error has to travel from the stand to the gauge before being detected; because of this, the control action must be slow to avoid instability. The presence of accurate strip speed sensors (such as laser speedometers) at stand 1 entry and exit allows Massflow AGC to apply fast control action on stand 1 HGC. Massflow AGC is based on massflow constancy principle, i.e. the material entering the stand is equal to the one going out of the stand. INNOVATION 22

8 Fig. 6 - A minimum thickness of 140μm has been reached during a test aimed at demonstrating the feasibility of so a thin thickness in a tandem mill (Continuous Tandem Mill - PRC). Fig. 6 - Lo spessore minimo di 140μm è stato ottenuto in un test volto a dimostrare la capacità dell impianto di realizzare uno spessore così sottile in un tandem a freddo (Tandem Continuo - Cina). Fig. 5 - A weld is passing through the mill: the change of references is calculated and applied stand by stand. Fig. 5 - Una saldatura sta passando attraverso le gabbie: il cambio di riferimenti viene calcolato ed applicato gabbia per gabbia. Fig. 7 - A coil with non-uniform thickness (e.g., due to skid marks at hot rolling) enters the 1st stand: AGC works very effectively so to bring the exit thickness within the tolerances (Tandem Mill - Italy) Fig. 7 - Un nastro con spessore non uniforme (p. es., a causa di skid-marks durante la laminazione a caldo) entra nella prima gabbia: l AGC lavora molto efficientemente e mantiene lo spessore entro le tolleranze (Tandem - Italy) 23

9 Roberta Gatti & Sergio Murgia Mass Flow HGC 1 HGC 2 HGC 3 HGC 4 HGC 5 ATC by load Speed 4 Speed 5 Mass Flow Monitor Monitor Feedback MASS FLOW AGC AGC MONITOR EXIT AGC laser speedometer X-ray thickness gauge tensiometer Fig. 8 - Thickness and Tension control at a glance Fig. 8 - Un colpo d occhio sui controlli di spessore e di tiro Le Top view of the strip, fiber by fiber Lm Le A fiber, side view S L Fig. 9 - Definition of strip flatness Fig. 9 - Definizione di planarità del nastro INNOVATION 24

10 laser speedometers: for example, figure 6 (taken from a tandem mill without lasers) shows that stand 1 exit thickness is maintained constant by the control in spite of the entry thickness changes and of the rolling speed changes. AGC Massflow can operate coupled with a monitor function (Massflow Monitor) aiming to compensate for the massflow estimation errors (measure errors, slipping ), basing on the thickness deviation feedback coming from the gauge at stand 1 exit. Fig. 10-3D representation of strip flatness error: note that every sample is in tolerance (±12 I.U.) (Continuous Tandem Mill - Italy) Fig Rappresentazione tridimensionale dell errore di planarità del nastro: si noti che tutti i campioni sono in tolleranza (±12 I.U.) (Tandem Continuo - Italia) As in cold rolling strip width remains constant, we can write: Automatic Flatness Control (AFC) The strip flatness is the most important product characteristic, along with thickness, to which the steel market is extremely sensitive. A basic requirement is that the cold rolled strip must be flat and completely free of camber; flatness defects in the final product will occur if the residual stresses remaining after rolling exceed critical values. h IN v IN = h OUT v OUT where h IN : entry thickness, h OUT : exit thickness, v IN : strip entry linear speed, v OUT : strip exit linear speed. Then Massflow AGC considers as error the following: ε massflow = v IN _ h* OUT v OUT h IN where h* OUT : stand 1 exit nominal thickness. Clearly, nullifying ε massflow means obtaining strip exiting the 1 st stand at the thickness calculated by the mathematical models. Failures in sensitive sensors such as laser speedometers are being handled through encoders that are present both on entry bridle and stand 1. Massflow AGC can reach very good performances also in absence of the tension from the last stand forces tension to Rewind Reel rolling direction Fig Working scheme of the shapemeter: the rotors measure the vertical forces Fig Schema operativo dello shapemeter: i rotori misurano le forze verticali 25

11 Roberta Gatti & Sergio Murgia In this case, the strip will show flatness defects as wavy edges or centre buckles. Fig. 9 illustrates the flatness definition, while fig. 10 shows a snapshot of the 3d representation of flatness measured during rolling. Consider that the guaranteed tolerances range around 10 I.U. (International Units) and this means to detect and control a delta length between the wavy and the tight fibers of 1 mm only in a wave 10 meters long! Strip flatness is measured with a shapemeter: a segmented roll located at the 5th stand exit which measures, rotor by rotor, the vertical forces to which the strip is subjected during rolling, across the width of the strip (see fig. 11); it is then mathematically possible to obtain the longitudinal tensions from the forces and, from them, the flatness index of the strip. ASI s flatness control processes rough measurements coming from the shapemeter in order to extract the three components of the error that the available actuators can most efficiently correct (see fig. 12); bending and intermediate shifting quickly and accurately compensates for symmetrical defects, while tilting acts on the asymmetrical defects in the strip. Localized defects, usually a result of thermal phenomena, can be efficiently corrected by selective cooling sprays: they have a slow dynamic, but can act on a precise area of the strip. A Feedforward Force Compensation function (FFC) calculates a further contribution of bending, taking into account that the force can change during rolling, e.g. due to corrections from AGC, or from ATC. Roll Selective Cooling Shapemeter Roll Bending Roll Shifting Tilting (differential gap) Asymmetric Symmetric Shape Signal Components Local Fig The 3 components of shape error are corrected separately Fig Le 3 componenti dell errore di planarità sono corrette separatamente INNOVATION 26

12 La fig. 9 illustra la definizione di planarità, mentre la fig. 10 mostra una rappresentazione tridimensionale della planarità misurata durante la laminazione. Si consideri che l intervallo di tolleranza garantito è intorno alle 10 I.U., il che significa rilevare e controllare una differenza di lunghezza tra la fibra ondeggiante e quella tesa di 1 solo mm su un onda lunga 10 m! La planarità del nastro è misurata con uno shapemeter: si tratta di un rullo segmentato posizionato all uscita della quinta gabbia in grado di misurare, rotore per rotore, le forze verticali a cui il nastro è soggetto durante la laminazione, sulla larghezza del nastro stesso (v. fig. 11); dopodiché, dalle forze è possibile calcolare matematicamente i tiri longitudinali e, da essi, l indice di planarità del nastro. Il controllo di planarità di ASI processa le misure grezze provenienti dallo shapemeter ed estrae le tre componenti dell errore che possono essere efficacemente correcti dagli attuatori disponibili (v. fig. 12); il bending e lo shifting intermedio sono in grado di correggere velocemente ed accuratamente i difetti simmetrici, mentre il tilting (posizione differenziale dei cilindri) agisce sui difetti asimmetrici del nastro. I difetti locali, che di solito sono il risultato di fenomeni termici, possono essere efficacemente corretti mediante il raffreddamento selettivo dei cilindri di lavoro: hanno una dinamica lenta, ma possono agire su ben precise zone del nastro. Infine, la funzione di compensazione di forza in anello aperto calcola un ulteriore contributo di bending in base alle variazioni di forza che possono avvenire durante la laminazione, p. es., dovute a correzioni dell AGC o dell ATC. Fig Stand Tandem Mill (PRC) Fig Tandem a 5 gabbie (China) 27